CN112680668A - 一种马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种超高强高硬马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法。所述的马氏体沉淀硬化不锈钢为1Cr15Co14Mo5VN，所述钢的化学成分质量百分比为：Cr：12.8‒15.2，Co：11.0‒15.0，Mo：4.0‒5.5，V：0.2‒0.8，C：0.13‒0.19，N：0.02‒0.10，Ti：0.02‒0.10，Nb：0.02‒0.10，Ta：0.02‒0.10，Hf：0.02‑0.10；Mn：≤0.20，P：≤0.02，S：≤0.01，Si：≤0.20，O≤0.005，Fe余量。采用本发明提供的制备方法制得的合金其抗拉强度达到2000MPa以上，硬度HRC超过52以上，具有高强度、高硬度和较高韧性，并具有良好的高温耐蚀性能，能应用于航空、航天、核技术及舰船等领域高温承受耐蚀的轴承钢、齿轮钢以及滚珠丝杠副等部件。其制备方法简单，生产成本低，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种超高强高硬马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法。
背景技术
不锈钢在机械部件或电子设备用材中占较大的比例，在机械部件或电子设备行业的转型升级过程中对高品质、高性能不锈钢新材料的需求极为迫切，主流的机械部件或电子设备厂也提出了开发高品质机械部件或电子设备用不锈钢的需求。机械部件或电子设备用不锈钢材质主要包括奥氏体不锈钢304L、316L、317L和马氏体不锈钢20Cr13、30Cr13直至高碳的60Cr13等品种。以马氏体不锈钢3Cr13Mo制作的双关节咬骨钳为例，其硬度可以达到HRC 50以上，高强度和硬度可以避免手术过程中器械变形，但是材料的韧性和耐蚀性远远低于304等奥氏体不锈钢，耐蚀性不足带来的离子析出对人体组织存在污染风险，韧性不足导致骨钳断裂、破碎的风险，易造成术中危害。马氏体不锈钢具有高硬度和高耐磨性，但是其耐蚀性较低而且韧性较差。
马氏体沉淀硬化不锈钢因其具有高强度、高硬度和较高韧性，并具有良好的高温耐蚀性能，应用于航空、航天、核技术及舰船等领域高温承受耐蚀的轴承钢、齿轮钢以及滚珠丝杠副等部件。该钢采用低碳马氏体相变强化、时效强化、二次沉淀硬化等相叠加的强化方式，使钢具有高强度高硬度优异的综合性能。专利CN106119736A公开一种马氏体时效不锈钢1Cr14Co13Mo5的制备方法，抗拉强度达到1900MPa，硬度达到HRC50。
面对高温耐蚀条件下部件高速化与高精密度的发展，要求在高温与耐蚀条件下满足超高强度与超高硬度以及良好韧性。故综合提高马氏体沉淀硬化不锈钢的强度、硬度和韧性，具有重要的理论意义与应用价值。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超高强度、高硬度与良好韧性马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法，采用本发明提供的制备方法制得的合金其抗拉强度达到2000MPa以上，硬度HRC超过52以上。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种马氏体沉淀硬化不锈钢，所述的马氏体沉淀硬化不锈钢为1Cr15Co14Mo5VN，所述钢的化学成分质量百分比为：Cr：12.8-15.2，Co：11.0-15.0，Mo：4.0-5.5，V：0.2-0.8，C：0.13-0.19，N：0.02-0.10，Ti：0.02-0.10，Nb：0.02-0.10，Ta：0.02-0.10，Hf：0.02-0.10；Mn：≤0.20，P：≤0.02，S：≤0.01，Si：≤0.20，O≤0.005，Fe余量。
优选的，所述马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分质量百分比为：Cr：13.0-15.0，Co：13-14，Mo：4.0-5.5，V：0.3～0.6，C：0.13-0.19，Ti：0.02-0.10，Nb：0.02-0.10，Ta：0.02-0.10，Hf：0.02-0.10；Mn：≤0.20，N：0.03～0.08，P：≤0.02，S：≤0.01，Si：≤0.20，O≤0.005，Fe余量。
所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法具体包括以下步骤。
步骤1、将原料放入真空感应炉内熔炼，在熔炼后期添加高熔点碳化物，通过电磁搅拌或物理搅拌使其均匀弥散分布。
步骤2、所得钢锭在1100℃～1200℃下开锻，终锻温度为850℃～950℃；锻件在850℃～900℃保温2h后炉冷至500℃出炉，石棉包覆或埋砂缓冷。
步骤3、锻件在1000℃～1150℃固溶处理1～2h后油冷。
步骤4、进行深冷处理。
步骤5、450℃～600℃时效处理两次，每次保温2～3h。
进一步地，步骤1中所述的碳化物为TiC、NbC、TaC和HfC一种或多种组合。
进一步地，步骤1中所述的碳化物添加量为原料总质量的0.02％-0.10％，碳化物的粒径为0.5-5μm。
优选的，步骤3中所述的固溶处理温度为1050℃～1100℃，固溶处理时间为1h～1.5h。
优选的，步骤3中所述的油冷的冷却速率在2min内冷却至室温。
步骤4中所述深冷处理为液氮+酒精混合溶液在-80℃～-140℃下进行深冷处理，使不锈钢在5min内冷却至-80℃～-130℃，保温0.5-1h。
优选的，步骤5中所述时效处理温度为500℃～550℃。
与现有技术比，本发明的有益效果如下。
本发明提供的制备方法在熔炼后期引入弥散分布的高熔点碳化物，能够细化铸态样品奥氏体晶粒，并能够在锻造与热处理过程中持续细化组织；2，配合深冷处理与时效退火工艺细化组织、减小析出相尺寸并提高析出相数量，综合提高强度、硬度与韧性。
采用本发明提供的制备方法制得的1Cr15Co14Mo5VN，抗拉强度达到2000MPa以上，硬度HRC超过52以上，兼具高强度、高硬度和较高韧性，并具有良好的高温耐蚀性能，能够应用于航空、航天、核技术及舰船等领域高温承受耐蚀的轴承钢、齿轮钢以及滚珠丝杠副等部件。其制备方法简单，生产成本低，适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例一中成分A锻造后固溶深冷处理的微观组织形貌。
图2为本发明实施例一中成分B固溶深冷处理+540℃时效两次后的金相组织。
