一种Cu复合强化高强韧二次硬化耐热钢及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金钢领域，特别涉及一种高强韧Cu复合强化的二次硬化耐热钢及制 备方法。该合金具有高强度、高韧性、耐热、抗腐蚀等优异性能，工艺性能良好，与现有技术 相比，具有更高抗拉强度和中温强度，室温强度大于2000MPa、500°C中温强度大于1300MPa， 同时具有良好的韧性、耐热性和抗蚀性，是一种综合性能优良的二次硬化耐热钢。 技术背景
[0002] 耐热钢是国民经济中重要的基础材料，广泛应用于动力系统、能源系统、电站系 统、核工业、压力容器等，耐热钢依据其使用温度和强化机理可以分为马氏体型耐热钢、铁 素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢等，使用温度范围在300-800 °C之间。随工业化的进步，对耐 热钢的需求逐步提升，主要表现于更高的强度和更高的使用温度。
[0003] 在马氏体型高强度耐热不锈钢由于其良好的强韧性配合、高强度、高韧性、耐热和 耐腐蚀等优良的综合性能，一直是航空和航天动力系统领域重要的结构材料，如航空发动 机叶片、传动齿轮、轴承、发动机机匣、连接螺栓、燃气轮机叶片、传动轴、燃气轮机机匣等关 键承力构件，广泛使用的马氏体耐热不锈钢有lCr 1 lNi2W2MoV、2Cr 12WMoVNbB等。随动力系 统的提升，目前的马氏体耐热不锈钢承载能力已经不足，更高强度级别的耐热钢纷纷涌现， 如美国的CSS-42L钢等等（见表1)。CSS-42L钢可以提供室温1800MPa强度、450°C时1 lOOMpa 的强度，同时具有超过120MPam1/2的良好韧性，代表了目前国际上马氏体耐热不锈钢的先进 水平，但技术进步希望可以提供室温强度2 2000MPa、500°C高温强度2 1300MPa的更高强度 更高温度的高强度耐热钢，降低发动机的消极重量，提升推重比，可以大大提升动力性能。
[0004] 表1具有代表性的马氏体耐热钢化学成分(wt%)
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[0006] 表2典型马氏体耐热钢力学性能
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【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种高强韧Cu复合强化的二次硬化耐热钢及制备方法，利 用中碳马氏体基体获得超高强度，利用M2C、MC合金碳化物二次硬化反应与富Cu相复合析出 提高中温强度，较高的Ni含量确保良好的韧性，而12%Cr含量保证了钢具有良好的耐热耐 蚀性。是一种具有超高强度、良好塑韧性和热强性的二次硬化超高强度耐热钢。
[0009] 根据上述目的，本发明整体的技术方案是：
[0010] 本发明从目前二次硬化超高强度钢的发展和使用现状，通过提高C含量满足超高 强度;利用Cu与Mo、W、V的复合析出提高钢的中温强度;精确控制C、Ni和Cr、Mo的配比以及热 处理工艺的设计，在不产生复杂碳化物的基础上，提高Cr、Mo含量，以保证钢的耐蚀性;而Ni 含量保证钢的良好韧性。加入V和Nb形成碳化物产生弥散强化，并细化晶粒，以提高二次硬 化超高强度不锈钢的强度和韧性。Co抑制延缓马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条的 高位错密度，从而为随后的沉淀相的析出提供更多的形核位置，促进二次硬化反应。
[0011]根据上述目的和整体技术方案，本发明的具体技术方案为：
