一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢及其制备方法，所述无钴马氏体时效钢具有马氏体和奥氏体的双相结构，所述无钴马氏体时效钢，按质量百分比计，其组成如下：Ni 16～20％，Mo 3～7％，Cr 1～3％，Ti 0.5～2％，Al 0～2％，V 0～1％，Si 0～1％，余量为Fe。其制备方法：包括如下步骤：按设计比例配取各原料，进行熔炼、浇铸成型获得合金块体，将合金块体进行均匀化处理，然后进行冷轧处理获得冷轧块体、再将冷轧块体依次进行固溶处理、时效处理即得双相结构马氏体时效钢。本发明专利技术的所提供的无钴马氏体时效钢，抗拉强度为1850～2100MPa，屈服强度为1730～2000MPa，延伸率为9～11％，是一种低成本、高强度和高韧性的马氏体时效钢。体时效钢。体时效钢。

【技术实现步骤摘要】
一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高强钢结构材料
，具体涉及一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]马氏体时效钢作为一种先进的高强度钢，其应用主要面向航空、原子能和高端工模具等
自20世纪60年代初美国INCO公司开发第一代Fe
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Ni马氏体时效钢以来，通过调整Co、Mo和Ti含量，先后开发出不同强度等级的马氏体时效钢，牌号分别为18Ni200、18Ni250，18Ni300和18Ni350，屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa和2400MPa。其中，18Ni200和18Ni250钢被首次应用于火箭发动机壳体。
[0003]然而，由于贵金属元素如Co的添加，导致马氏体时效钢的合金制备成本高昂，极大地限制了含Co马氏体时效钢的应用范围。为了解决以上问题，人们开发出性能优异的无Co马氏体时效钢。具体方法为：去除Co元素，同时提高Ni和Ti的含量，以促进半共格纳米相如Ni3Ti的析出。除此以外，研究人员还在无Co马氏体时效钢中加入微量的Al元素，促进Ni3Al和B2
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NiAl纳米相的析出，达到强化马氏体基体的目的。如牌号为T250的无Co马氏体时效钢，其合金成分为Fe
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19Ni
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3Mo
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1.5Ti
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0.3Cr
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0.1Al
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0.007C。该合金具有优异的力学性能，其极限抗拉强度为1800MPa,屈服强度为1600MPa,延伸率为～8％。
[0004]马氏体钢的应用环境比较极端，这对材料的力学性能提出更高的要求。为满足材料在特殊环境下的使用，以上所述的合金的力学性能还需要进一步优化。因此，人们开发出力学性能较高的中碳或高碳钢，如Fe
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0.19C
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1.01Mn
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1.46Si钢和Fe
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0.66C
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1.42Cr
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0.4Si
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0.42Mn
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0.07V钢等，以上碳钢的极限抗拉强度均高于2GPa。然而，苛刻的制备方法和繁琐的热处理工艺限制了其广泛应用；其次，添加高含量的碳会导致材料的焊接性降低，这将会对长期服役的结构件带来不利影响。
[0005]公开号CN 112322991 A的专利说明书公开了一种Fe
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C
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Si
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Mn
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V低合金中锰成分高强度钢，屈服强度为2GPa。但其化学成分中含有0.2％～0.4％质量百分比的C，这将会影响材料的焊接性能。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有优异力学性能的具有双相结构的无钴马氏体时效钢及其制备方法，本专利技术通过合理的成份设计，采用更加廉价的原料，获得力学性能优异的具有双相结构的无钴马氏体时效钢，本专利技术所提供的制备方法简单，适合于工业化生产。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢，所述无钴马氏体时效钢具有马氏体和奥氏体的双相结构，所述无钴马氏体时效钢，按质量百分比计，其组成如下：Ni 16～20％，Mo 3～7％，Cr 1～3％，Ti 0.5～2％，Al 0～2％，V 0～1％，Si 0～1％，余量为Fe。
