CN113278876A - 沉淀硬化型马氏体不锈钢 - Google Patents

沉淀硬化型马氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，其包含：0＜C＜0.10质量％、0＜Si10及一种质量％、0＜Mn10及一种质量％、8.0质量％量00及一种沉淀质量％、8.0质量％量00及一种沉淀质量％、0.4质量％量40及一种沉淀质量％，余量为Fe和不可避免的杂质。

Description

沉淀硬化型马氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，更尤其涉及一种在室温下具有优异的强度和韧性、并且在低温下具有优异的韧性的沉淀硬化型马氏体不锈钢。
背景技术
沉淀硬化型不锈钢是指在Cr-Ni不锈钢中添加少量的Al、Cu、Mo、Ti等，并通过热处理使金属间化合物在基体相中析出的钢。根据基体相的组织，将沉淀硬化型不锈钢分为马氏体不锈钢、半奥氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。其中，诸如SUS 630、PH 13-8Mo或Custom465之类的沉淀硬化型马氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性、强度和韧性，因此被用于航空航天结构部件等中。
关于这种沉淀硬化型马氏体不锈钢，迄今为止已经提出了各种建议。
例如，专利文献1公开了一种其中分散并析出有金属间化合物的沉淀硬化型马氏体不锈钢，该马氏体不锈钢包含0.1质量％以下的C、11质量％以上13质量％以下的Cr、7.5质量％以上11质量％以下的Ni、0.9质量％以上1.7质量％以下的Al、0.85质量％以上1.35质量％以下的Mo、1.75质量％以上2.75质量％的W，余量为Fe和不可避免的杂质，其中Mo含量和W含量满足预定的关系。
该文献描述了这样的沉淀硬化型马氏体不锈钢在机械强度和韧性之间具有高水平的平衡性并且具有优异的耐腐蚀性。
专利文献2公开了一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，以质量为基准，其包含：C：0.1％以下、Cr：11％至13％、Ni：10.5％至11.5％、Al：0.25％以下、Ti：0.9％至1.5％、Mo+0.5W：0.5％至1.5％、Si：1.0％以下、Mn：1.0％以下，Mo/W(质量％比)：0.4至0.6，余量为铁和不可避免的杂质。
该文献描述了这样的沉淀硬化型马氏体不锈钢具有优异的结构稳定性、机械特性和耐腐蚀性。
专利文献3公开了一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，以质量为基准，其包含：0.1％以下的C、0.1％以下的N、9.0％以上14.0％以下的Cr、9.0％以上14.0的Ni、0.5％以上2.5％以下的Mo、0.5％以下的Si、1.0％以下的Mn、0.25％以上1.75％以下的Ti、0.25％以上1.75以下的Al，余量为Fe和不可避免的杂质。
该文献描述了这样的沉淀硬化型马氏体不锈钢具有优异的结构稳定性、强度、韧性和耐腐蚀性，并且不需要零下处理。
专利文献4公开了一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，以质量为基准，其包含：0.05％以下的C、0.05％以下的N、10.0％以上14.0％以下的Cr、8.5％以上11.5％以下的Ni、0.5％以上3.0％以下的Mo、1.5％以上2.0％以下的Ti、0.25％以上1.00％以下的Al、0.5％以下的Si、1.0％以下的Mn，余量为Fe和不可避免的杂质。
该文献描述了这种沉淀硬化型马氏体不锈钢具有优异的结构稳定性、强度、韧性和耐腐蚀性，并且不需要零下处理。
专利文献5公开了一种耐腐蚀马氏体时效合金，其不是沉淀硬化型马氏体不锈钢，但包含47.4重量％至82.4重量％的Fe、6重量％至9重量％的Ni、11重量％至15重量％的Cr、0.5重量％至6重量％的Mo+1/2W、各自含量为0至6重量％的Co和Cu中的一种或多种、各自含量为0至1重量％的Ti、Nb、Al、Si、Mn和V中的一种或多种、各自含量为0至0.1重量％的稀土金属或复合金属中的一种或多种、0至0.1重量％的C和N、以及0.1重量％至0.5重量％的Be。
