專利名稱：：一種復(fù)合強(qiáng)化高韌性超高強(qiáng)度二次硬化鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合強(qiáng)化高韌性超高強(qiáng)度二次硬化鋼。鮮體在此之前，高韌性的二次硬化型超高強(qiáng)度鋼一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中具有代表性的有HY180、AF1410、AerMetlOO等，其化學(xué)成分見(jiàn)表l。表l典型二次硬化型超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分(wt.%)<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>目前實(shí)際應(yīng)用中的二次硬化型超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度均不超過(guò)2000MPa，其中AerMetlOO鋼的強(qiáng)度水平最高，達(dá)到1965MPa，幾種鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2。表2典型二次硬化超高強(qiáng)度鋼的室溫力學(xué)'生能<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>二次硬化型超高強(qiáng)度鋼雖然強(qiáng)韌性配合較好，但由于強(qiáng)化方式單一，其最高強(qiáng)度與實(shí)際的需求還存在差距。目前二次硬化型鋼的發(fā)展主要依靠單一的M2C合金碳化物進(jìn)行強(qiáng)化，保證材料具有高韌性，其強(qiáng)度很難超過(guò)2000MPa。由于其強(qiáng)度嚴(yán)重依賴于合金中的C、Mo和Co的含量，從HY180發(fā)展到AerMetlOO，鋼中的C含量由0.11提高到0.23%，但根據(jù)研究表明，C含量超過(guò)0.25%可導(dǎo)致斷裂韌性的惡化。因此繼續(xù)依靠M2C強(qiáng)化提高強(qiáng)度已經(jīng)基本到了極限，2000MPa以上的二次硬化型超高強(qiáng)度鋼探討新的強(qiáng)化方式非常必要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能良好，具有2100MPa以上抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性的復(fù)合強(qiáng)化高韌性超高強(qiáng)度二次硬化鋼。根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案為-這種鋼釆用合金碳化物(M2C)和金屬間化合物(NiAl)復(fù)合強(qiáng)化的方式，使其具有超高強(qiáng)度、高塑韌性、高疲勞性能的能力。能夠提供2100MPa以上抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性的綜合性能。為達(dá)到上述目標(biāo)，在目前的二次硬化鋼的合金成份基礎(chǔ)上，加入合金元素Al并提高Co含量，利用NiAl和M2C共同強(qiáng)化達(dá)到高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；同時(shí)提高鋼中的Ni含量保證足夠的韌性。合金中其余部分可以包括不損害綜合性能的附加元素作為脫氧劑等使用，例如Mi^0.1%，SiS0.1%，Ti^0.1%。合金中P含量^0,008免，而S，05免。根據(jù)上述目的和整體的技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為該鋼的化學(xué)成分組成(重量％)為C0.16-0.26%,Cr1.8-2.8%，Ni10.0-13.0%，Mo1.0-2.0%，Co12.0-15.0%，Al0.5-1.5%，Mn^O.1%,SS0.1%，Ti^0.1%，0.005%，PS0.008%，OS25ppm，N^40ppm，余為Fe。達(dá)到本發(fā)明上述目的和優(yōu)點(diǎn)的鋼，采用一種二次硬化型馬氏體鋼，利用中碳的Fe-Ni馬氏體基體上彌散析出的NiAl和M2C進(jìn)行強(qiáng)化。上述各化學(xué)元素的配比依據(jù)如下C:產(chǎn)生間隙固溶強(qiáng)化，獲得板條馬氏體，形成碳化物并增加碳化物數(shù)量，減少碳化物質(zhì)點(diǎn)間距，增加二次硬化峰值，獲得高屈服強(qiáng)度。研究表明C含量自0.09%增加到0.19%，F(xiàn)e-10Ni-2Cr-lMo-8Co鋼的屈服強(qiáng)度和硬度不斷升高。C含量繼續(xù)升高到0.29%仍顯示出所有回火溫度下的硬度普遍升高。隨著C含量的增加，其抗拉強(qiáng)度提高，但合金沖擊韌性降低。過(guò)高的C含量降低Ms點(diǎn)，增加殘余奧氏體和孿晶馬氏休，而孿晶馬氏體損傷韌性，同時(shí)過(guò)高的C含量將會(huì)損傷焊接性能。肉此，為保證有足夠的形成碳化物所需的碳含量，同時(shí)形成低碳板條位錯(cuò)馬氏體基體，保證鋼具有滿意的的強(qiáng)度水平，C含量控制在0.16-0.26%。Cr:提高淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；取代M2C中的Mo形成(Mo、Cr)2C，促進(jìn)二次硬化反應(yīng)，形成細(xì)小彌散沉淀。