一种超高强度马氏体不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及不锈钢领域，具体为一种超高强度马氏体不锈钢及其制备方法。

背景技术：

随着海洋开发、石油化工以及航空、航天工业的迅速发展，增加了对高强高韧、具有较高耐蚀性及焊接等综合性能良好的高强度不锈钢的需求。不锈钢按金相组织分为五类，即奥氏体型不锈钢、双相不锈钢、铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢和沉淀硬化不锈钢。其中，马氏体沉淀硬化不锈钢是不锈钢中强度级别最高的一种，因此其成为研究开发的热点。马氏体沉淀硬化不锈钢是20世纪60年代中期发展起来的新钢类。它具有马氏体沉淀硬化钢的全部有点，又具有马氏体沉淀硬化不锈钢所不具备的耐蚀性。由于马氏体沉淀硬化不锈钢的优异的综合性能所以常用在汽轮机叶片、航空部件、反应度部件、各种容器、管道、石油化工设备等。

马氏体沉淀硬化不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度不锈钢，为了得到优异的综合性能在成分上通常需要超低碳(质量分数＜0.05％)来保证足够的焊接性和耐蚀性，如表2国内外典型马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能所示。另外为了保证足够的析出强化效应，通常需要添加较多合金元素(如Cu、Ni、Mo、Ti)以析出强化相(如富铜ε相，NiAl相、Ni₃Al相，Laves相)。而为了满足马氏体沉淀硬化不锈钢超低碳的成分要求就需要增加冶炼的工序和提高冶炼技术，这将大大增加冶炼成本。此外，如表1所示，马氏体沉淀硬化不锈钢中含大量的贵重金属(如Ni，Mo，Ti等)这就使得其合金成本较高。因此马氏体沉淀硬化不锈钢常因价格昂贵而得不到广泛的使用。因此，研发低成本、超高强度且综合性能良好的不锈钢有十分重大的经济效益和工业价值。

表1国内外典型马氏体沉淀硬化不锈钢的成分

表2国内外典型马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超高强度马氏体不锈钢及其制备方法，该马氏体不锈钢屈服强度高，抗拉强度大，延伸率号，冲击韧性达好，且具有优异的塑韧性及耐蚀性，但成本却远低于马氏体沉淀硬化不锈钢。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种超高强度马氏体不锈钢，所述超高强度马氏体不锈钢的成分按重量百分比计包括，C 0.10％～0.25％，Cr 11.0％～17.0％，Mn 0.5％～2.0％，Si 1.1％～3.0％，Ni 0.1％～4.0％，Cu 0.1％～0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为铁和不可避免的杂质元素。

优选的，所述超高强度马氏体不锈钢的主要金相组织为板条马氏体组织及分布在基体上的10-100nm尺度碳化物及少量残余奥氏体。

优选的，所述的C的重量百分比为0.10％～0.24％。

优选的，所述的Si的重量百分比为1.2％～2.5％。

优选的，所述的Cr的重量百分比为12.0％～16.0％。

优选的，所述的Ni的重量百分比为0.1％～3.8％。

一种超高强度马氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤，

步骤1，按重量百分比计，依照不锈钢成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成钢锭；钢锭的组成成分按重量百分比计为，C 0.10％～0.25％，Cr 11.0％～17.0％，Mn 0.5％～2.0％，Si 1.1％～3.0％，Ni 0.1％～4.0％，Cu 0.1％～0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为铁和不可避免的杂质元素；

步骤2，将钢锭在1050℃～1200℃下开锻，终锻温度为880℃～920℃，锻压比大于等于5，锻后空冷；

步骤3，将锻件在950℃～1050℃保温2～4h后水淬，然后再在200℃～300℃回火2h～4h，自然冷却后得到超高强度马氏体不锈钢。

优选的，步骤3中制备得到的超高强度马氏体不锈钢，屈服强度不小于1300MPa，抗拉强度不小于1600MPa，延伸率不低于16％，冲击韧性不小于60J/cm²。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种综合力学性能优异的不锈钢，通过高含量的碳和硅的配比，以及与其他元素的协同，使其抗拉强度可以达到1600Mpa，延伸率达16％，冲击韧性达到60J/cm²。这样的力学性能已经超过了很多种马氏体沉淀硬化不锈钢的水平，如17-4PH，15-5PH。虽然该马氏体不锈钢具有如此优异的综合性能，但是它却不需要超低碳的冶炼工艺和大量的贵重合金元素。只需要简单的热处理工艺，即常规的淬火和低温回火即可得到，使其具有性能高成本低的优势。本发明的超高强度马氏体不锈钢不仅具有优异的耐蚀性能，能够减少材料因腐蚀带来的破坏；而且焊接性能优异，能够满足在某些需要焊接的工件上的应用。从而能够广泛应用在汽轮机叶片、水压机阀、航空结构件、反应堆部件、石油化工设备等方面。

