本發(fā)明屬于合金鋼領(lǐng)域，具體提供一種超高強(qiáng)高韌馬氏體時(shí)效鋼及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：對于紡織鉤針、撞針等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的制備，高強(qiáng)度低合金鋼憑借材料成本的優(yōu)勢，始終成為企業(yè)的首選。與高強(qiáng)度低合金鋼相比，馬氏體時(shí)效鋼具有明顯的強(qiáng)韌性優(yōu)勢，但一直無法得到企業(yè)的認(rèn)可而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在馬氏體時(shí)效鋼的發(fā)展過程中，強(qiáng)韌性匹配與使用成本是影響馬氏體時(shí)效鋼應(yīng)用前景的兩個(gè)核心問題，一方面，在保證韌性的前提下實(shí)現(xiàn)馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度的提高，迎合產(chǎn)品的輕量化、節(jié)能減排以及安全環(huán)保等設(shè)計(jì)宗旨，是決定馬氏體時(shí)效鋼應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素；另一方面，與普通的高強(qiáng)度低合金鋼相比，馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)韌性優(yōu)勢明顯，但由于其高含量的合金元素，馬氏體時(shí)效鋼的材料成本同樣很高，如何充分利用馬氏體時(shí)效鋼的性能優(yōu)勢，降低結(jié)構(gòu)材料使用成本，是影響馬氏體時(shí)效鋼應(yīng)用前景的關(guān)鍵。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種超高強(qiáng)高韌的馬氏體時(shí)效鋼及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明的整體技術(shù)方案為：本發(fā)明在現(xiàn)有的高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼基礎(chǔ)上，適量提高合金元素的含 量并優(yōu)化合金元素配比，開發(fā)出抗拉強(qiáng)度達(dá)到3000MPa的新型超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼，同時(shí)通過優(yōu)化冶煉工藝，將鋼中雜質(zhì)元素含量降到較高級(jí)別，保證馬氏體時(shí)效鋼具有高強(qiáng)度的同時(shí)兼顧良好的韌性。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：超高強(qiáng)高韌馬氏體時(shí)效鋼的化學(xué)成分為(wt.％)：C：≤0.008％，Ni：18.0-20.0％，Co：15.0-18.0％，Mo：7.0-8.0％，Ti：1.5-2.5％，O≤0.01％，N≤0.01％，P≤0.01％，S≤0.01％，F(xiàn)e：余量。優(yōu)選為：C：≤0.005％，Ni：18.5-19.5％，Co：15.5-16.5％，Mo：7.0-7.5％，Ti：1.5-1.8％，O+N≤0.004％，P≤0.005％，S≤0.005％，F(xiàn)e：余量。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟：真空熔煉—真空自耗—均勻化處理—鍛造—熱處理，其中：真空熔煉：合金元素均以高純度純金屬的形式加入，將配料置于真空感應(yīng)爐中進(jìn)行真空熔煉、Ca處理和真空脫氣，嚴(yán)格控制鋼中雜質(zhì)元素含量，之后澆鑄成鑄錠。真空自耗：將真空熔煉并澆鑄成的鋼錠加工成自耗電極，之后將自耗電極置于真空自耗電弧爐中完成真空自耗結(jié)晶重熔工藝過程。均勻化處理：將自耗重熔以后澆鑄成的鋼錠置于熱處理爐中，將熱處理爐升溫至1000-1200℃，保溫15-25h。鍛造處理：均勻化處理后的鋼錠進(jìn)行鍛造加工，鍛造初始溫度為1000-1250℃，終鍛溫度為700-900℃。熱處理：固溶處理830-870℃保溫1-2h，空冷到室溫；深冷處理：液氮 中保溫5h以上；時(shí)效處理：480-520℃保溫1-6h，空冷。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼的制備工藝，其特征在于：所述超純金屬原材料中的雜質(zhì)元素總含量(Si+Mn+P+S+O+N)％<0.1wt％。真空感應(yīng)爐和真空自耗電弧爐的真空度均小于10-4Pa。所述鍛造過程中的鍛造比>10。本發(fā)明還提供了一種適用于所述馬氏體時(shí)效鋼的最優(yōu)化的熱處理工藝，其特征在于：850℃保溫1.5h，空冷到室溫，液氮中保溫6h，500℃保溫2h，空冷。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼可以用于制備紡織鉤針，包括以下步驟：真空熔煉—真空自耗—均勻化處理—鍛造—熱軋—冷軋—深冷處理—粗加工成型—時(shí)效處理—精加工成型。