图3为本发明实施例二中成分C不同固溶温度对试样抗拉强度的影响。
图4为本发明实施例三中成分D不同深冷温度对试样抗拉强度的影响。
图5为本发明实施例四中成分G不同时效温度对试样硬度的影响。
图6为本发明实施例五中成分H不同时效温度对试样冲击韧性的影响。
图7为本发明实施例六中成分I不同时效温度对试样断裂韧性的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。下述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明各种热处理制度下的金相试样，经研磨抛光后，采用苦味酸+盐酸+酒精的混合溶液腐蚀，并用Axio Scope A1金相光学显微镜观察晶粒组织。
在力学性能测试中，拉伸试样为GB/T228-2002标准试样，拉伸试样标距段长度为25mm，直径为5mm。用洛氏硬度计测试马氏体沉淀硬化不锈钢热处理后的硬度，试样经粗磨后细磨，使上、下两表面平行并且粗糙度高于0.8，每个试样至少测三个点，取平均值。
实施例一。
选用纯Fe，电解Co，Mo，高纯钒铁、氮化铬铁等中间合金，按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.02％的0.5-2μm尺寸的NbC和0.10％的0.5-2μm尺寸的HfC颗粒，利用机械搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1150℃开锻，终锻温度900℃，锻成Φ50mm的棒材，锻件锻后在900℃保温2h后石棉包覆缓冷，在1100℃固溶处理1h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-130℃)中保温1h，然后在540℃保温2h，连续两次，最终拉伸性能见表2。
表1.实施例不锈钢化学成分列表。
| 成分 | Cr | Co | Mo | C | V | N | O | Mn | S | P | Fe |
| A | 13.39 | 12.91 | 4.85 | 0.135 | 0.55 | 0.03 | 0.002 | 0.05 | 0.014 | 0.010 | 余量 |
| B | 13.55 | 13.14 | 4.15 | 0.159 | 0.47 | 0.05 | 0.004 | 0.15 | 0.005 | 0.014 | 余量 |
| C | 13.86 | 13.59 | 4.64 | 0.146 | 0.63 | 0.04 | 0.005 | 0.10 | 0.013 | 0.015 | 余量 |
| D | 14.17 | 13.88 | 5.19 | 0.175 | 0.39 | 0.03 | 0.003 | 0.12 | 0.007 | 0.018 | 余量 |
| E | 14.69 | 13.97 | 5.36 | 0.190 | 0.52 | 0.05 | 0.002 | 0.08 | 0.005 | 0.017 | 余量 |
| F | 14.91 | 14.05 | 4.98 | 0.184 | 0.67 | 0.06 | 0.001 | 0.04 | 0.006 | 0.019 | 余量 |
| G | 14.28 | 13.75 | 4.83 | 0.169 | 0.59 | 0.05 | 0.002 | 0.09 | 0.004 | 0.012 | 余量 |
| H | 13.89 | 13.51 | 4.93 | 0.151 | 0.48 | 0.04 | 0.004 | 0.06 | 0.008 | 0.011 | 余量 |
| I | 14.01 | 13.57 | 5.05 | 0.180 | 0.51 | 0.03 | 0.005 | 0.07 | 0.009 | 0.013 | 余量 |
表2.实施例一的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
实施例二。
按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.02％的0.5-2μm尺寸TiC、0.02％的0.5-2μm尺寸TaC颗粒和0.04％的1-5μm尺寸HfC颗粒，利用电磁搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1200℃开锻，终锻温度950℃，锻成φ50mm的棒材，锻件锻造后在900℃保温2h后石棉包覆缓冷，锻件在1050℃固溶处理1h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-80℃)中保温1h，然后在550℃保温2h，连续两次，最终拉伸性能见表3。
表3.实施例二的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
实施例三。
按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.05％的0.5-5μm尺寸NbC和0.08％的0.5-2μm尺寸TaC颗粒，利用电磁搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1100℃开锻，终锻温度850℃，锻成φ50mm的棒材，锻件锻造后在850℃保温2h后埋砂缓冷，锻件在1080℃固溶处理1.0h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-80℃)中保温0.5h，然后在500℃保温3h，连续两次。最终拉伸性能与硬度见表4。
表4.实施例三的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
实施例四。
按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.10％的0.5-5μm尺寸NbC和0.02％的0.5-2μm尺寸HfC颗粒，利用电磁搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1180℃开锻，终锻温度900℃，锻成φ50mm的棒材，锻件锻造后在900℃保温2h后石棉包覆缓冷，锻件在1100℃固溶处理1.5h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-130℃)中保温0.5h，然后在540℃保温2h，连续两次。最终拉伸性能与硬度见表5。
