一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢及其制备方法，组成如下：按质量百分比计，Co＝2.0～5.0％，Ni＝6.0～9.0％，Cr＝11.0～17.0％，Ti＝0.5～1.8％，Mo＝3.0～7.0％，Mn＝0.08～1.0％，Si＝0.08～0.5％，C≤0.02％，P≤0.003％，S≤0.003％，余量为Fe。包括下述步骤：(1)合金元素配比(2)真空感应熔炼炉进行真空冶炼电极；(3)真空自耗重熔；(4)高温均火处理；(5)锻造或热轧开坯；(6)冷轧变形；(7)热处理。本发明专利技术的不锈钢的延伸率达10.8％，抗拉强度高达2713MPa；且点腐蚀电位Epit可达0.24V

【技术实现步骤摘要】
一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢及其制备方法，属于马氏体不锈钢领域。

技术介绍

[0002]马氏体沉淀强化不锈钢是20世纪60年代发展起来的新钢钟。既具有马氏体时效强化钢的强度又兼具不锈钢的耐腐蚀性能。由于其优秀的综合力学性能，常用在航空、航天、航海等关键高端装备等领域中。
[0003]马氏体沉淀强化不锈钢可实现超高强度的主要原因就是马氏体相变强化与时效的沉淀强化相叠加；其耐腐蚀性的主要原因为Cr与Mo的添加在表面形成了钝化膜，从而使其具有耐腐蚀性。表1为市面上现有的商用高强不锈钢成分及其性能。可以看出，目前的高强不锈钢存在以下几方面的问题：第一，当强度较高时其塑韧性较差；第二，当力学性能表现优异时，其耐腐蚀性能较差；很难将强度、塑韧性以及耐腐蚀性三者统一到一起而获得优异的综合性能。由此可见，如何在保证不锈钢耐蚀性能的前提下提高其强韧性，以满足工程应用对不锈钢综合性能提出的更高要求，是不锈钢领域的研究热点与难点，因此，研制具有自主知识产权的新型超高强度马氏体时效不锈钢迫在眉睫。
[0004]表1市面上现有的商用高强不锈钢成分及其性能
[0005][0006]Co的含量较高使高强度不锈钢的力学性能表现较为优秀。当Co的含量较低或其含量为0时，其综合力学性能表现较低。Co的添加在高强不锈钢当中是一把双刃剑，Co的添加能降低马氏体基体中Ti和Mo的溶解度，形成含Mo或者Ti的沉淀相，进而提升强度。同时，Co也能阻碍位错的回复，减小沉淀相尺寸并稳定马氏体基体，可产生一个较高的二次硬化，是较好的强度等力学性能的保障。因此，要获得优异的力学性能，不可避免地要加入大量的Co元素。然而，Co添加在马氏体不锈钢中会促进Cr的调幅分解，Co的含量越高，Cr的调幅分解程度越大，这就会降低基体的耐点腐蚀性能。因此，Co要适量的添加。本专利技术的创新之处通过专利技术的合金成分、专利技术的热机械处理工艺和专利技术的冷变形工艺控制高位错密度马氏体相变，提高了纳米相析出动力学以及逆转变奥氏体形核及长大动力学，从而实现了纳米相沉淀与马氏体基体协同控制强化和逆转变奥氏体韧化，实现力学性能的提高。同时，一方面通过纳米相强化代替碳强化，大大地降低碳含量，另一方通过成分优化提高合金的耐点腐蚀
当量。极低的碳含量和高的耐点腐蚀当量设计保证了本专利技术不锈钢的优异耐腐蚀性能。因此，与现有不锈钢相比，本专利技术不锈钢力学性能和耐腐蚀性能都有较高的提升。
[0007]公开号CN 102031459 A的专利技术专利申请公开了一种含W高强高韧二次硬化不锈钢，不锈钢的成分为(以质量百分数表示，％)C＝0.10～0.20％，Cr＝11.0～13.0％，Ni＝2.0～3.5％，Mo＝3.5～5.5％，Co＝12～15％，W＝0.8～3.0％，V＝0.1～0.6％，Nb＝0.01～0.06％，Si≤0.2％，Mn≤0.2％，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤30PPm，N≤30PPm，其余为Fe；其屈服强度为1300～1600MPa，抗拉强度为1920～2030Mpa，其塑性为10～13.5％。美国专利7160399专利技术了超高强度的耐腐蚀钢；所述名为Ferrium S53合金的名义组成为：14.0Co、10.0Cr、5.5Ni、2.0Mo、1.0W、0.30V、0.21C，其余的为Fe；Ferrium S53合金的室温极限拉伸强度约为1980MPa，且室温0.2％屈服应力约1560MPa。公开号CN 110358983 A的专利技术专利申请公开了一种沉淀硬化马氏体不锈钢及其制备方法，不锈钢具体化学成分为(以质量百分数表示，％)，C＝0.14～0.20％，Cr＝13.0～16.0％，Ni＝0.5～2.0％，Co＝12.0～15.0％，Mo＝4.5～5.5％，V＝0.4～0.6％，Si≤0.1％，Mn≤0.5％，P≤0.01％，S≤0.01％，N≤0.10％，余量为Fe；其抗拉强度1840～1870MPa，屈服强度780～820MPa，延伸率12.5～14％。上述三个技术方案虽然具有高强度不锈钢的性能，由于Co的添加量较高使得原料成本高；Co的含量升高可使Cr的条幅分解，进一步产生贫Cr区与富Cr区，降低其耐腐蚀性能；其碳含量也较高，高碳会严重恶化耐腐蚀性能，并且碳化物在基体中的存在尺寸、形态以及分布难以控制，当其尺寸较大并出现在晶界上时，会严重的恶化力学性能；公开号CN 110358983 A与Ferrium S53的生产工艺需要两次时效、两次深冷处理，工艺较为复杂。