采用上述方法制得的紡織鉤針，不僅具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配，而且具有優(yōu)異的耐摩擦磨損性能，可以很好的滿足紡織工業(yè)的需求。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼還可以用于制備撞針，包括以下步驟：真空熔煉—真空自耗—均勻化處理—鍛造—熱軋—深冷處理—粗加工—時(shí)效處理—精加工成型。采用上述方法制得的撞針，具有優(yōu)異的抗疲勞性能和耐高溫軟化性能，可以很好的滿足撞針服役條件對材料的性能要求。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼具有高的強(qiáng)韌性匹配，其σb≥3000MPa，σ0.2≥2600MPa，δ≥9％，ψ≥30％，適用于對結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌性要求苛刻的環(huán)境。本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼已成功應(yīng)用于紡織鉤針的制備中，制得的紡織鉤針具有優(yōu)異的使用性能，與傳統(tǒng)材料制備的鉤針相比，具有更低的使用成本。采用本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效鋼制備的撞針其使用壽命是傳統(tǒng)材料 撞針的10倍，具有優(yōu)異的使用性能，具備廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1為實(shí)施例8制備得到的高性能鉤針示意圖。圖2為實(shí)施例9制備得到的高性能撞針示意圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：21.5％，Co：17.0％，Mo：7.5％，Ti：1.7％，O：0.01％，N：0.01％，P：0.01％，S：0.01％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后進(jìn)行真空自耗以及均勻化處理，并按下述工藝進(jìn)行熱加工和熱處理：(1)在奧氏體單相區(qū)鍛造，鍛造初始溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，鍛造比為12，鍛造之后空冷到室溫；(2)熱處理制度按如下步驟進(jìn)行，固溶處理(850℃保溫1.5h，空冷到室溫)，深冷處理(液氮中保溫6h)，時(shí)效處理(500℃保溫2h，空冷)。顯微組織觀察以及XRD分析表明，該合金成分的馬氏體時(shí)效鋼，經(jīng)過熱處理后的殘余奧氏體含量較多。對其熱處理態(tài)的材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度2755MPa，屈服強(qiáng)度為2532MPa，延伸率為9％，斷面收縮率為35％。該合金成分的馬氏體時(shí)效鋼中的Ni含量高于權(quán)利要求1中Ni含量的上限值(20.0％)，造成了鋼中殘余奧氏體含量過高，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度較低。實(shí)施例2按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：19.0％，Co：14.0％，Mo：7.5％，Ti：1.7％，O：0.01％，N：0.01％，P：0.01％，S：0.01％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后進(jìn)行真空自耗以及均勻化處理，并按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理。對其熱處理態(tài)的材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度2975MPa，屈服強(qiáng)度為2814MPa，延伸率為8％，斷面收縮率為33％。材料的斷裂韌性為K1C＝23MPa.m1/2。該合金成分的馬氏體時(shí)效鋼的Co含量低于權(quán)利要求1中的鈷含量的下限值15.0％，導(dǎo)致鋼中的析出強(qiáng)化作用減弱，最終導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。實(shí)施例3按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：19.0％，Co：17.0％，Mo：7.5％，Ti：1.4％，O：0.01％，N：0.01％，P：0.01％，S：0.01％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后進(jìn)行真空自耗以及均勻化處理，并按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理。