CN103451557A - 钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢 - Google Patents
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Abstract
一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢,属于合金钢技术领域,1、一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢,其特征在于,化学成分重量百分数为:C0.20-0.40%,Cr0.5-3.0%,Ni8.00-15.0%,Co8.00-15.00%,Mo1.00-5.00%,W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明与现有技术相比综合性能良好,具有更高的抗拉强度和良好塑韧性的优点,提高了材料回火稳定性。
Description
技术领域
本发明属于合金钢技术领域,特别涉及一种钨(W)、钼(Mo)复合强化高韧性二次硬化超高强度钢。
背景技术
在此之前,高韧性的二次硬化型超高强度钢一直是研究和应用的重点,经过近半个世纪的发展,其应用越来越广泛,其中具有代表性的有HY180、AF1410、AerMet100等,其化学成分见表1。
表1典型二次硬化型超高强度钢的化学成分(wt.%)
钢种 | C | Co | Ni | Mo | Cr | Fe |
HY180 | 0.11 | 8.0 | 10.0 | 1.0 | 2.0 | 其余 |
AF1410 | 0.16 | 14.0 | 10.0 | 1.0 | 2.0 | 其余 |
AerMet100 | 0.23 | 13.4 | 11.1 | 1.2 | 3.1 | 其余 |
目前实际应用中的二次硬化型超高强度钢的强度均不超过2000MPa,其中AerMet100钢的强度水平最高,达到1965MPa,几种钢的力学性能见表2。并且,几种钢的回火稳定性较差,其回火温度不超过510℃。
表2典型二次硬化超高强度钢的室温力学性能
二次硬化型超高强度钢虽然强韧性配合较好,但目前的强化方式比较单一,其最高强度与实际的需求还存在差距,同时回火稳定性较差,对过时效敏感,给工程应用增添了不少苦难。目前二次硬化型钢的发展主要依靠单一的Mo2C合金碳化物进行强化,保证材料具有高韧性,其强度很难超过2000MPa。由于其强度严重依赖于合金中的C、Mo和Co的含量,从HY180发展到AerMet100,钢中的C含量由0.11提高到0.23%,但根据研究表明,在单一Mo强化条件下,钢的回火稳定性差,对过时效敏感,同时在低Mo含量条件下,C含量超过0.25%可导致断裂韧性的恶化。因此继续依靠Mo2C强化提高强度已经基本到了极限,2000MPa以上的二次硬化型超高强度钢探讨新的强化方式非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钨(W)、钼(Mo)复合强化高韧性二次硬化超高强度钢,综合性能良好,具有2000MPa以上抗拉强度和良好塑韧性。
根据上述目的,本发明整体的技术方案为:
这种钢采用复合合金碳化物Mo2C和W2C复合强化的方式,使其具有超高强度、高塑韧性、高回火稳定性的能力。能够提供2000MPa以上抗拉强度和良好塑韧性的综合性能。
为达到上述目标,在目前的二次硬化钢的合金成份基础上,加入合金元素W并提高Co含量,利用Mo2C和W2C复合强化的方式达到高的屈服强度和抗拉强度;同时提高钢中的Ni含量保证足够的韧性。
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:
该钢的化学成分重量百分数为:C0.20-0.40%,Cr0.5-3.0%,Ni8.00-15.0%,Co8.00-15.00%,Mo1.00-5.00%,W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%,余量为Fe和不可避免的杂质。
达到本发明上述目的和优点的钢,采用一种复合强化二次硬化型马氏体钢,利用中碳的Fe-Ni-Co马氏体基体上弥散析出的Mo2C和W2C复合强化。
上述各化学元素的配比依据如下:
C:产生间隙固溶强化,获得板条马氏体,形成碳化物并增加碳化物数量,减少碳化物质点间距,增加二次硬化峰值,获得高屈服强度。研究表明:C含量自0.09%增加到0.19%,Fe-10Ni-2Cr-1Mo-8Co钢的屈服强度和硬度不断升高。C含量继续升高到0.29%仍显示出所有回火温度下的硬度普遍升高。随着C含量的增加,其抗拉强度提高,但合金冲击韧性降低。过高的C含量降低Ms点,增加残余奥氏体和孪晶马氏体,而孪晶马氏体损伤韧性,同时过高的C含量将会损伤焊接性能。因此,为保证有足够的形成碳化物所需的碳含量,同时形成低碳板条位错马氏体基体,保证钢具有满意的的强度水平,C含量控制在0.20~0.40%。
Cr:提高淬透性,产生固溶强化;取代M2C中的Mo形成(Mo、Cr)2C,促进二次硬化反应,形成细小弥散沉淀。Cr含量的增加会加速Mo2C过时效,降低Mo2C析出温度和回溶温度,提高硬度和屈服强度。随着Cr含量的继续增加,抗拉强度逐渐降低,但少于3%Cr时能提高冲击韧性的作用还与Mo含量有关。对0.16C-10Ni-14Co合金的研究表明:Cr取代Mo2C中的部分Mo,由于减少了Mo2C中的Mo含量,导致Mo2C共格应变降低,因而抗拉强度、屈服强度降低。但如果C含量相应提高,却会因沉淀相体积分数增加而得到更高的抗拉强度和屈服强度。因此,根据合金中的C含量,Cr含量控制在不大于3.0%。
Mo:是主要的强化元素,Mo2C碳化物的主要形成元素,强烈的产生二次硬化反应,是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的增加,二次硬化峰值硬度提高,屈服强度提高。同时Mo还有增加淬透性,产生固溶强化,抑制回火脆性的作用。Mo与Cr的适当配合,可以使合金得到良好的韧性。为获得足够的二次硬化效果,本发明钢中的Mo含量不应少于1.0%。根据强度的需要和合金中C的含量控制,本发明钢中Mo含量控制在1.0-5.0%。
Ni:提高淬透性,产生固溶强化,高Ni含量保证马氏体基体具有高的本征抗解理断裂能力,提高钢的强韧性以及耐应力腐蚀性,Ni还可以促进Fe3C回溶,从而为M2C的形成提供足够的碳含量,因而Fe-C-Mo-Cr-Ni-Co系二次硬化型超高强度钢中添加Ni含量在10%或更高。而高Ni含量和细小弥散分布的碳化物沉淀也正是这类钢具有高强度、高韧性的基本原因。因此,合金中控制Ni含量不小于8.0%,最好控制在8.0-15.0%。
Co:虽然Co与合金体系中的其他元素不形成化合物,但其强烈促进二次硬化反应,添加Co可以抑制延缓马氏***错亚结构回复,保持马氏体板条的高位错密度,从而为随后的沉淀相M2C的析出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在铁素体中的激活能,降低C原子在铁素体中的扩散系数,增加M2C碳化物的形核率。因而,可以促进形成细小弥散分布的M2C碳化物,并且减少沉淀析出碳化物粒子间距;Co能降低Mo在马氏体中的固溶度和Cr在M3C渗碳体中的固溶度,从而促进M2C沉淀相的形成;促进奥氏体完全转变为马氏体,提高Ms点,减少马氏体转变为逆转变奥氏体的倾向。此外,Ni、Co共同添加会相互加强促进Fe3C回溶和M2C碳化物的形成以及增强Co的促进硬化作用。因此在本合金中Co的含量较高,控制在8.0-15.0%。