[0008]公开号CN 107653421 A的专利技术专利申请公开了一种耐海水腐蚀的超高强度马氏体时效不锈钢，不锈钢具体化学成分为(以质量百分数表示，％)C≤0.03％，Cr＝13.0～14.0％，Ni＝5.5～7.0％，Co＝5.5～7.5％，Mo＝3.0～5.0％，Ti＝1.9～2.5％，Si≤0.1％，Mn≤0.1％，P≤0.01％，S≤0.01％，余量为Fe。其抗拉强度1926～2032MPa，屈服强度1538～1759MPa，延伸率7.5～13.0％，点蚀电位Epit≥0.15V。该专利技术的强化机制虽为沉淀强化机制，但其沉淀相的种类与本专利技术专利的种类不同，同本专利技术相比，该专利技术力学性能以及耐腐蚀的均没有本专利技术高，说明两个专利技术强韧化机制以及耐腐蚀性完全不同。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：针对现有的超高强不锈钢的制备工艺复杂、耐腐蚀性及其力学性能较低等问题，本专利技术提供了一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢，并提供一种该马氏体不锈钢的制备方法。
[0010]技术方案：本专利技术所述的一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢及其制备方法，该不锈钢的组成如下：按质量百分比计，Co＝2.0～5.0％，Ni＝6.0～9.0％，Cr＝11.0～17.0％，Ti＝0.5～1.8％，Mo＝3.0～7.0％，Mn＝0.08～1.0％，Si＝0.08～0.5％，C≤0.02％，P≤0.003％，S≤0.003％，余量为Fe。
[0011]该超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢的专利技术原理及成分设计依据如下：
[0012]专利技术原理：本专利技术的不锈钢不利用碳强化，控制碳在非常低的水平，可以同时提高不锈钢的韧性和耐腐蚀性能。但是超低碳带来的最大问题是强度低。本专利技术通过通过成分设计、创造性的热机械处理以及不同的冷轧变形量来控制马氏体基体中不同位错密度的纳
米板条结构，冰水淬火以及大的冷轧变形量会使得马氏体板条细小且位错密度增加，这些细小的马氏体板条会为沉淀相以及膜状亚稳态逆转变奥氏体提供形核位点，同时高位错密度为这些逆转变奥氏体增加了元素配分通道，通过这种方法生成的逆变奥氏体在受到载荷时更容易发生TRIP(Transformation Induced Plasticity)效应，能显著的提高塑性以及强度。本专利技术的沉淀相是通过调整Ni、Ti、Mo、Si的含量形成富Mo的R`相与Ni3(Ti、Mo)纳米相通过协同强化来实现强度的提升，两种纳米强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢，其特征在于，所述不锈钢的组成如下：按质量百分比计，Co＝2.0～5.0％，Ni＝6.0～9.0％，Cr＝11.0～17.0％，Ti＝0.5～1.8％，Mo＝3.0～7.0％，Mn＝0.08～1.0％，Si＝0.08～0.5％，C≤0.02％，P≤0.003％，S≤0.003％，余量为Fe；由以下方法制备而成：(1)合金元素配比；(2)真空感应熔炼炉进行真空冶炼电极；(3)真空自耗重熔；(4)高温均火处理；(5)锻造或热轧开坯；(6)冷轧变形；(7)热处理。2.一种权利要求1所述的超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)合金元素配比；(2)真空感应熔炼炉进行真空冶炼电极；(3)真空自耗重熔；(4)高温均火处理；(5)锻造或热轧开坯；(6)冷轧变形；(7)热处理。3.根据权利要求2所述的超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述合金元素配比，按照不锈钢中各元素的质量百分比，选取金属铬、金属镍、金属锰、金属钼、金属钴、金属钛、铁硅，其余为纯铁以及不可避免杂质。4.根据权利要求2所述的超高强高性能薄板马氏体时效不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述采用真空感应熔炼炉进行真空冶炼电极，全程采用高真空冶炼，真空度达到0.1Pa以下；纯铁、金属镍、金属钼、金属钴随炉加入，金属铬、金属钛从高位料仓加入，工业硅、金属锰从合金料仓加入，随炉加入料熔清后，加入高位料仓金属，完全融化后，进行脱氧合金化，最后加入合金料仓金属；熔炼期，精炼温度达到1550～1650℃，精炼时间不少于60分钟，搅拌时间不少于10分钟；炉前取样分析冶炼成分，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中武，李俊澎，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：