Cr含量的增加會(huì)加速M(fèi)o2C過(guò)時(shí)效，降低M02C析出溫度和回溶溫度，提高硬度和屈服強(qiáng)度。但隨著Cr含量的繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但少于3XCr時(shí)能提高沖擊韌性的作用還與Mo含量有關(guān)。對(duì)0.16C-10Ni-14Co合金的研究表明Cr取代Mo2C中的部分Mo，由于減少了Mo2C中的Mo含量，導(dǎo)致M02C共格應(yīng)變降低，因而抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低。但如果C含量相應(yīng)提高，卻會(huì)因沉淀相體積分?jǐn)?shù)增加而得到更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。因此，根據(jù)合金巾的C含量，Cr含量控制在不大于3.0免。Mo:作為M2C碳化物的主要形成元素，強(qiáng)烈的產(chǎn)生二次硬化反應(yīng)，是形成二次硬化峰的原因，是主要的強(qiáng)化元素，隨著Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服強(qiáng)度提高。為獲得足夠的二次硬化效果，本發(fā)明鋼中的Mo含量不應(yīng)少于1.0%。同時(shí)Mo還有增加淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，抑制回火脆性的作用。Mo與Cr的適當(dāng)配合，可以使合金得到良好的韌性。Ni:提高淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，高Ni含量保證馬氏體基體具有高的本征抗解理斷裂能力，提高鋼的強(qiáng)韌性以及耐應(yīng)力腐蝕性，Ni還可以促進(jìn)Fe3C回溶，從而為M2C的形成提供足夠的碳含量，因而Fe-C-Mo-Cr-Ni-Co系二次硬化型超高強(qiáng)度鋼中添加Ni含量在10%或更高。而高Ni含量和細(xì)小彌散分布的碳化物沉淀也正是這類鋼具有高強(qiáng)度、高韌性的基本原因。本發(fā)明中，合金在熱處理回火過(guò)程中Ni與Al結(jié)合，形成金屬間化合物沉淀析出，還需消耗掉部分的Ni含量，因此，合金中控制Ni含量不小于10%。Co:與合金體系中的其他元素不形成化合物，但強(qiáng)烈促進(jìn)二次硬化反應(yīng)，添加Co可以抑制延緩馬氏體位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)回復(fù)，保持馬氏體板條的高位錯(cuò)密度，從而為隨后的沉淀相M2C的析出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在鐵素體中的激活能，降低C原/在鐵素體中的擴(kuò)散系數(shù)，增加M2C碳化物的形核率。因而，可以促進(jìn)形成細(xì)小彌散分布的M2C碳化物，并且減少沉淀析出碳化物粒子間距；Co能降低Mo在馬氏體中的固溶度和Cr在M3C滲碳體巾的固溶度，從而促進(jìn)M2C沉淀相的形成；促進(jìn)奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高M(jìn)s點(diǎn)，減少馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)變奧氏體的傾向。此外，Ni、Co共同添加會(huì)相互加強(qiáng)促進(jìn)Fe3C回溶和M2C碳化物的形成以及增強(qiáng)Co的促進(jìn)硬化作用。Al:常見(jiàn)的合金元素中可提高奧氏體的Ms點(diǎn)的合金元素只有Co和Al，其它合金元素均降低Ms點(diǎn)。高CoNi合金鋼在回火過(guò)程中，Al與Ni可形成體心立方結(jié)構(gòu)的金屬間化合物NiAl析出，引起共格應(yīng)變而產(chǎn)生顯著的二次硬化反應(yīng)，與M2C相一起形成復(fù)合強(qiáng)化。但A1含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使合金的塑韌性急劇惡化，因此本發(fā)明中Al含量不易超過(guò)1.5%。合金中其他元素，可以包括不損害性能的附加元素。例如，Mn含量可達(dá)0.1%，最好小于0.05%，Si、Ti含量都可達(dá)到0.1%，這些附加元素可用于合金的脫氧劑。本發(fā)明超高強(qiáng)度鋼中其余元素基本為鐵，合金中的雜質(zhì)元素必須控制，例如P限制不超過(guò)0.008%，S限制不超過(guò)0.005%，氧限制不超過(guò)25ppm，氮不超過(guò)40ppm。本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術(shù)相近擬的制備方法-本發(fā)明超高強(qiáng)度鋼易于采用真空感應(yīng)+真空自耗重烙或真空感應(yīng)+電渣重熔冶煉工藝，其具體工藝參數(shù)如下鋼錠進(jìn)行1200+l(TC均勻化處理，時(shí)間^3小時(shí)。裝爐溫度^65(TC。合金在1180-850。C區(qū)間均能夠熱加工，加熱溫度1160—118(TC，開(kāi)鍛溫度2110(TC，終鍛溫度^85(TC。成品退火制度正火950±15°C，保溫^1小時(shí)；回火680±20°C，保溫^6小時(shí)。最終熱處理淬火處理加熱到910土15。C，熱透后保溫l小時(shí)，油淬。也允許空冷或者用惰性氣體進(jìn)行真空熱處理，二者比油淬冷卻速率慢。