一种复合马氏体钢及其制备方法与流程

本发明涉及高强度钢制备技术领域，尤其涉及一种复合马氏体钢及其制备方法。

背景技术：

马氏体钢是一种应用最广泛的钢种，其热处理工艺简单、方便实现在线热处理等优点，使其能够应用在不同工程领域，如耐磨钢板、汽车钢、轴承钢等领域。马氏体钢经过简单的淬火加回火处理后，获得高强度的马氏体组织，但是由于其微观组织内部位错密度较高，残余奥氏体含量较低，使得马氏体钢的整体塑性，尤其是均匀塑性较低。通常，采用引入一些铁素体获得铁素体+马氏体双相钢的方法，或者通过提高马氏体钢内的残余奥氏体含量来提高均匀塑性，但这些方法都会使马氏体钢的强度降低。

由此看来，现有的马氏体钢的强韧性有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合马氏体钢及其制备方法。利用所述制备方法制备得到的复合马氏体钢具有较高的强韧性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种复合马氏体钢的制备方法，包括以下步骤：

将马氏体钢和奥氏体钢复合，得到所述复合马氏体钢；

所述马氏体钢与所述奥氏体钢的质量比为(1～5):1。

优选的，当所述马氏体钢为马氏体钢板，所述奥氏体钢为奥氏体钢板时，所述复合的过程为：

将所述马氏体钢板与所述奥氏体钢板进行层叠设置，得到初始板材；

将所述初始板材依次进行热变形和回火处理，得到所述复合马氏体钢。

优选的，所述马氏体钢板的总厚度与所述奥氏体钢板的总厚度比为(1.5～3.5)：1。

优选的，进行所述热变形前，还包括将所述初始板材加热至1150～1250℃，并保温0.5～2h；

所述热变形后，初始板材的总变形量≥30％，终止的变形温度≥1050℃；

所述回火处理的温度为150～280℃，所述回火处理的时间为30～120min。

优选的，所述马氏体钢板，按照质量百分比计，包括以下组分：

c：0.05～0.40％、si：0.5～2.0％、mn：0.40～0.80％、cr：0.80～1.30％、ni：0～2.0％，mo：0～1.0％，al：0.05～2.0％，v：0～0.2％，余量为铁以及不可避免的杂质；

所述奥氏体钢板，按照质量百分比计，包括以下组分：

c：0.8～1.10％、si：0.30～1.60％、mn：9.5～18.0％，cr：0～2.0％，余量为铁以及不可避免的杂质。

优选的，当所述马氏体钢为马氏体钢粉末，所述奥氏体钢为奥氏体钢粉末时，所述复合的过程为：

将所述马氏体钢粉末与所述奥氏体钢粉末混合，得到混合粉末；

将所述混合粉末依次进行烧结、热处理和回火处理，得到所述复合马氏体钢。

优选的，所述烧结为热压烧结或放电等离子体烧结；

所述热压烧结的条件为：温度为1000～1350℃，压力为20～60mpa，时间为10～60min；

所述放电等离子体烧结的条件为：温度为1000～1150℃，压力为15～50mpa，时间为5～30min。

优选的，所述热处理的温度为800～1000℃，所述热处理的时间为5～30min；

所述回火处理的温度为150～280℃，所述回火处理的时间为30～120min。

优选的，所述马氏体钢粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：

c：0.20～0.40％、si：1.10～1.60％、mn：1.00～2.00％、cr：0.90～1.30％、mo：0.20～40％、al：0～0.60％，其余为fe和不可避免的杂质；

所述奥氏体钢粉末，按照质量百分比计，包括以下组分：

c：0.50～1.20％、mn：9.0～13.0％、al：0.80～1.50％，si：0～2.0％，余量为铁以及不可避免的杂质。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合马氏体钢。