该文献描述了这种耐腐蚀马氏体时效合金可以获得550HV以上的高硬度，同时在时效硬化后保持现有的耐腐蚀性。
此外，专利文献6公开了一种马氏体不锈钢，包含：C：0.15％以下(不包括0)、Si：6.0％以下(不包括0)、Mn：10.0％以下(不包括0)、Ni：8.0％以下(不包括0)、Cr：10.0％至17.0％、N：0.3％以下(不包括0)、Mo：4.0％以下(包括0)、Cu：4.0％以下(包括不添加Cu的情况)、Co：4.0％以下(包括0)、Ni当量值范围为8.0至17.5，余量为Fe和不可避免的杂质。
该文献描述了当对这种马氏体不锈钢进行适当的热处理时，疲劳特性得到改善。
沉淀硬化型马氏体不锈钢的特征在于使微细的析出物分散以获得高强度。例如，在PH 13-8Mo中，将Al用作强化元素，并使NiAl析出以获得高强度和高韧性(强韧性)。在Custom 465中，将Ti用作强化元素，并使Ni3Ti析出以获得强韧性。
然而，常规的沉淀硬化型马氏体不锈钢在低温下脆化，因此它们在低温下的使用受到限制。另外，在相关技术中还没有提出即使在低温下也能显示出高韧性的沉淀硬化型马氏体不锈钢。
专利文献1：JP-A-2015-093991
专利文献2：JP-A-2014-201792
专利文献3：JP-A-2013-147698
专利文献4：JP-A-2013-001949
专利文献5：JP-A-H09-143626
专利文献6：JP-A-H04-173926
发明内容
本发明的目的是提供一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在室温下具有优异的强度和韧性，并且在低温下具有优异的韧性。
为了解决上述问题，根据本发明的一种沉淀硬化型马氏体不锈钢包含：
0<C<0.10质量％，
0<Si≤0.20质量％，
0<Mn≤1.00质量％，
8.0质量％≤Ni≤15.0质量％，
8.0质量％≤Cr≤14.0质量％，
0.4质量％≤Nb≤2.50质量％，并且
余量为铁和不可避免的杂质。
在常规的沉淀硬化型马氏体不锈钢中，很少将Nb用作强化元素。这是因为，当添加Nb时，容易产生有害相。然而，当向沉淀硬化型马氏体不锈钢中添加适量的Nb作为强化元素并在适当的条件下进行热处理时，会在室温下表现出高强度和高韧性，甚至在低温下也表现出高韧性。
当添加适量的Nb并在适当条件下进行热处理时，Ni3Nb在基体相中析出。据认为，在低温下高韧性的表现与析出的Ni3Nb晶粒的形状以及Ni3Nb晶粒与基体相之间的相容性有关。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明的实施方案。
[1.沉淀硬化型马氏体不锈钢]
[1.1.主要构成元素]
根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢包含以下元素，余量为Fe和不可避免的杂质。添加元素的种类、其含量范围以及限制它们的原因如下。
(1)0<C<0.10质量％
C使M2X型氮化碳析出，有助于母材的强度提高。此外，C还有助于使原奥氏体晶粒直径微细化。为了获得这样的效果，C含量需要大于0质量％。C含量优选为0.0005质量％以上，并且更优选为0.0020质量％以上。
另一方面，当C含量过高时，由于大量的M2X型氮化碳析出，因此需要提高固溶温度。因此，固溶时奥氏体晶粒粗大化，从而引起特性发生改变。另外，在时效处理时，(Cr，Mo)碳化物过度析出，并且韧性和耐腐蚀性劣化。此外，马氏体相变开始温度(Ms点)降低以稳定奥氏体相。因此，C含量需要小于0.10质量％。C含量优选为0.05质量％以下，并且更优选为0.01质量％以下。
(2)0<Si≤0.20质量％：
Si充当脱氧剂。当Si含量过低时，溶解时的脱氧不充分，纯净度降低。因此，Si含量需要大于0质量％。Si含量优选为0.005质量％以上。
另一方面，当Si含量过高时，形成氧化物夹杂物，并且韧性降低。因此，Si含量需要为0.20质量％以下。Si含量优选为0.15质量％以下，并且更优选为0.10质量％以下。
(3)0<Mn≤1.00质量％：
