专利名称：：节镍型无钴马氏体时效超高强度钢的制作方法
技术领域：
：本发明属于合金钢领域，特别涉及一种节镍型无钴马氏体时效超高强度钢，主要适用于高强度的旋压薄壁筒体以及弹簧、齿轮等。
背景技术：
：在现有技术中，制造高强度旋压薄壁筒体以及弹簧、齿轮等类似的部件使用的材料大多数是18Ni含Co马氏体时效钢，是60年代初由国际镍公司(INC0)首先开发出来的，其方案是在铁镍马氏体合金中加入不同含量的钴、钼、钛，通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900Mpa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)钢，后来又开发了18M(350)、13Ni(400)，但由于含有大量的Co元素(7.5-15%)以及大量的Ni，使得其原料成本很高易受资源短缺的制约，因此长时间以来极大地限制了18Ni系列马氏体时效钢的广泛应用。进入80年代以来，由于钴价不断上涨，无钴马氏体时效钢的开发取得了很大进展，如美国的T-250(18Ni-3Mo_l.4Ti-0.lAl)、韩国的W-250(18Ni-4.5W-1.4Ti-0.1A1)和前苏联的H1606M6(16Ni-6V-6Mo)均相继问世。这些钢不仅使生产成本降低了2030%，而且性能也十分接近相应强度水平的含钴马氏体时效钢。但这些钢中仍然含有大量的Ni，在一些低Ni的马氏体时效钢中性能又达不到目前18Ni含Co钢的水平，因此需要开发无Co低Ni的马氏体时效钢使之性能与T250钢相当。
发明内容本发明的目的在于提供一种成本低、保持较高的屈服强度和塑韧性，机加工性能优良的节镍型无钴马氏体时效超高强度钢。根据上述目的，本发明整体的技术方案为本发明是基于Fe-Ni-Cr系合金，在超低碳的无Co马氏体基体上利用Fe2Mo、Ni3Ti、Ni3Al的时效析出进行强化。在降低M含量的同时，以Cr代Ni降低成本节省资源、并使综合性能达到与T250马氏体时效钢相当的水平。合金体系中，主要元素是Fe、Ni、Cr，三者形成超低碳的板条马氏体基体组织，同时含有强化元素Mo、Ti等，这些元素主要与基体中的Ni形成Fe2Mo、Ni3Ti、Ni3Al等强化相进行强化达到高强度；另外钢中要严格控制C、S、P、Si、Mn、O、N等杂质元素的含量，以提高材料的塑性和韧性。根据上述目的和整体的技术方案，本发明具体的技术方案为该节镍型无钴马氏体时效超高强度钢的化学组成成分(重量％)为C《0.03%,Si《0.1%，Mn《0.1%,Ni11.5-14.5%,Cr3.75-5.25%，Mo2.25-3.75%，Ti1.2-1.6%，Al《0.30%，Co《0.50%，S《0.01%，P《0.01%，0《30PPm，N《30PPm，余为Fe。上述化学组成成分的设计依据如下镍Ni对马氏体时效钢的基体并无强化作用，而马氏体时效钢中之所以要含有足够数量的Ni，是为了保证固溶或奥氏体化之后的冷却中(不管冷却速度如何)都能生成马氏体，而不生成铁素体或其它的相。Ni对提高钢的韧性有积极作用。时效处理后基体中含Ni量低于10%时会引起韧性降低。Ti完全以Ni3Ti金属间化合物形式存在消耗Ni，以析出强化方式提高强度；Mo有一部分生成N:UMo,也以析出强化方式消耗Ni。马氏体时效钢中的Ni能促进N:UMo的时效沉淀。但减少Ni含量足以使粗大的Laves相析出。马氏体时效钢中含Ni是为了保证固溶和奥氏体化之后的时效过程中都能生成马氏体。对实用的18Ni马氏体时效钢成分体系，首先析出NiJi和Fe2Mo,然后析出Ni3Mo。Ni含量少时，Ni3Ti仅限于晶界和板条界上。铬Cr是铁素体形成元素，Cr含量的增加，将降低获得完全马氏体的能力。在马氏体时效钢中，Cr和Ni—样固溶在基体中，具有固溶强化作用；Cr还显著提高钢的淬透性。