表5.实施例四的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
实施例五。
按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.10％的0.5-5μm尺寸NbC颗粒，利用机械搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1150℃开锻，终锻温度850℃，锻成φ80mm的棒材，锻件锻造后在950℃保温2h后石棉包覆缓冷，锻件在1100℃固溶处理2h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-130℃)中保温2h，然后在540℃保温2h，连续两次。最终拉伸性能与硬度见表6。
表6.实施例四的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
实施例六。
按表1设定钢成分，采用超高真空感应炉熔炼25kg的钢锭。熔炼过程中加入0.10％的0.5-5μm尺寸TaC颗粒和0.05％0.5-5μm尺寸HfC颗粒，利用电磁搅拌使其均匀弥散分布。钢锭在1180℃开锻，终锻温度880℃，锻成φ60mm的棒材，锻件锻造后在980℃保温1h后石棉包覆缓冷，锻件在1180℃固溶处理1h后油冷，之后在液氮+酒精混合溶液(-110℃)中保温1.5h，然后在550℃保温2h，连续两次。最终拉伸性能与硬度见表7。
表7.实施例四的拉伸性能、硬度、晶粒尺寸、断裂韧性和冲击韧性。
Claims (9)
1.一种马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，所述的马氏体沉淀硬化不锈钢为1Cr15Co14Mo5VN，所述钢的化学成分质量百分比为：Cr：12.8‒15.2，Co：11.0‒15.0，Mo：4.0‒5.5，V：0.2‒0.8，C：0.13‒0.19，N：0.02‒0.10，Ti：0.02‒0.10，Nb：0.02‒0.10，Ta：0.02‒0.10，Hf：0.02-0.10；Mn：≤0.20，P：≤0.02，S：≤0.01，Si：≤0.20，O≤0.005，Fe余量。
2.如权利要求1所述的马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，所述钢的化学成分质量百分比为：Cr：13.0‒15.0，Co：13‒14，Mo：4.0‒5.5，V：0.3~0.6，C：0.13‒0.19，Ti：0.02‒0.10，Nb：0.02‒0.10，Ta：0.02‒0.10，Hf：0.02-0.10；Mn：≤0.20，N：0.03~0.08，P：≤0.02，S：≤0.01，Si：≤0.20，O≤0.005，Fe余量。
3.如权利要求1所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、将原料放入真空感应炉内熔炼，在熔炼后期添加高熔点碳化物，通过电磁搅拌或物理搅拌使其均匀弥散分布；
步骤2、所得钢锭在1100℃~1200℃下开锻，终锻温度为850℃~950℃；锻件在850℃~900℃保温2h后炉冷至500℃出炉，石棉包覆或埋砂缓冷；
步骤3、锻件在1000℃~1150℃固溶处理1~2h后油冷；
步骤4、进行深冷处理；
步骤5、450℃~600℃时效处理两次，每次保温2~3h。
4.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的碳化物为TiC、NbC、TaC和HfC一种或多种组合。
5.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的碳化物添加量为原料总质量的0.02%‒0.10%，碳化物的粒径为0.5-5μm。
6.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的固溶处理温度为1050℃~1100℃，固溶处理时间为1h~1.5h。
7.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的油冷的冷却速率在2min内冷却至室温。
8.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤4中所述深冷处理为液氮+酒精混合溶液在-80℃~-140℃下进行深冷处理，使不锈钢在5min内冷却至‒80℃~‒130℃，保温0.5‒1h。
9.如权利要求3所述的马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤5中所述时效处理温度为500℃~550℃。
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|---|---|---|---|---|
| CN113604801A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-05 | 沈阳大陆激光先进制造技术创新有限公司 | 一种除鳞喷射阀密封面的表层材料强化方法 |
| CN113681005A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-23 | 宁波匠心快速成型技术有限公司 | 具有超高温强度的不锈钢3d打印材料、制备方法及应用 |
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| US5288347A (en) * | 1990-05-28 | 1994-02-22 | Hitachi Metals, Ltd. | Method of manufacturing high strength and high toughness stainless steel |
| CN106086631A (zh) * | 2016-08-23 | 2016-11-09 | 钢铁研究总院 | 高硬度高耐磨高氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法 |
| CN106119736A (zh) * | 2016-05-26 | 2016-11-16 | 中国科学院金属研究所 | 一种马氏体时效不锈钢 |
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2020
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