W:是主要的强化元素,W2C碳化物的主要形成元素,强烈的产生二次硬化反应,是形成二次硬化峰的原因。随着W含量的增加,二次硬化峰值硬度提高,屈服强度提高,同Mo相比W可以显著降低合金碳化物的过时效敏感性,提高合金回火稳定性。为获得足够的二次硬化效果,本发明钢中的W含量不应少于1.0%。根据强度特别是韧性的需要,本发明钢中W含量控制在1.0-3.0%。
合金中其他元素,可以包括不损害性能的附加元素。例如,Mn含量可达0.1%,最好小于0.05%,Si、Ti含量都可达到0.1%,这些附加元素是合金在冶金过程中的常用脱氧剂。
本发明超高强度钢中其余元素为铁,合金中的杂质元素必须控制,例如P限制不超过0.008%,S限制不超过0.005%。
本发明采用与现有技术相近似的制备方法:
本发明超高强度钢易于采用真空感应+真空自耗重熔或真空感应+电渣重熔冶炼工艺,其具体工艺参数如下:
钢锭进行1200+10℃均匀化处理,时间≥3小时。装炉温度≤650℃。
合金在1180-850℃区间均能够热加工,加热温度:1160-1180℃,开锻温度≥1100℃,终锻温度≥850℃。
成品退火制度:正火:1050±15℃,保温≥1小时;回火:680±20℃,保温≥6小时。
最终热处理:淬火处理:加热到1050±15℃,热透后保温1小时,油淬。也允许空冷或者用惰性气体进行真空热处理,二者比油淬冷却速率慢。随后进行深冷处理,在-73℃保温≥1小时然后在空气中升到室温。
回火处理:加热到510~530℃,热透后保温5-8小时,空冷。也可进行二次回火处理。
本发明的优点在于,与现有技术相比,本发明综合性能优良,具有高塑韧性和超高强度的优点,具有较高的回火稳定性,强度能够稳定达到2000MPa以上。
具体实施方式
根据本发明钢的化学成分范围,采用25公斤真空感应炉制备21公斤的合金锭10炉,其具体化学成分见表3,炉号为1#~10#。
10炉钢冶炼浇铸成钢锭后,锻前首先进行高温均质化处理制度为:1200℃保温6小时后,降温锻造,锻造加热温度为1150℃。锻造试棒尺寸为:φ15×2000mm、15×15×2000mm及25×45×L。
锻后试棒首先进行正火、退火热处理:正火处理1050℃×1h,空冷、退火处理680℃×6h,空冷。然后送试样段加工拉伸、冲击及断裂韧性试样毛坯。最后的热处理进行淬火、深冷和回火热处理:淬火处理1050℃×1h,油淬、随后-73℃冷处理,空气中升到室温。回火处理515℃×5h,空冷。试样毛坯磨削加工成力学性能试样成品,测得力学性能见表4。
为了对比,在表3和表4中列入了AerMet100、AF1410钢的化学成分和力学性能。
表3看出,与AerMet100、AF1410钢这些二次硬化型超高强度钢相比,本发明的主要技术方案是在中碳的马氏体基体上,通过复合添加Mo、W,利用Mo2C和W2C碳化物共同强化达到高强度;更高的Co含量可以提高Ms点,有利于板条马氏体的形成,更可以减缓位错的恢复,促进强化相的析出,有利于提高强度;更高的Ni含量提高钢的淬透性,特别可以获得足够的奥氏体提高钢的韧性。
由表4看出,本发明钢与对比例AerMet100、AF1410钢相比,在保持较高的塑韧性同时具有更高的的抗拉强度,可以达到2000MPa以上。
表3本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢化学成分(wt%)对比表
续表3本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢化学成分(wt%)对比表
表4本发明实施例与对比例AerMet100、AF1410钢力学性能对比表
Claims (1)
1.一种钨、钼复合强化高钴镍高韧性二次硬化超高强度钢,其特征在于,化学成分重量百分数为:C0.20-0.40%,Cr0.5-3.0%,Ni8.00-15.0%,Co8.00-15.00%,Mo1.00-5.00%,W1.0-3.0%,V0.05-0.20%,Ti≤0.10%,余量为Fe和不可避免的杂质。
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