本发明提供了一种复合马氏体钢的制备方法，包括以下步骤：将马氏体钢和奥氏体钢复合，得到所述复合马氏体钢；所述马氏体钢与所述奥氏体钢的质量比为(1～5):1。本发明利用奥氏体钢的高加工硬化能力，使其在变形过程中能够有效协助马氏体变形，提高材料整体的加工硬化能力，从而保证复合奥氏体钢的塑性和韧性。并且，奥氏体钢中的部分碳元素会在复合过程中扩散至马氏体钢中，使得复合马氏体钢的固溶碳含量提高，进而提高复合马氏体钢的强度，同时会在界面处形成一层高mn含量的过渡层，协助马氏体变形。使最终得到的复合马氏体钢具有更好的强度和韧性。

附图说明

图1为实施例1制备得到的复合马氏体钢的金相组织照片；

图2为实施例2制备得到的复合马氏体钢的金相组织照片。

具体实施方式

本发明提供了一种复合马氏体钢的制备方法，包括以下步骤：

将马氏体钢和奥氏体钢复合，得到所述复合马氏体钢；

所述马氏体钢与所述奥氏体钢的质量比为(1～5):1。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

在本发明中，所述马氏体钢与所述奥氏体钢的质量比优选为(1.3～3.8)：1，更优选为(1.5～3.0)：1。在本发明中，将所述马氏体钢与所述奥氏体钢的质量比控制在上述范围内，能够更进一步充分发挥奥氏体与马氏体之间的协同作用，使所述复合马氏体钢的强韧性在最大程度上得到提高。

在本发明中，当所述马氏体钢为马氏体钢板，所述奥氏体钢为奥氏体钢板时，所述复合的过程优选为：

将所述马氏体钢板与所述奥氏体钢板进行层叠设置，得到初始板材；

将所述初始板材依次进行热变形和回火处理，得到所述复合马氏体钢。

本发明将所述马氏体钢板与所述奥氏体钢板进行层叠设置，得到初始板材；在本发明中，所述马氏体钢板，按照质量百分比计，优选包括以下组分：c：0.05～0.40％、si：0.5～2.0％、mn：0.40～0.80％、cr：0.80～1.30％、ni：0～2.0％，mo：0～1.0％，al：0.05～2.0％，v：0～0.2％，余量为铁以及不可避免的杂质；更优选为包括以下组分：c：0.23％、si：1.55％、mn：0.60％、cr：1.15％、ni：0.23％，mo：0.2％，al：0.06％，v：0.03％，余量为铁以及不可避免的杂质。在本发明中，所述奥氏体钢板，按照质量百分比计，优选包括以下组分：c：0.8～1.10％、si：0.30～1.60％、mn：9.5～18.0％，cr：0～2.0％，余量为铁以及不可避免的杂质；更优选为包括以下组分：c：1.05％、si：0.35％、mn：12.50％，cr：0.1％，余量为铁以及不可避免的杂质。

在本发明中，所述马氏体钢板的总厚度与所述奥氏体钢板的总厚度比优选为(1.5～3.5)：1，更优选为2:1。在本发明中，所述马氏体钢板的单层厚度优选为毫米级(1～10mm)、厘米级(1～10cm)或分米级(1～10dm)，更优选为毫米级；所述奥氏体钢板的单层厚度优选为毫米级(1～10mm)、厘米级(1～10cm)或分米级(1～10dm)，更优选为毫米级。

在本发明中，进行所述层叠设置之前，优选对所述奥氏体钢板和所述马氏体钢板进行预处理；所述预处理优选为打磨和清洗；本发明对所述打磨和清洗没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的打磨和清洗过程即可。在本发明中，所述层叠设置优选为：由下到上，按照马氏体钢板/奥氏体钢板/马氏体钢板/奥氏体钢板……的层叠顺序进行设置，其中，所述层叠的最后一层优选以马氏体钢板结束。在本发明中，上述设置能够保证最终形成复合钢具有明显的马氏体特性。

所述层叠设置完成后，本发明还优选包括将层叠设置后的板材进行封装和抽真空，得到初始板材；本发明对所述封装和抽真空的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