對其熱處理態(tài)的材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度2915MPa，屈服強(qiáng)度為2794MPa，延伸率為9％，斷面收縮率為35％。材料的斷裂韌性為K1C＝20MPa.m1/2。該合金成分的馬氏體時(shí)效鋼的Ti含量低于權(quán)利要求1中的鈦含量的下限值1.5％，Ti是馬氏體時(shí)效鋼最主要的強(qiáng)化元素，其含量的降低會(huì)導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度降低。實(shí)施例4在實(shí)施例1-3的基礎(chǔ)上，調(diào)整了Cr當(dāng)量與Ni當(dāng)量的比值，重新優(yōu)化了合金成分。按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：19.0％，Co：16.0％，Mo：7.2％，Ti：1.7％，O+N：0.004％，P：0.005％，S：0.005％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后加工成自耗電極并進(jìn)行自耗重熔工藝以及均勻化處理，之后按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理，并測試了不同時(shí)效處理?xiàng)l件下的室溫拉伸性能，拉伸力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。表1實(shí)施例4拉伸力學(xué)性能測試結(jié)果時(shí)效工藝抗拉強(qiáng)度，MPa屈服強(qiáng)度，MPa延伸率，％面縮，％480℃2h293328559.535480℃4h297428969.435480℃6h299229109.432500℃1h299428329.636500℃2h301529119.234500℃4h295228969.037根據(jù)表1所示的力學(xué)性能結(jié)果，得出該合金的最優(yōu)化熱處理工藝為：850℃保溫1.5h，空冷到室溫，液氮處理6h，500℃保溫2h，空冷。經(jīng)過最優(yōu)化熱處理工藝得到的峰時(shí)效態(tài)樣品的斷裂韌性為K1C＝80MPa.m1/2。實(shí)施例5以實(shí)施例4的合金成分為基礎(chǔ)，但與實(shí)施例4不同的是，在真空感應(yīng)熔煉過程中的真空度高于權(quán)利要求5中要求的10-4Pa，且不進(jìn)行后續(xù)的自耗 重熔工藝，最終會(huì)導(dǎo)致鋼中的雜質(zhì)元素P、S、O、N的含量偏高。按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：19.0％，Co：16.0％，Mo：7.2％，Ti：1.7％，O：0.02％，N：0.02％，P：0.015％，S：0.015％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后直接進(jìn)行均勻化處理，并按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理。該合金成分的馬氏體時(shí)效鋼的雜質(zhì)元素含量超過了權(quán)利要求1中雜質(zhì)元素含量的上限值。在實(shí)施例4所述的最優(yōu)化熱處理工藝條件下，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度3020MPa，屈服強(qiáng)度為2920MPa，延伸率為9％，斷面收縮率為30％，材料的斷裂韌性為K1C＝8MPa.m1/2。其拉伸性能與實(shí)施例4的拉伸性能相當(dāng)，而斷裂韌性遠(yuǎn)低于實(shí)施例4的斷裂韌性，說明雜質(zhì)元素含量過高會(huì)大大惡化材料的韌性。實(shí)施例6按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：18.0％，Co：16.0％，Mo：7.0％，Ti：1.5％，O+N：0.004％，P：0.005％，S：0.005％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后加工成自耗電極并進(jìn)行自耗重熔工藝以及均勻化處理，之后按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理。對其熱處理態(tài)的材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度3010MPa，屈服強(qiáng)度為2895MPa，延伸率為9.5％，斷面收縮率為36％，斷裂韌性K1C＝85MPa.m1/2實(shí)施例7按下述名義成分(wt.％)：C：0.008％，Ni：20.0％，Co：17.0％，Mo：7.5％，Ti：2.5％，O+N：0.004％，P：0.005％，S：0.005％，F(xiàn)e：余量，配料和混料后在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉，澆鑄成鑄錠以后加工成自耗電極并進(jìn)行自耗重熔工藝以及均勻化處理，之后按實(shí)施例1所述的工藝進(jìn)行熱加工和熱處理。