專利名稱：：一種復合強化高韌性超高強度二次硬化鋼的制作方法
技術領域：
：本發明屬于合金鋼領域，特別涉及一種復合強化高韌性超高強度二次硬化鋼。鮮體在此之前，高韌性的二次硬化型超高強度鋼一直是研究和應用的重點，經過近半個世紀的發展，其應用越來越廣泛，其中具有代表性的有HY180、AF1410、AerMetlOO等，其化學成分見表l。表l典型二次硬化型超高強度鋼的化學成分(wt.%)<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>目前實際應用中的二次硬化型超高強度鋼的強度均不超過2000MPa，其中AerMetlOO鋼的強度水平最高，達到1965MPa，幾種鋼的力學性能見表2。表2典型二次硬化超高強度鋼的室溫力學'生能<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>二次硬化型超高強度鋼雖然強韌性配合較好，但由于強化方式單一，其最高強度與實際的需求還存在差距。目前二次硬化型鋼的發展主要依靠單一的M2C合金碳化物進行強化，保證材料具有高韌性，其強度很難超過2000MPa。由于其強度嚴重依賴于合金中的C、Mo和Co的含量，從HY180發展到AerMetlOO，鋼中的C含量由0.11提高到0.23%，但根據研究表明，C含量超過0.25%可導致斷裂韌性的惡化。因此繼續依靠M2C強化提高強度已經基本到了極限，2000MPa以上的二次硬化型超高強度鋼探討新的強化方式非常必要。
發明內容本發明的目的在于提供一種綜合性能良好，具有2100MPa以上抗拉強度和良好塑韌性的復合強化高韌性超高強度二次硬化鋼。根據上述目的，本發明整體的技術方案為-這種鋼釆用合金碳化物(M2C)和金屬間化合物(NiAl)復合強化的方式，使其具有超高強度、高塑韌性、高疲勞性能的能力。能夠提供2100MPa以上抗拉強度和良好塑韌性的綜合性能。為達到上述目標，在目前的二次硬化鋼的合金成份基礎上，加入合金元素Al并提高Co含量，利用NiAl和M2C共同強化達到高的屈服強度和抗拉強度；同時提高鋼中的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。根據上述目的和整體的技術方案，本發明具體的技術方案為該鋼的化學成分組成(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。達到本發明上述目的和優點的鋼，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進行強化。上述各化學元素的配比依據如下C:產生間隙固溶強化，獲得板條馬氏體，形成碳化物并增加碳化物數量，減少碳化物質點間距，增加二次硬化峰值，獲得高屈服強度。研究表明C含量自0.09%增加到0.19%，Fe-10Ni-2Cr-lMo-8Co鋼的屈服強度和硬度不斷升高。C含量繼續升高到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，其抗拉強度提高，但合金沖擊韌性降低。過高的C含量降低Ms點，增加殘余奧氏體和孿晶馬氏休，而孿晶馬氏體損傷韌性，同時過高的C含量將會損傷焊接性能。肉此，為保證有足夠的形成碳化物所需的碳含量，同時形成低碳板條位錯馬氏體基體，保證鋼具有滿意的的強度水平，C含量控制在0.16-0.26%。Cr:提高淬透性，產生固溶強化；取代M2C中的Mo形成(Mo、Cr)2C，促進二次硬化反應，形成細小彌散沉淀。Cr含量的增加會加速Mo2C過時效，降低M02C析出溫度和回溶溫度，提高硬度和屈服強度。但隨著Cr含量的繼續增加，抗拉強度逐漸降低，但少于3XCr時能提高沖擊韌性的作用還與Mo含量有關。對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，導致M02C共格應變降低，因而抗拉強度、屈服強度降低。但如果C含量相應提高，卻會因沉淀相體積分數增加而得到更高的抗拉強度和屈服強度。因此，根據合金巾的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，強烈的產生二次硬化反應，是形成二次硬化峰的原因，是主要的強化元素，隨著Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服強度提高。為獲得足夠的二次硬化效果，本發明鋼中的Mo含量不應少于1.0%。同時Mo還有增加淬透性，產生固溶強化，抑制回火脆性的作用。Mo與Cr的適當配合，可以使合金得到良好的韌性。Ni:提高淬透性，產生固溶強化，高Ni含量保證馬氏體基體具有高的本征抗解理斷裂能力，提高鋼的強韌性以及耐應力腐蝕性，Ni還可以促進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度鋼中添加Ni含量在10%或更高。而高Ni含量和細小彌散分布的碳化物沉淀也正是這類鋼具有高強度、高韌性的基本原因。本發明中，合金在熱處理回火過程中Ni與Al結合，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，但強烈促進二次硬化反應，添加Co可以抑制延緩馬氏體位錯亞結構回復，保持馬氏體板條的高位錯密度，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/在鐵素體中的擴散系數，增加M2C碳化物的形核率。