得到初始板材后，本发明将所述初始板材依次进行热变形和回火处理，得到所述复合马氏体钢。在本发明中，进行所述热变形前，还优选包括将所述初始板材加热至1150～1250℃，并保温0.5～2h；所述加热的温度更优选为1180～1220℃，最优选为1180℃；所述保温的时间更优选为1.0～1.5h。在本发明中，所述热变形后，初始板材的总变形量优选≥30％，更优选为50％；终止的变形温度优选≥1050℃，更优选为1070℃。本发明对所述热变形的方式没有任何特殊的限定，能够达到上述热变形的条件即可。

所述热变形完成后，本发明优选冷却至室温后，进行回火处理。在本发明中，所述冷却的方式优选为喷雾冷却、水冷、油冷或盐浴淬火短时保温后冷却，更优选为水冷。

在本发明中，所述回火处理的温度优选为150～280℃，更优选为220～260℃，最优选为220℃；所述回火处理的时间优选为30～120min，更优选为50～100min，最优选为60～80min。所述回火处理完成后，本发明优选还包括冷却至室温；所述冷却优选为空冷。

在本发明中，当所述马氏体钢为马氏体钢粉末，所述奥氏体钢为奥氏体钢粉末时，所述复合的过程优选为：

将所述马氏体钢粉末与所述奥氏体钢粉末混合，得到混合粉末；

将所述混合粉末依次进行烧结、热处理和回火处理，得到所述复合马氏体钢。

本发明将所述马氏体钢粉末与所述奥氏体钢粉末混合，得到混合粉末；在本发明中，所述马氏体钢粉末，按照质量百分比计，优选包括以下组分：c：0.20～0.40％、si：1.10～1.60％、mn：1.00～2.00％、cr：0.90～1.30％、mo：0.20～40％、al：0～0.60％，余量为fe和不可避免的杂质；更优选包括以下组分：c：0.30％、si：1.44％、mn：1.58％、cr：1.13％、mo：0.40％、al：0.48％，余量为fe和不可避免的杂质。在本发明中，所述奥氏体钢粉末，按照质量百分比计，优选包括以下组分：c：0.50～1.20％、mn：9.0～13.0％、al：0.80～1.50％，si：0～2.0％，余量为铁以及不可避免的杂质；更优选包括以下组分：c：0.61％、si：0.01％、mn：11.7％、al：1.10％，si：0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质。

在本发明中，所述马氏体钢粉末的平均粒径优选为50～150μm，更优选为120μm；所述奥氏体钢粉末的平均粒径优选为20～80μm，更优选为60μm；所述马氏体钢粉末的平均粒径与所述奥氏体钢粉末的平均粒径比优选为(1.5～5)：1，更优选为2:1。

在本发明中，所述马氏体钢粉末与所述奥氏体钢粉末的质量比优选为(1～5):1，更优选为(2.0～4.0)：1，最优选为3:1。在本发明中，所述质量比可以更进一步的保证最终形成的复合奥氏体钢具有明显的马氏体基体特性。

在本发明中，所述的混合方式优选为球磨，本发明对所述球磨的条件没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的条件即可；所述混合优选在球磨机中进行。

得到混合粉末后，本发明将所述混合粉末依次进行烧结、热处理和回火处理，得到所述复合马氏体钢。在本发明中，所述烧结的方式优选为热压烧结或放电等离子烧结；当所述烧结的方式为热压烧结时，所述热压烧结的温度优选为1000～1350℃，更优选为1120℃；所述热压烧结的压力优选为20～60mpa，更优选为50mpa；所述热压烧结的时间优选为10～60min，更优选为30min。当所述烧结的方式为放电等离子烧结时，所述放电等离子烧结的温度优选为1000～1150℃，更优选为1050℃；所述放电等离子烧结的压力优选为15～50mpa，更优选为40mpa；所述放电等离子烧结的时间优选为5～30min，更优选为20min。