Mn具有减少作为杂质混合的S的晶界偏析的效果。为了获得这样的效果，Mn含量需要大于0质量％。Mn含量优选为0.005质量％以上。
另一方面，当Mn含量过高时，硫化物增加，并且韧性降低。另外，Ms点降低并且奥氏体相稳定。因此，Mn含量需要为1.00质量％以下。Mn含量优选为0.50质量％以下，并且更优选为0.20质量％以下。
(4)8.0质量％≤Ni≤15.0质量％：
Ni是使NiAl或Ni3(Al，Ti)等金属间化合物相析出并且有助于提高母材的强度的重要元素。另外，Ni具有抑制δ铁素体相的形成的作用。此外，Ni降低了基体相的延性-脆性转变温度(DBTT)，并且有助于提高室温下的韧性。为了获得这样的效果，Ni含量需要为8.0质量％以上。Ni含量优选为9.0质量％以上，并且更优选为10.0质量％以上。
另一方面，当Ni含量过高时，Ms点降低。因此，残余奥氏体增加，并且强度降低。因此，Ni含量需要为15.0质量％以下。Ni含量优选为13.5质量％以下，并且更优选为13.0质量％以下。
(5)8.0质量％≤Cr≤14.0质量％：
Cr有助于调节Ms点，并且随着Cr含量的降低，Ms点增加。因此，随着Cr含量降低，固溶热处理后或零下处理后的残留奥氏体减少。由此，改善了微观组织的均匀性，并且改善了0.2％弹性极限应力。
另一方面，Cr是确保耐腐蚀性所必需的元素。当Cr含量较低时，比M2X型氮化碳更为粗大的M23C6型碳化物变得稳定，并且0.2％弹性极限应力降低。因此，Cr含量需要为8.0质量％以上。Cr含量优选为8.5质量％以上。
另一方面，随着Cr含量的增加，Ms点降低。因此，当Cr含量过高时，时效处理前的残余奥氏体量过高，并且0.2％弹性极限应力降低。此外，当Cr含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，Cr含量需要为14.0质量％以下。Cr含量优选为12.0质量％以下，并且更优选为10.0质量％以下。
(6)0.4质量％≤Nb≤2.50质量％：
Nb使宽度为2nm至20nm且长度为约数十nm的棒状Ni3Nb晶粒析出，并且有助于提高母材的强度。当将Al或Ti添加到钢中时，即当钢中包含金属间化合物如NiAl或Ni3(Al,Ti)时，Nb会形成其中NiAl或Ni3(Al,Ti)中的一部分Al或Ti被Nb取代的Ni(Al,Nb)、Ni3(Al,Ti,Nb)等，这有助于提母材的强度。此外，Nb形成氮化碳并有助于晶粒的微细化。
为了获得这样的效果，Nb含量需要为0.4质量％以上。Nb含量优选为0.50质量％以上，并且更优选为0.60质量％以上。
另一方面，当Nb含量过高时，析出强化相和夹杂物增加，并且韧性降低。此外，当Nb含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，Nb含量需要为2.50质量％以下。Nb含量优选为1.50质量％以下，并且更优选为1.00质量％以下。
(7)不可避免的杂质：
在本发明中，“不可避免的杂质”是指在不锈钢的制造过程中由原材料或耐火材料(refractory)引入的痕量成分。不可避免的杂质具体包括以下元素。
(a)P≤0.050质量％：
P使钢的韧性和延展性劣化。另外，P由于晶界偏析而使热加工性劣化。然而，在P含量为0.050质量％以下的情况下，几乎没有不良影响。
(b)S≤0.050质量％：
S使钢的韧性和延展性劣化。另外，S由于晶界偏析而使热加工性劣化。此外，S与Ti结合形成硫化物夹杂物。但是，在S含量为0.050质量％以下的情况下，几乎没有不良影响。
(c)N≤0.050质量％：
N形成氮化物并使韧性和延展性劣化。此外，N降低了Ms点并使奥氏体相稳定。然而，在N含量为0.050质量％以下的情况下，几乎没有不良影响。N含量优选为0.03质量％以下，并且更优选为0.01质量％以下。
(d)O≤0.010质量％：
O形成氧化物夹杂物并使韧性劣化。然而，在O含量为0.010质量％以下的情况下，几乎没有不良影响。
(e)Al<0.10质量％：
(f)Ti<0.10质量％：
如下文所述，Al和Ti是使金属间化合物析出并有助于母材的强度提高的元素，并且是可以作为不可避免的杂质而混合的元素。当将Al和Ti作为不可避免的杂质进行管理时，将Al和Ti分别限制为小于0.10质量％。另外，当将Al和Ti作为不可避免的杂质进行管理时，其下限无需特别限制，并且为0质量％。