對其熱處理態(tài)的材料進(jìn)行力學(xué)性能檢測，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度3025MPa，屈服強(qiáng)度為2905MPa，延伸率為8％，斷面收縮率為34％，斷裂韌性K1C＝50MPa.m1/2實(shí)施例8按照實(shí)施例4設(shè)計(jì)的合金成分進(jìn)行配料，之后按如下步驟制備馬氏體時(shí)效鋼材料的高性能紡織鉤針。真空熔煉：合金元素均以高純度純金屬的形式加入，將配料置于真空感應(yīng)爐中進(jìn)行真空熔煉、Ca處理和真空脫氣，之后澆鑄成鑄錠，熔煉過程中的真空度≤10-4Pa。真空自耗：將真空熔煉并澆鑄成的鋼錠加工成自耗電極，之后將自耗電極置于真空自耗電弧爐中完成真空自耗結(jié)晶重熔工藝過程，真空自耗過程的真空度≤10-4Pa。均勻化處理：將自耗重熔以后澆鑄成的鋼錠置于400℃的熱處理爐中，將熱處理爐升溫至1200℃，保溫20h。鍛造處理：均勻化處理后的鋼錠經(jīng)鍛造加工成60mm厚的熱軋板坯， 鍛造初始溫度為1200℃，終鍛溫度為900℃。熱軋步驟：將鍛造后的熱軋板坯加熱到1150℃，首先在二輥軋機(jī)進(jìn)行粗軋，經(jīng)5道次軋制成7mm厚的中間坯；之后的精軋過程中，采用四輥軋機(jī)，將中間坯軋制成4mm厚鋼板，終軋溫度為800℃。冷軋步驟：將熱軋得到的4mm厚熱軋鋼板在冷軋機(jī)上進(jìn)行軋制，冷軋采用20輥冷軋機(jī)，經(jīng)7道次軋制，終軋至1mm厚的鋼帶。深冷處理：將冷軋鋼帶在液氮(-196℃)中保溫6h，然后將鋼帶從液氮中取出，恢復(fù)到室溫。粗加工成型：以深冷處理后的鋼帶為原材料，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尺寸，保證足夠的加工余量的前提下，將鋼帶粗加工成產(chǎn)品的坯料件。時(shí)效處理：將產(chǎn)品坯料件置于500℃的真空熱處理爐中保溫2h，取出恢復(fù)到室溫。精加工成型：時(shí)效處理后的坯料件，按照產(chǎn)品尺寸精加工即可得到高性能馬氏體時(shí)效鋼紡織鉤針。按上述工藝制備得到的馬氏體時(shí)效鋼紡織鉤針具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配，與傳統(tǒng)材料T8制備的紡織鉤針相比，服役壽命提高了5倍，其使用成本明顯低于T8，已經(jīng)成功替代傳統(tǒng)材料并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。實(shí)施例9按照實(shí)施例4設(shè)計(jì)的合金成分進(jìn)行配料，之后按如下步驟制備馬氏體時(shí)效鋼材料的高性能撞針。真空熔煉：合金元素均以高純度純金屬的形式加入，將配料置于真空 感應(yīng)爐中進(jìn)行真空熔煉、Ca處理和真空脫氣，之后澆鑄成鑄錠，熔煉過程中的真空度≤10-4Pa。真空自耗：將真空熔煉并澆鑄成的鋼錠加工成自耗電極，之后將自耗電極置于真空自耗電弧爐中完成真空自耗結(jié)晶重熔工藝過程，真空自耗過程的真空度≤10-4Pa。均勻化處理：將自耗重熔以后澆鑄成的鋼錠置于400℃的熱處理爐中，將熱處理爐升溫至1200℃，保溫20h。鍛造處理：均勻化處理后的鋼錠經(jīng)鍛造加工成60mm厚的熱軋板坯，鍛造初始溫度為1200℃，終鍛溫度為900℃，鍛比為11。熱軋步驟：將鍛造后的熱軋板坯加熱到1150℃，首先在二輥軋機(jī)進(jìn)行粗軋，經(jīng)3道次軋制成20mm厚的中間坯；之后的精軋過程中，采用四輥軋機(jī)，將中間坯軋制成17mm厚鋼板，終軋溫度為800℃。深冷處理：將熱軋鋼板在液氮(-196℃)中保溫6h，然后將熱軋鋼板從液氮中取出，恢復(fù)到室溫。粗加工成型：以深冷處理后的熱軋鋼板為原材料，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尺寸，保證足夠的加工余量的前提下，將熱軋鋼板粗加工成產(chǎn)品的坯料件。時(shí)效處理：將產(chǎn)品坯料件置于480-520℃的真空熱處理爐中保溫2h-4h，取出恢復(fù)到室溫。精加工成型：時(shí)效處理后的坯料件，按照產(chǎn)品尺寸精加工即可得到高性能馬氏體時(shí)效鋼撞針。按上述工藝制備得到的馬氏體時(shí)效鋼材料撞針，經(jīng)不同時(shí)效處理工藝后的性能差異較大，其實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。表2實(shí)施例5撞針的測試結(jié)果時(shí)效處理工藝測試結(jié)果480℃2h60萬次后失效，撞針彎曲480℃4h350萬次后失效，撞針頭部斷裂500℃2h460萬次后失效，撞針頭部斷裂500℃4h800萬次后失效，撞針頭部斷裂520℃2h600萬次后失效，撞針頭部斷裂520℃4h90萬次后失效，撞針彎曲從表2可以看出，在時(shí)效處理工藝為500℃保溫4h的條件下得到的撞針具有最優(yōu)異的使用性能，其使用壽命是傳統(tǒng)材料S7制備的撞針的10倍，具有很大的應(yīng)用前景。上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3