隨后進(jìn)行深冷處理，在-73"C保溫a小時(shí)然后在空氣中升到室溫?；鼗鹛幚砑訜岬?10土1(TC，熱透后保溫5-8小時(shí)，空冷。也可進(jìn)行二次回火處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合性能優(yōu)良，具有2100MPa以上抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有較高的比強(qiáng)度，其比強(qiáng)度不小于Ti-6Al-4V鈦合金，可以在要求更高的強(qiáng)韌性配合和減輕重量的使用條件下替代現(xiàn)有的超高強(qiáng)度鋼。本發(fā)明鋼在奧氏體化和時(shí)效后能提供最大拉伸強(qiáng)度不小于2100MPa，而斷面收縮率1)/可達(dá)到55%，用上述工序參數(shù)時(shí)效能提供洛氏硬度HRC55，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合。具體實(shí)施方式根據(jù)本發(fā)明鋼的化學(xué)成分范圍，采用25公斤真空感應(yīng)爐制備21公斤的合金錠8爐，其具體化學(xué)成分見(jiàn)表3，爐號(hào)為1#~8#。8爐鋼冶煉澆鑄成鋼錠后，鍛前首先進(jìn)行高溫均質(zhì)化處理制度為1200'C保溫6小時(shí)后，降溫鍛造，鍛造加熱溫度為115CTC。鍛造試棒尺寸為4)15X2000mm、15X15X2000mm及25X45XL。鍛后試棒首先進(jìn)行正火、退火熱處理正火處理950°CXlh，空冷、退火處理68(TCX6h，空冷。然后送試樣段加工拉伸、沖擊及斷裂韌性試樣毛坯。最后的熱處理進(jìn)行淬火、深冷和回火熱處理淬火處理91(TCXlh，油淬、隨后-73。C冷處理，空氣中升到室溫?；鼗鹛幚?1(TCX5h，空冷。試樣毛坯磨削加工成力學(xué)性能試樣成品，測(cè)得力學(xué)性能見(jiàn)表4。為了對(duì)比，在表3和表4中列入了AerMetlOO、AF1410鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能。表3看出，與AerMetlOO、AF1410鋼這些二次硬化型超高強(qiáng)度鋼相比，本發(fā)明的主要技術(shù)方案是在中碳的馬氏體基體上，通過(guò)復(fù)合添加Mo、Cr、Al，利用M2C型碳化物和金屬間化合物NiAl共同強(qiáng)化達(dá)到高強(qiáng)度；更高的Co含量可以提高M(jìn)s點(diǎn)，有利于板條馬氏體的形成，更可以減緩位錯(cuò)的恢復(fù)，促進(jìn)強(qiáng)化相的析出，有利于提高強(qiáng)度；更高的Ni含量提高鋼的淬透性，特別可以獲得足夠的奧氏體提高鋼的韌性。由表4看出，本發(fā)明鋼與對(duì)比例AerMetlOO、AF1410鋼相比，在保持較高的塑韌性同時(shí)具有更高的的抗拉強(qiáng)度，可以達(dá)到2100MPa以上。表3本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例AerMetlOO、AF1410鋼化學(xué)成分(wt%)對(duì)比表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例AerMetlOO、AF1410鋼力學(xué)性能對(duì)比表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權(quán)利要求1、一種復(fù)合強(qiáng)化高韌性超高強(qiáng)度二次硬化鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分組成(重量％)為C0.16-0.26％，Cr1.8-2.8％，Ni10.0-13.0％，Mo1.0-2.0％，Co12.0-15.0％，Al0.5-1.5％，Mn≤0.1％，Si≤0.1％，Ti≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.008％，O≤25ppm，N≤40ppm，余為Fe。全文摘要本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合強(qiáng)化高韌性超高強(qiáng)度二次硬化鋼。該鋼的化學(xué)成分組成(重量％)為C0.16-0.26％，Cr1.8-2.8％，Ni10.0-13.0％，Mo1.0-2.0％，Co12.0-15.0％，Al0.5-1.5％，Mn≤0.1％，Si≤0.1％，Ti≤0.1％，S≤0.005％，P≤0.008％，O≤25ppm，N≤40ppm，其余為Fe。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比綜合性能良好，具有2100MPa以上抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性的優(yōu)點(diǎn)。上述具體優(yōu)點(diǎn)為拉伸強(qiáng)度σb不小于2100MPa，斷面收縮率ψ可達(dá)到55％、洛氏硬度HRC55。文檔編號(hào)C22C38/56GK101403076SQ200810226528公開(kāi)日2009年4月8日申請(qǐng)日期2008年11月14日優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日發(fā)明者劉憲民,勇厲,張景海,李建新,瑞王,王春旭,田志凌申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院