(g)Cu<0.30质量％
当Cu为痕量时，具有在不显著损害韧性的情况下提高强度的效果，而当Cu含量过高时，在一些情况下韧性和热加工性可能会劣化。因此，将Cu含量的上限值限制为小于0.30质量％，优选小于0.10质量％。另外，在作为不可避免的杂质混合Cu的情况下，其下限无需特别限制，并且为0质量％。
(h)Mo<0.10质量％：
(i)W<0.10质量％：
(j)Co<0.10质量％：
(k)V<0.30质量％：
如下文所述，Mo、W、Co和V分别是有助于提高母材的强度的元素，并且是可以作为不可避免的杂质而混合的元素。当将Mo、W、Co和V作为不可避免的杂质进行管理时，将Mo、W、Co和V分别限制为小于上述各自的值。另外，当将Mo、W、Co和V作为不可避免的杂质进行管理时，其下限不需要特别地限制，并且为0质量％。
[1.2.次要构成元素]
除了上述元素之外，根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢还可包含一种或两种或更多种的以下元素。添加元素的种类、其含量范围以及限制它们的原因如下。
(8)0.10质量％≤Al≤2.50质量％：
Al与Ni形成金属间化合物(2nm至20nm的球形NiAl)，并且有助于提高母材的强度。另外，Al还用作脱氧元素。为了获得这样的效果，Al含量可以为0.10质量％以上。Al含量更优选为0.30质量％以上，并且进一步优选为0.50质量％以上，并且进一步优选为0.70质量％以上。
另一方面，当Al含量过高时，则析出强化相和夹杂物增加，并且韧性降低。此外，当Al含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，Al含量优选为2.50质量％以下。Al含量更优选为2.00质量％以下，并且进一步优选为1.50质量％以下。
(9)0.10质量％≤Ti≤1.50质量％：
与Al一样，Ti与Ni形成金属间化合物(宽度约2nm至20nm且长度约数十nm的棒状Ni3Ti)，并且有助于提高母材的强度。作为结果，提高了晶界强度，这有助于提高韧性。此外，Ti形成氮化碳，并且有助于晶粒的微细化。为了获得这样的效果，Ti含量优选为0.10质量％以上。
另一方面，当Ti含量过高时，析出强化相和夹杂物增加，并且韧性劣化。此外，当Ti含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，Ti含量优选为1.50质量％以下。Ti含量更优选为1.30质量％以下，并且进一步优选为1.10质量％以下。
可以添加Ti和Al中的任一者，或者可以添加Ti和Al这两者。然而，当Al含量为0.10质量％以上2.50质量％以下时，Ti含量优选小于0.10质量％。这是因为，在提高强度而不损害韧性的效果方面，Ni(Al，Nb)金属间化合物优于Ni(Ti，Nb)金属间化合物。
(10)0.10质量％≤Co≤10.0质量％：
Co具有促进微细析出相的析出的效果，其中微细析出相会影响强度。为了获得这样的效果，Co含量优选为0.10质量％以上。Co含量更优选为3.0质量％以上，并且进一步优选为6.0质量％以上。
另一方面，当Co含量过高时，成本增加。因此，Co含量优选为10.0质量％以下。Co含量更优选为9.0质量％以下，并且进一步优选为8.0质量％以下。
(11)0.10质量％≤Mo≤3.0质量％：
Mo使M2X型氮化碳析出并有助于母材的强度提高。Mo还有助于使原奥氏体晶粒直径微细化。此外，Mo有助于提高强度、韧性和耐腐蚀性。为了获得这样的效果，Mo含量优选为0.10质量％以上。Mo含量更优选为0.3质量％以上，并且进一步优选为0.5质量％以上。
另一方面，如果Mo含量过高，则由于析出大量的M2X型氮化碳，因此需要提高固溶温度。因此，固溶时奥氏体晶粒粗大化，从而引起特性改变。此外，当Mo含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，Mo含量优选为3.0质量％以下。Mo含量更优选为2.5质量％以下，并且进一步优选为2.0质量％以下。
(12)0.10质量％≤W≤3.0质量％：
W使M2X型氮化碳析出并有助于母材的强度提高。W还有助于使原奥氏体晶粒直径微细化。此外，W有助于提高强度、韧性和耐腐蚀性。为了获得这样的效果，W含量优选为0.10质量％以上。W含量更优选为0.3质量％以上，并且进一步优选为0.5质量％以上。