Cr与强化元素之间如Ti、Mo等不形成强化相，但Cr却影响这些强化相的析出动力，由于Cr代替了Ni因此使基体中的Ni含量降低，降低了MJi和N"Mo等的析出动力，因此过多的Cr含量将降低钢的强度，最佳的Cr含量应控制在一个合适的水平。对无Co马氏体时效钢而言，Ni和Cr的含量范围对获得的最佳强度和韧性需要严格控制。为保证韧性来说，需要17%左右的(镍+铬)，为保证奥氏体完全转变成马氏体，(镍+铬)不应大于21%。钼Mo生成Fe2M。和Ni3Mo这两种析出物，可在不降低韧性情况下提高强度。Mo可与Ni生成Ni3Mo金属间化合物，强化基体，并能抑制P和S在晶界的析出。但如添加Mo过多，则于基体析出Fe2Mo，使基体韧性降低，并在这类析出物于晶界析出时容易富积H2，使延迟破坏敏感性提高。故取Mo含量控制在3%左右。钛Ti可通过形成NiJi提高钢的强度。当Ti含量超过1.6%，针状的Ni3Ti将于晶界析出，使韧性急剧下降。但是，当Ti含量达不到1.2%时，不仅强度达不到要求，在时效过程中抑制奥氏体析出效果减小，因而促进时效中的软化(过时效)。故将Ti含量保持在1.21.6呢。Ti对强度及韧性都有明显的影响。Ti在时效过程中形成NiJi强化钢，但是韧性损失较大，再加上Ti的偏析的影响，使钢断裂韧度明显下降。当钢中存在杂质元素C、N夺取部分Ti形成Ti(C、N)，造成对钢的脆化，降低钢的韧性与塑性。Ti可固定钢中夹杂物S生成TiS，减少晶界偏析。Ti的下限为0.8%。如添加Ti过多，则引起Ni3Ti析出物增加，导致基体韧性下降，所以上限不超过1.601杂质元素的控制碳碳对马氏体的强度的影响是非常巨大的，即使在碳的含量非常低的情况下，也会使马氏体的强度显著提高。C与Ti生成TiC非金属夹杂物，不仅降低钢的韧性，而且多消耗Ti:C是妨碍Ti析出强化的元素，控制在0.005%以下可以消除上述不利影响。故将C量限制在0.01%以下。氮马氏体时效钢通常采用真空熔炼，所以N含量很低，仅为2535ppm。从前人们很少注意微量N的作用。但最近的研究表明，即使微量N对钢的韧性也有很大负面影响，是超高强度钢韧性发生变化的原因之一。N在钢中存在形式几乎完全属于TiN:N不仅以TiN的非金属夹杂物形式使韧性下降，而且TiN呈点序列状排列，犹如钢中存在的裂纹缺陷一样，使钢韧性变差。因此把N含量控制在30卯m以下。氧0是钢中非金属氧化物的形成元素，钢中的0主要以各种氧化物的形式存在。氧化物对钢的塑韧性造成损害，特别是氧化物尤其是表面、次表面的氧化物对钢的疲劳性能影响显著，因此目前此类超高强度钢多采用真空冶炼工艺进行生产，尽可能去除钢中的O减少氧化物的含量，因此把O含量控制在30卯m以下。铝Al在炼钢时用作脱氧剂，为提高加入Ti的收得率，先用A1脱氧后再加合金元素Ti。Al含量在0.03y。以下时，钢中氧含量将超过15ppm，使氧化物颗粒增大，降低钢的韧性。如Al含量大于0.15%时，则容易生成使韧性变坏的Ni3Al，所以A1含量取小于0.30°/0。硅、锰对马氏体时效钢来说，这些元素都是增加氧化物夹杂的原因，该元素合计如超过0.06%，则对拉伸强度超过250kgf/mm2级的材料的韧性带来有害影响。所以确定Si、Mn、的含量在O.10%以下，降低夹杂物对力学性能的影响。硫Ti(C、N)含量对Kic的影响远比S含量的影响为大。因此，S含量对钢韧性的影响，往往要和钢中其它元素综合影响统一考虑。当然S含量对马氏体时效钢韧性的影响不能忽视。据报道，S含量对马氏体时效钢夏氏冲击有较大影响。但当S小于0.01。/。时，钢的冲击韧性不受S含量的影响，而有些提高。马氏体时效钢中S含量应小于0.01%，并认为钢中含S主要以Ti2S(Y相)夹杂物形式存在。呈长条状，分布于断口，会导致冲击韧性有方向性地下降。磷P在钢中很少与其他元素形成化合物，但P通常积聚在晶界或板条边界处，削弱晶界或板条边界的结合强度，从而对钢的韧性造成危害，虽然Mo的存在可以部分抑制P在晶界或边界的积聚，但对于250kgf/mm2级的材料应严格控制钢中的P的含量，将其限定在O.01%以下。说明书第5/6页本发明采用与现有技术相似的制备方法