在本发明中，所述热处理的温度优选为800～1000℃，更优选为830～950℃；所述热处理的时间优选为5～30min，更优选为20min。

所述热处理完成后，本发明优选进行冷却，所述冷却的方式优选为喷雾冷却、水冷、油冷或盐浴淬火短时保温后冷却，更优选为水冷。

在本发明中，所述回火处理的温度优选为150～280℃，更优选为180～220℃；所述回火处理的时间优选为30～120min，更优选为40～80min。所述回火处理完成后，本发明优选对回火处理后的产物进行冷却，所述冷却优选为空冷。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合马氏体钢，所述复合马氏体钢组织中不仅存在17％～50％的稳定奥氏体，利用twip效应提高塑性和韧性，同时在奥氏体与马氏体界面位置，会存在一层具有较高残余奥氏体含量的过渡层，可利用trip效应提高塑性和韧性，剩余为马氏体组织。

下面结合实施例对本发明提供的复合马氏体钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

提供马氏体钢板(尺寸长8cm，宽4cm，厚度0.2cm，钢板数7)：包括以下组分：c：0.23％、si：1.55％、mn：0.60％、cr：1.15％、ni：0.23％，mo：0.2％，al：0.06％，v：0.03％，余量为铁以及不可避免的杂质；

提供奥氏体钢板(尺寸长8cm，宽4cm，厚度0.1cm，钢板数6)：包括以下组分：c：1.05％、si：0.35％、mn：12.50％，cr：0.1％，余量为铁以及不可避免的杂质；

按照“马氏体钢板/奥氏体钢板/马氏体钢板/奥氏体钢板……马氏体钢板”的层叠顺序将上述马氏体钢板和奥氏体钢板进行层叠设置后，进行封装和抽真空，得到初始板材；

将所述初始板材加热至1180℃保温60min后，进行两道次轧制(第一道次下压量为30％，第二道次下压量为20％，终轧温度为1070℃)后，水冷至室温后，进行回火处理(220℃，2h)，得到复合马氏体钢；

图1为所述复合马氏体钢的金相组织照片，由图1可知，复合界面良好，无未复合的缝隙；

将所述复合马氏体钢沿轧制方向取拉伸试样，对其进行力学性能测试，测试结果为：所述复合马氏体钢的抗拉强度为1750mpa，延伸率为22％，均匀延伸率10％，静态韧性为38.5gpa％。

采用相同轧制及热处理工艺，马氏体钢板的抗拉强度为1580mpa，延伸率17％，均匀延伸率仅有4％，静态韧性为26.8gpa％。

实施例2

提供马氏体钢粉末(平均粒径为120μm，质量为600g)：包括以下组分：c：0.30％、si：1.44％、mn：1.58％、cr：1.13％、mo：0.40％、al：0.48％，余量为铁以及不可避免的杂质；

提供奥氏体钢粉末(平均粒径为60μm，质量为200g)：包括以下组分：c：0.61％、si：0.01％、mn：11.7％、al：1.10％，si：0.3％，余量为铁以及不可避免的杂质；

将所述马氏体钢粉末和奥氏体钢粉末在球磨机中进行球磨混合，得到混合粉末；

将所述混合粉末依次进行放电等离子烧结(温度为1050℃，时间为20min，压力为40mpa)、热处理(温度为950℃，保温时间为20min)和回火(温度为180℃，保温时间为60min)，得到复合马氏体钢；

图2为所述复合马氏体钢的金相组织照片；

将所述复合马氏体钢沿轴向取拉伸试样，对其进行力学性能测试，测试结果为：所述复合马氏体钢的抗拉强度为1710mpa，延伸率为18％，均匀延伸率12％，静态韧性为30.7gpa％。

对纯马氏体钢粉末进行放电等离子烧结，然后采取相同的工艺进行轧制及热处理，马氏体钢粉末的抗拉强度为1650mpa，延伸率为14％，均匀延伸率为3％，静态韧性为23.1gpa％。

由以上实施例可知，本发明提供的制备方法制备得到的复合马氏体钢的具有较高的强度和韧性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。