[0009]本专利技术所提供的无钴马氏体时效钢，在拉伸变形过程中，马氏体承载较高的外加应力，奥氏体协同变形提高韧性；此外，应力诱导马氏体相转变，提高了材料的拉伸强度与延伸率。
[0010]本专利技术中，通过添加更高含量的Al和Mo，使得时效处理过程中Ni3(Al,Mo)、NiAl和富Mo相析出增加强度，添加微量V元素，以提高马氏体钢的固溶度、细化晶粒，同时形成弥散纳米析出以增加材料的强度。
[0011]此外，本专利技术中通过添加Cr和Si元素能够提高钢材的淬透性，并且在热处理过程中，Si(0％～1％)和Cr(1～3％)能够有效抑制碳化物的形成，从而保证最终组织中形成适量体积分数的稳定奥氏体，形成双相结构；本专利技术的合金成分中不含贵金属元素和影响焊接性能的Co和C元素，降低了合金的制备成本、提高了焊接性能。
[0012]然而，需要指出的是，本专利技术所涉及的双相结构无钴马氏体时效钢中Mo和Ti的添加量分别不高于5％和2％，因为在马氏体时效钢中添加较高含量的Mo和Ti将会导致析出相过饱和而消耗大量的Ni和Fe，降低了马氏体组织对强度和韧性的贡献。
[0013]优选的方案，所述无钴马氏体时效钢中，马氏体的体积分数为75～95％，奥氏体的体积分数为5～25％。
[0014]专利技术人发现，将无钴马氏体时效钢中奥氏体的体积分数控制在上述范围内，最终所得无钴马氏体时效钢的综合性能最优。
[0015]进一步的优选，所述无钴马氏体时效钢中，马氏体的体积分数为85～95％，奥氏体的体积分数为5～15％。
[0016]优选的方案，所述马氏体中含有高密度位错，所述位错密度范围为2～30
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‑2。
[0017]本专利技术所提供的无钴马氏体时效钢，奥氏体转变为马氏体的过程中，在板条马氏体中以及马氏体边界形成大量位错。虽然在时效过程中部分位错发生回复，但大量位错依然保留，因为时效是在低温条件下进行的，较高的位错密度能够增加拉伸强度，即位错强化。
[0018]优选的方案，所述无钴马氏体时效钢中，含有针状Ni3Ti纳米析出相、富Mo相、B2
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NiAl析出相，所述针状Ni3Ti纳米析出相，在空间呈非均匀分布，宽度为1～8nm，长度为5～25nm，所述富Mo相为球状，呈弥散分布，富Mo相的尺寸范围为14～16nm，所述B2
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NiAl析出相尺寸为1～10nm。
[0019]另外，在本专利技术中，通过成分调控和热处理工艺来控制析出相的尺寸与分布；本专利技术在时效过程中，板条马氏体基体和位错能够提供Ni3Ti的形核点。本专利技术通过添加较高的含量的Al和Mo，可以促进B2
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NiAl有序相和富Mo相形成，并获得更细小的析出相。
[0020]本专利技术通过控制Ni3Ti和B2
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NiAl纳米析出相在上述尺寸范围内，使其与位错之间发生切割交互作用机制，位错切割析出相后继续运动，缓解了局部应力集中，避免材料过早失效。此外，本专利技术涉及的Ni3Ti纳米析出相与马氏体基体之间呈半共格取向关系，B2
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NiAl相与马氏体基体之间完全共格，在空间呈均匀分布，起到强化基体和增韧的作用。
[0021]优选的方案，所述无钴马氏体时效钢，按质量百分比计，其组成如下：Ni 17～19％，Mo 3～6％，Cr 1～3％，Ti 0.5～2％，A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢，其特征在于：所述无钴马氏体时效钢具有马氏体和奥氏体的双相结构，所述无钴马氏体时效钢，按质量百分比计，其组成如下：Ni 16～20％，Mo 3～7％，Cr 1～3％，Ti 0.5～2％，Al 0～2％，V 0～1％，Si 0～1％，余量为Fe。2.根据权利要求1所述的一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢，其特征在于：所述无钴马氏体时效钢中，马氏体的体积分数为75～95％，奥氏体的体积分数为5～25％。3.根据权利要求1所述的一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢，其特征在于：所述马氏体中含有高密度的位错，所述位错密度范围为2～30
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‑2；所述无钴马氏体时效钢中，含有针状Ni3Ti纳米析出相、富Mo相、B2
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NiAl析出相，所述针状Ni3Ti纳米析出相，在空间呈非均匀分布，宽度为1～8nm，长度为5～25nm，所述富Mo相为球状，呈弥散分布，富Mo相的尺寸范围为14～16nm，所述B2
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NiAl析出相尺寸为1～10nm。4.根据权利要求1所述的一种具有双相结构的无钴马氏体时效钢，其特征在于：所述无钴马氏体时效钢，抗拉强度为1100～2200MPa，延伸率为5～30％，维氏硬度为400～650HV。5.权利要求1～4任意一项所述的一种具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘咏，李虎，刘彬，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：