另一方面，当W含量过高时，由于大量的M2X型氮化碳析出，因此需要提高固溶温度。因此，固溶时奥氏体晶粒粗大化，从而引起特性改变。此外，当W含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，W含量优选为3.0质量％以下。W含量更优选为2.5质量％以下，并且进一步优选为2.0质量％以下。
(13)0.3质量％≤V≤2.0质量％：
当在钢中添加Al或Ti时，即当钢中包含金属间化合物如NiAl或Ni3(Al,Ti)时，V形成其中NiAl或Ni3(Al,Ti)中的一部分Al或Ti被V取代的Ni(Al,V)、Ni3(Al,Ti,V)等，从而有助于母材的强度提高。此外，V形成氮化碳并有助于晶粒的细化。
为了获得这样的效果，V含量优选为0.3质量％以上。
另一方面，当V含量过高时，析出强化相和夹杂物增加，并且韧性劣化。此外，当V含量过高时，容易形成δ铁素体相。因此，V含量优选为2.0质量％以下。V含量更优选为1.5质量％以下，并且进一步优选为1.0质量％以下。
(14)0.01质量％≤Ta≤1.0质量％：
当在钢中添加Al或Ti时，即当钢中包含金属间化合物如NiAl或Ni3(Al,Ti)时，Ta形成其中NiAl或Ni3(Al,Ti)中的一部分Al或Ti被Ta取代的Ni(Al,Ta)、Ni3(Al,Ti,Ta)等，从而有助于提高母材的强度。此外，Ta形成氮化碳并有助于晶粒的微细化。
为了获得这样的效果，Ta含量优选为0.01质量％以上。
另一方面，当Ta含量过高时，则析出强化相和夹杂物增加，并且韧性降低。此外，当Ta含量过高时，则容易形成δ铁素体相。因此，Ta含量优选为1.0质量％以下。
(15)0.0001质量％≤B≤0.0100质量％：
B提高了晶界强度，并且有助于韧性的提高。为了获得这样的效果，B含量优选为0.0001质量％以上。B含量更优选为0.0005质量％以上，并且进一步优选为0.0010质量％以上。
另一方面，当B含量过高时，则形成大量的BN，并且韧性劣化。因此，B含量优选为0.0100质量％以下。B含量更优选为0.0050质量％以下，并且进一步优选为0.0030质量％以下。
(16)0.0001质量％≤Ca≤0.0100质量％：
Ca具有使碳化物或氧化物微细化并使晶粒微细化的作用，这有助于提高韧性。为了获得这样的效果，Ca含量优选为0.0001质量％以上。
另一方面，当Ca含量过高时，热加工性劣化。因此，Ca含量优选为0.0100质量％以下。Ca含量更优选为0.0050质量％以下。
(17)0.0001质量％≤Mg≤0.0100质量％：
镁具有使碳化物或氧化物微细化并使晶粒微细化的作用，这有助于提高韧性。为了获得这样的效果，Mg含量优选为0.0001质量％以上。
另一方面，当Mg含量过高时，热加工性劣化。因此，Mg含量优选为0.0100质量％以下。Mg含量更优选为0.0050质量％以下。
(18)0.001质量％≤Zr≤0.050质量％：
Zr具有使碳化物或氧化物微细化并使晶粒微细化的作用，这有助于提高韧性。为了获得这样的效果，Zr含量优选为0.001质量％以上。
另一方面，当Zr含量过高时，热加工性劣化。因此，Zr含量优选为0.050质量％以下。Zr含量优选为0.030质量％以下。
(19)0.001质量％≤REM≤0.050质量％：
REM(稀土金属)具有使碳化物或氧化物微细化并使晶粒微细化的作用，这有助于提高韧性。为了获得这样的效果，REM含量优选为0.001质量％以上。
另一方面，当REM含量过高时，热加工性劣化。因此，REM含量优选为0.050质量％以下。REM含量更优选为0.030质量％以下。
[1.3.特性]
[1.3.1.0.2％弹性极限应力]
当优化成分并进行适当的热处理时，根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢表现出相对较高的0.2％弹性极限应力。
具体而言，当优化成分和热处理条件时，室温下0.2％弹性极限应力达到1,300MPa以上。当进一步优化成分和热处理条件时，室温下0.2％弹性极限应力达到1,400Mpa以上。
[1.3.2.吸收能量]