进一步的，通过对超高强度马氏体不锈钢中碳含量的限定，使其能够更好的发挥如下三部分作用：(1)使材料在淬火后得到马氏体组织，从而得到马氏体相变强化作用；(2)固溶在马氏体中，形成固溶强化作用；(3)在回火过程中形成一定量的碳化物，得到一定的析出强化作用。

进一步的，通过对超高强度马氏体不锈钢中Cr含量的限定，使其能够更好的满足不锈钢的耐蚀性的要求。

进一步的，通过对超高强度马氏体不锈钢中Si含量的限定，使其能够更好的抑制回火过程中马氏体基体中碳化物的析出和长大，从而防止贫Cr区的出现以降低耐蚀性，另外，还避免了粗大碳化物对材料塑韧性的损害。

进一步的，通过对超高强度马氏体不锈钢中的Ni含量的限定，使其能够更好的发挥如下有两方面作用：(1)是为了提高钢的淬透性；(2)一定程度提高钢的塑韧性。

附图说明

图1为本发明超高强度马氏体不锈钢在淬回火后的金相组织图。

图2为本发明超高强度马氏体不锈钢与AISI420和17-4PH计划曲线测试比较。

图3为本发明超高强度马氏体不锈钢的冲击断口形貌扫描图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

按重量百分比的化学成分为，C：0.11％，Cr：11％，Mn：0.6％，Si：1.2％，Ni：0.1％，Cu：0.1％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量为铁的原料在真空感应炉里熔炼。对熔炼后的铸件在1100℃保温2h后开始锻造，终锻温度为880℃。然后将所得的锻件加热到980℃保温4小时后快速出炉水淬，随后在220℃进行回火4小时即可。

所得材料主要金相组织为板条马氏体组织和纳米碳化物析出，具有优异的强度和塑韧性配合，耐蚀性和焊接性良好。屈服强度为1310MPa，抗拉强度为1610MPa，延伸率为16％，室温冲击韧性为61J/cm²。

实施例2

对按重量百分比的化学成分为，C：0.24％，Cr：12％，Mn：2.0％，Si：2.5％，Ni：3.8％，Cu：0.3％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量为铁的原料在真空感应炉里熔炼。对熔炼后的铸件在1150℃保温2h后开始锻造，终锻温度为890℃。然后将所得的锻件加热到1000℃保温4小时后快速出炉水淬，随后在250℃进行回火4小时即可。

所得材料主要金相组织为板条马氏体组织和纳米碳化物析出，具有优异的强度和塑韧性配合，耐蚀性和焊接性良好。屈服强度为1320MPa，抗拉强度为1620MPa，延伸率为16％，室温冲击韧性为65J/cm²。

实施例3

对按重量百分比的化学成分为，C：0.25％，Cr：16％，Mn：1.1％，Si：1.1％，Ni：1％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量为铁的原料在真空感应炉里熔炼。对熔炼后的铸件在1180℃保温2h后开始锻造，终锻温度为900℃。然后将所得的锻件加热到1050℃保温4小时后快速出炉水淬，随后在240℃进行回火4小时即可。

所得材料主要金相组织为板条马氏体组织和纳米碳化物析出，具有优异的强度和塑韧性配合，耐蚀性和焊接性良好。屈服强度为1330MPa，抗拉强度为1650MPa，延伸率为16％，室温冲击韧性为64J/cm²。

实施例4

对按重量百分比的化学成分为，C：0.15％，Cr：15％，Mn：1.5％，Si：1.8％，Ni：2％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量为铁的原料在真空感应炉里熔炼。对熔炼后的铸件在1200℃保温2h后开始锻造，终锻温度为910℃。然后将所得的锻件加热到1050℃保温4小时后快速出炉水淬，随后在300℃进行回火2小时即可。

所得材料主要金相组织为板条马氏体组织和纳米碳化物析出，具有优异的强度和塑韧性配合，耐蚀性和焊接性良好。屈服强度为1300MPa，抗拉强度为1670MPa，延伸率为16％，室温冲击韧性为68J/cm²。

实施例5

对按重量百分比的化学成分为，C：0.10％，Cr：17％，Mn：0.5％，Si：3.0％，Ni：4.0％，Cu：0.2％，P≤0.02％，S：≤0.02％，余量为铁的原料在真空感应炉里熔炼。对熔炼后的铸件在1060℃保温2h后开始锻造，终锻温度为920℃。然后将所得的锻件加热到950℃保温3小时后快速出炉水淬，随后在200℃进行回火4小时即可。

所得材料主要金相组织为板条马氏体组织和纳米碳化物析出，具有优异的强度和塑韧性配合，耐蚀性和焊接性良好。屈服强度为1310MPa，抗拉强度为1630MPa，延伸率为16％，室温冲击韧性为65J/cm²。

以上所述仅为本发明的优选实例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可以对其进行许多修改和调整，但都将落入本发明的保护范围。