技术领域：
：本发明钢采用真空感应炉冶炼、真空感应+电渣炉重熔或真空感应+真空自耗断重熔的冶炼工艺。熔炼后钢锭应在120(TC下进行均质化处理，随后在1180-85(TC范围内进行热加工，热加工后在830-940。C固溶处理，最后在480-530°C范围内进行时效处理。本发明与现有技术相比具有成本低、保持较高的屈服强度和塑韧性，机加工性能优良的优点，是属于一种综合性能优良的超高强度钢。上述具体优点为与现有技术相比，本发明不仅不含有短缺金属Co元素，而且以Cr代替Ni降低了Ni的使用，节省了成本节约了资源，综合性能达到与C250、T250钢相当，是属于一种综合性能优良的超高强度钢。室温强度Rm》1760Mpa，Rpo.2》1660MPa，A%》8.0%，Z>45%。具体实施例方式根据本发明无钴节镍型马氏体时效钢的化学成分范围，在20公斤真空感应炉上冶炼3炉本发明钢，其具体化学成分如表1所示。3炉钢冶炼浇铸成锭后，进行均质化热处理、锻造成力学性能试样，随后进行固溶和时效处理。其具体工艺参数如下钢锭均质化热处理温度120(TC,时间6小时。热加工加热温度1150-1180。C，加热时间1小时。固溶温度830~900°C,加热时间1小时，空冷时效温度50(TC,时间5小时。处理后进行试问的力学性能试验，结果见表2。为了对比，在表1和表2中加入了C250、T250钢的成分和性能数据。从表l可以看出，与C250钢相比，本发明不含有Co，节约了战略资源。与T250钢相比，本发明以Cr代Ni降低了Ni含量降低了成本。从表2看出，本发明与对比钢C250、T250相比，抗拉强度和屈服强度与C250和T250钢相当，延伸率也相当，但发明钢的断面收縮率要高于C250和T250钢，可能与发明钢的性能取自小尺寸试样有关。综合看，发明钢的性能与对比钢C250、T250的性能相当，但不含有Co，降低了Ni含量，因此节约了资源降低了成本。表l本发明实施例与对比例钢的化学成分表(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2本发明实施例与对比例钢的力学性能对比表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求1.一种节镍型无钴马氏体时效超高强度钢，其特征在于该钢的化学组成成分(重量％)为C≤0.03％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，Ni11.5-14.5％，Cr3.75-5.25％，Mo2.25-3.75％，Ti1.2-1.6％，Al≤0.30％，Co≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤30PPm，N≤30PPm，余为Fe。全文摘要本发明属于合金钢领域，特别涉及一种节镍型无钴马氏体时效超高强度钢，主要适用于高强度的旋压薄壁筒体以及弹簧、齿轮等。该节镍型无钴马氏体时效超高强度钢的化学组成成分(重量％)为C≤0.03％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，Ni11.5-14.5％，Cr3.75-5.25％，Mo2.25-3.75％，Ti1.2-1.6％，Al≤0.30％，Co≤0.50％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤30PPm，N≤30PPm，余为Fe。本发明与现有技术相比具有成本低、保持较高的屈服强度和塑韧性，机加工性能优良的优点，是属于一种综合性能优良的超高强度钢。文档编号C22C38/52GK101100728SQ20071012051公开日2008年1月9日申请日期2007年8月21日优先权日2007年8月21日发明者蕤刘,刘宪民,刘树勋,勇厉,张景海,李建新,王春旭,峰邢申请人:钢铁研究总院