当优化成分并进行适当的热处理时，根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢表现出相对较高的吸收能量。
具体而言，当优化成分和热处理条件时，室温下的吸收能量达到30J以上。当进一步优化成分和热处理条件时，室温下的吸收能量达到50J以上。
此外，当优化成分和热处理条件时，在-40℃下的吸收能量达到10J以上。当进一步优化成分和热处理条件时，在-40℃下的吸收能量达到20J以上。
[2.沉淀硬化型马氏体不锈钢的制造方法]
根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢可以通过以下方法制造：
(a)将经混合从而具有预定组成的原料进行熔融铸造，以获得铸锭，
(b)对得到的铸锭进行均质化热处理，
(c)在均质化热处理后对材料进行热锻，
(d)对经热锻的材料进行固溶热处理，
(e)根据需要在固溶热处理之后对材料进行零下处理，以及
(f)在固溶热处理之后或零下处理之后对材料进行时效处理。
[2.1.熔融铸造步骤]
首先，将经混合以具有预定组成的原料进行熔融铸造，以获得铸锭。对于熔融铸造的方法和条件没有特别的限制，可以根据目的选择最佳的方法和条件。
[2.2.均质化热处理步骤]
接下来，对获得的铸锭进行均质化热处理。进行均质化热处理的目的是为了消除铸造时产生的偏析。对于均质化热处理的条件没有特别限制，只要能够获得这种效果即可。通常而言，通过将铸锭在1,150℃至1,240℃的温度加热并保持10小时以上来进行均质化热处理。
[2.3.热锻步骤]
接下来，对均质化热处理后的材料进行热锻。进行热锻的目的是为了破坏粗大的铸造组织而使组织微细化。对热锻的条件没有特别的限制，只要能够获得这种效果即可。通常而言，通过将材料在700℃至1,240℃的条件下加热1小时以上，在700℃至1,300℃的锻造温度条件下对材料进行锻造，然后对材料进行空冷，从而进行热锻。可以在进行均质化热处理之后连续进行热锻，而无需将材料冷却至室温。
[2.4.固溶热处理步骤]
接下来，对热锻后的材料进行固溶热处理。进行固溶热处理的目的是为了将材料转变成奥氏体单相，然后将材料转变成马氏体。对于固溶热处理的条件没有特别的限制，只要能够获得这种效果即可。通常而言，通过将材料在800℃至1,200℃的温度加热1小时至10小时并冷却该材料来进行固溶热处理。冷却方法的实例包括空气冷却、鼓风冷却、油冷却和水冷却。
[2.5.零下处理步骤]
固溶热处理后，根据需要对材料进行零下处理。进行零下处理的目的是为了将固溶热处理后残留的奥氏体转变为马氏体。对于零下处理的条件没有特别的限制，只要获得这种效果即可。通常而言，通过将材料在0℃以下的温度下保持1小时至10小时来进行零下处理。
[2.6.时效处理步骤]
接下来，对固溶热处理后或零下处理后的材料进行时效处理。进行时效处理的目的是在基体相中析出金属间化合物相如B2相或η相。对于时效处理的条件没有特别的限制，只要获得这种效果即可。通常而言，通过将材料在400℃至600℃加热1小时至24小时来进行时效处理。热处理后，通过空冷进行冷却。
[3.作用]
沉淀硬化型马氏体不锈钢在室温下具有优异的韧性，但同时也具有在低温下脆化的特性。因此，常规的沉淀硬化型马氏体不锈钢难以同时满足以下条件：室温下的0.2％弹性极限应力为1,300Mpa以上，室温下的吸收能量为30J以上，同时低温(-40℃)的吸收能量为10J以上。
因此，通常而言，通常将在低温下具有优异韧性的奥氏体不锈钢用作在低温环境下使用的部件。然而，与沉淀硬化型马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢在室温下的强度和韧性差，因此在设计上受到限制。
相反，在常规的沉淀硬化型马氏体不锈钢中，很少将Nb用作强化元素。这是因为，当添加Nb时，容易产生有害相。然而，当向沉淀硬化型马氏体不锈钢中添加适量的Nb作为强化元素并在适当的条件下进行热处理时，在室温下表现出高强度和高韧性，甚至在低温下也表现出高韧性。
当添加适量的Nb并在适当条件下进行热处理时，Ni3Nb在基体相中析出。据认为，在低温下表现出高韧性与析出的Ni3Nb晶粒的形状以及Ni3Nb晶粒与基体相之间的相容性有关。
此外，当除了添加Nb之外还复合添加Al和/或Ti时，室温下的强度和韧性以及低温下的韧性进一步提高。