因而，可以促進形成細小彌散分布的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M2C沉淀相的形成；促進奧氏體完全轉變為馬氏體，提高Ms點，減少馬氏體轉變為逆轉變奧氏體的傾向。此外，Ni、Co共同添加會相互加強促進Fe3C回溶和M2C碳化物的形成以及增強Co的促進硬化作用。Al:常見的合金元素中可提高奧氏體的Ms點的合金元素只有Co和Al，其它合金元素均降低Ms點。高CoNi合金鋼在回火過程中，Al與Ni可形成體心立方結構的金屬間化合物NiAl析出，引起共格應變而產生顯著的二次硬化反應，與M2C相一起形成復合強化。但A1含量過高時，會使合金的塑韌性急劇惡化，因此本發明中Al含量不易超過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0.1%，最好小于0.05%，Si、Ti含量都可達到0.1%，這些附加元素可用于合金的脫氧劑。本發明超高強度鋼中其余元素基本為鐵，合金中的雜質元素必須控制，例如P限制不超過0.008%，S限制不超過0.005%，氧限制不超過25ppm，氮不超過40ppm。本發明采用與現有技術相近擬的制備方法-本發明超高強度鋼易于采用真空感應+真空自耗重烙或真空感應+電渣重熔冶煉工藝，其具體工藝參數如下鋼錠進行1200+l(TC均勻化處理，時間^3小時。裝爐溫度^65(TC。合金在1180-850。C區間均能夠熱加工，加熱溫度1160—118(TC，開鍛溫度2110(TC，終鍛溫度^85(TC。成品退火制度正火950±15°C，保溫^1小時；回火680±20°C，保溫^6小時。最終熱處理淬火處理加熱到910土15。C，熱透后保溫l小時，油淬。也允許空冷或者用惰性氣體進行真空熱處理，二者比油淬冷卻速率慢。隨后進行深冷處理，在-73"C保溫a小時然后在空氣中升到室溫。回火處理加熱到510土1(TC，熱透后保溫5-8小時，空冷。也可進行二次回火處理。與現有技術相比，本發明綜合性能優良，具有2100MPa以上抗拉強度和良好塑韌性的優點。同時具有較高的比強度，其比強度不小于Ti-6Al-4V鈦合金，可以在要求更高的強韌性配合和減輕重量的使用條件下替代現有的超高強度鋼。本發明鋼在奧氏體化和時效后能提供最大拉伸強度不小于2100MPa，而斷面收縮率1)/可達到55%，用上述工序參數時效能提供洛氏硬度HRC55，具有優良的強韌性配合。具體實施方式根據本發明鋼的化學成分范圍，采用25公斤真空感應爐制備21公斤的合金錠8爐，其具體化學成分見表3，爐號為1#~8#。8爐鋼冶煉澆鑄成鋼錠后，鍛前首先進行高溫均質化處理制度為1200'C保溫6小時后，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。回火處理51(TCX5h，空冷。試樣毛坯磨削加工成力學性能試樣成品，測得力學性能見表4。為了對比，在表3和表4中列入了AerMetlOO、AF1410鋼的化學成分和力學性能。表3看出，與AerMetlOO、AF1410鋼這些二次硬化型超高強度鋼相比，本發明的主要技術方案是在中碳的馬氏體基體上，通過復合添加Mo、Cr、Al，利用M2C型碳化物和金屬間化合物NiAl共同強化達到高強度；更高的Co含量可以提高Ms點，有利于板條馬氏體的形成，更可以減緩位錯的恢復，促進強化相的析出，有利于提高強度；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，本發明鋼與對比例AerMetlOO、AF1410鋼相比，在保持較高的塑韌性同時具有更高的的抗拉強度，可以達到2100MPa以上。表3本發明實施例與對比例AerMetlOO、AF1410鋼化學成分(wt%)對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表4本發明實施例與對比例AerMetlOO、AF1410鋼力學性能對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1、一種復合強化高韌性超高強度二次硬化鋼，其特征在于該鋼的化學成分組成(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。全文摘要本發明屬于合金鋼領域，特別涉及一種復合強化高韌性超高強度二次硬化鋼。該鋼的化學成分組成(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。本發明與現有技術相比綜合性能良好，具有2100MPa以上抗拉強度和良好塑韌性的優點。上述具體優點為拉伸強度σb不小于2100MPa，斷面收縮率ψ可達到55％、洛氏硬度HRC55。文檔編號C22C38/56GK101403076SQ200810226528公開日2009年4月8日申請日期2008年11月14日優先權日2008年11月14日發明者劉憲民,勇厲,張景海,李建新,瑞王,王春旭,田志凌申請人:鋼鐵研究總院