当除了添加Nb之外还添加Co时，可以进一步提高室温下的强度和韧性。据认为，这是因为通过添加Co从而促进了强化相的析出。
因此，根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢可以同时满足以下条件：
(a)0.2％弹性极限应力(室温)≥1,300MPa，
(b)吸收能量(室温)≥30J，和
(c)吸收能量(-40℃)≥10J。
实施例
(实施例1至36和比较例1至10)
[1.样品的制造]
在真空感应炉中，将具有表1、2和3所示的各组成的50kg钢熔融并铸造成铸锭。随后，在1,200℃的条件下对铸锭进行均质化热处理24小时并进行空冷。然后，在起始温度为1,200℃、终止温度为900℃的条件下锻造出直径为24mm的圆棒，然后进行空冷。
接下来，对每个钢锭在1,000℃的条件下进行固溶热处理1小时，并进行水冷却。随后，在-76℃的条件下进行零下处理6小时。接下来，在530℃的条件下进行4小时的时效处理并进行空冷。
Figure BDA0002924016410000151
Figure BDA0002924016410000161
Figure BDA0002924016410000171
[2.试验方法]
[2.1.拉伸试验(0.2％弹性极限应力的测定)
根据ASTM A370中规定的金属拉伸试验方法进行拉伸试验，以测定0.2％弹性极限应力。将试验温度设定为室温。
[2.2.夏比冲击试验]
收集2mm-V型缺口实验片，以使长度方向与锻造时的延伸方向一致。使用该实验片以根据ASTM A370标准测定冲击特性(吸收能量)。将试验温度设定为室温或-40℃。
[3.结果]
结果示于表4和5。从结果可以看出以下内容。
关于表4和表5中的0.2％弹性极限应力(@RT)，“A”表示室温下0.2％弹性极限应力为1,400MPa以上，“B”表示0.2％弹性极限应力为1,300MPa以上且小于1,400MPa，“C”表示0.2％弹性极限应力小于1,300MPa。
另外，关于吸收能量(@RT)，“A”表示室温的吸收能量为60J以上，“B”表示室温的吸收能量为40J以上且小于60J，“C”表示室温的吸收能量小于40J。
关于吸收能量(@-40℃)，“A”表示-40℃的吸收能量为20J以上，“B”表示-40℃的吸收能量为10J以上且小于20J，“C”表示在-40℃的吸收能量小于10J。
(1)比较例1在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Si的含量过高所致。
(2)比较例2在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Ni的含量低所致。
(3)比较例3在室温下显示出低的0.2％弹性极限应力。认为这是由于Ni的含量过高所致。
(4)比较例4在室温下显示出低的0.2％弹性极限应力。认为这是由于Cr的含量低所致。
(5)比较例5在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Cr的含量过高所致。
(6)比较例6在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Mo的含量过高所致。
(7)比较例7在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Al的含量过高所致。
(8)比较例8在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Ti的含量过高所致。
(9)比较例9在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Nb的含量低所致。
(10)比较例10在室温和-40℃显示出低吸收能量。认为这是由于Nb的含量过高所致。
(11)实施例1至36在室温下均显示出高的0.2％的弹性极限应力，并且在室温及-40℃下显示出高的吸收能量。
[表4]
Figure BDA0002924016410000201
[表5]
Figure BDA0002924016410000211
尽管上面已经详细描述了本发明的实施方案，但是本发明不限于上述实施方案，并且可以在不脱离本发明的主旨的情况下进行各种修改。
本申请基于2020年2月4日提交的日本专利申请No.2020-16838和2020年10月22日提交的日本专利申请No.2020-177624，它们的内容通过引用并入本文。
工业实用性
根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢可用于(a)井下钻孔用钻具中的泥浆马达部件的转子和定子，其由流体的水力驱动旋转，(b)驱动轴，其传递转子和定子的旋转；(c)保持驱动轴的轴承的结构部件；(d)用于井下钻孔的钻具的随钻测量工具(MWD)的结构部件，其测量钻柱的深度、倾角和方位角，(e)随钻测井工具(LWD)的结构构件，其用于分析地质特征，以及(f)MWD或LWD的外壳部件。
另外，根据本发明的沉淀硬化型马氏体不锈钢可以用于汽轮机叶片、航空航天结构部件、高强度紧固件等。

Claims (12)

1.一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，由以下元素组成：
0<C<0.10质量％，
0<Si≤0.20质量％，
0<Mn≤1.00质量％，
8.0质量％≤Ni≤15.0质量％，
8.0质量％≤Cr≤14.0质量％，
0.4质量％≤Nb≤2.50质量％，以及
任选地：
Al≤2.50质量％，
Ti≤1.50质量％，
Co≤10.0质量％，
Mo≤3.0质量％，
W≤3.0质量％，
V≤2.0质量％，
Ta≤1.0质量％，
B≤0.0100质量％，
Ca≤0.0100质量％，
Mg≤0.0100质量％，
Zr≤0.050质量％，和
REM≤0.050质量％，并且
余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，包含：0.10质量％≤Al≤2.50质量％，和/或
0.10质量％≤Ti≤1.50质量％。
3.根据权利要求1所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，包含：0.10质量％≤Al≤2.50质量％，和
Ti＜0.10质量％。
4.根据权利要求1所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，包含：
0.10质量％≤Co≤10.0质量％。
5.根据权利要求1所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，包含以下元素中的至少一者：
0.10质量％≤Mo≤3.0质量％，
0.10质量％≤W≤3.0质量％，
0.3质量％≤V≤2.0质量％，
0.01质量％≤Ta≤1.0质量％，
0.0001质量％≤B≤0.0100质量％
0.0001质量％≤Ca≤0.0100质量％，
0.0001质量％≤Mg≤0.0100质量％，
0.001质量％≤Zr≤0.050质量％，和
0.001质量％≤REM≤0.050质量％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在室温下的0.2％弹性极限应力为1,300MPa以上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在室温的吸收能量为30J以上。
8.根据权利要求6所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在室温的吸收能量为30J以上。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在-40℃的吸收能量为10J以上。
10.根据权利要求6所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在-40℃的吸收能量为10J以上。
11.根据权利要求7所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在-40℃的吸收能量为10J以上。
12.根据权利要求8所述的沉淀硬化型马氏体不锈钢，其在-40℃的吸收能量为10J以上。
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