[0012] 本发明钢的具体化学组成成分（重量百分数）S:C0.10-0.40%，Crl0.0-14.0%,Ni 2.0-10.0,Mo 1.0-5.0% ,ff〇-2.0% ,Cu〇-6.0% ,Co 10-16%,V 〇-〇.6%,Nb 〇-0.2%，51<0.2%，]?11<0.2%，5<0.01%，？<0.01%，其余为卩6。
[0013] 上述化学成分的设计依据如下：
[0014] C是本发明钢中的最重要的合金元素之一，钢的性能与组织在很大程度上决定于 碳在钢中的含量及其分布形式，在二次硬化型超高强度不锈钢中尤为显著。C是稳定奥氏体 的元素，并且作用的程度很大（约为Ni元素的30倍可以与Mo、W形成M 2C(M〇2C、W2C)型碳化 物，与V形成MC型合金碳化物，且C含量增加，碳化物数量增加，碳化物质点间距减少，增加二 次硬化峰值，获得高屈服强度，C含量小于0.10%时会使强度不足。随着C含量的增加，钢的 抗拉强度提高，但冲击韧性降低。过高的C含量降低Ms点，增加残余奥氏体和孪晶马氏体，而 孪晶马氏体损伤韧性；同时过高的C含量超过0.4%时还易于与Cr形成一系列复杂的碳化 物，使其组织不易控制，显著提高固溶温度，从而导致钢的性能不稳定。而且会导致钢中固 溶的Cr含量降低，从而降低钢的耐蚀性;本发明根据Cr的含量并综合考虑强度、韧性和耐蚀 性确定C含量控制在0.10-0.40 %之间。
[0015] Cr是本发明钢中最重要的合金元素之一，Cr在不锈钢中起决定作用，而引起钢的 耐蚀性突变的Cr含量约为12%，小于10%则降低钢的耐蚀性。目前Cr是使钢钝化并赋予良 好耐蚀性和不锈性且唯一有工业使用价值的元素。此外，Cr还可以提高合金的淬透性，产生 固溶强化;还可以取代此冗中的部分Mo元素形成(Mo、Cr)2C型合金碳化物，促进二次硬化反 应，形成细小弥散沉淀。发明钢中Cr含量高于15%时会严重降低钢的强度并增加铁素体存 在的可能，但仍必须含有足够数量的Cr以提高耐蚀性，因此控制其含量在10-14%。
[0016] Mo是本发明钢中主要的强化元素，Mo与C可以形成M〇2C碳化物，从而产生强烈的二 次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服 强度提高。Mo还有增加淬透性，产生固溶强化，提高钢的回火抗力以及抑制回火脆性的作 用，通常情况二次硬化不锈钢中Mo的含量不少于2%。此外，Mo还具有稳定钝态表面膜的效 果，从而提高了钢的耐点蚀性。从强韧性配比和耐蚀性考虑，Mo控制在1.0-5.0%。
[0017] W:是主要的强化元素，W2C碳化物的主要形成元素，强烈的产生二次硬化反应，是 形成二次硬化峰的原因。随着W含量的增加，二次硬化峰值硬度提高，屈服强度提高，同Mo相 比W可以显著降低合金碳化物的过时效敏感性，提高合金回火稳定性。为获得足够的二次硬 化效果，但不应过高的W含量使固溶温度过高造成组织粗大，本发明钢中的W含量不应高于 2.0%。根据强度特别是韧性的需要，本发明钢中W含量控制在0-2.0%。
[0018] Ni是本发明中主要的韧化元素，Ni是奥氏体稳定化元素可提高钢的韧性，同时Ni 提高钢的淬透性，产生固溶强化，保持高位错板条马氏体，提高马氏体基体的抗解理断裂能 力，降低塑-脆性转变温度，保证钢具有足够的韧性。Ni还可促进Fe 3C回溶，从而为M2C的形成 提供足够的碳含量。但Ni的加入要注意[Ni当量]与[Cr当量]的配合，否则会由于奥氏体含 量的过多损害强度，在本发明中超过10.0%将得不到完全马氏体组织，因此控制其含量在 2.0-10.0%。
[0019] Co是奥氏体稳定化元素，即提高韧性又促进二次硬化反应，由于添加 Co可以抑制 延缓马氏体位错亚结构回复，保持马氏体板条的高位错密度，从而为随后的沉淀相M2C的析 出提供更多的形核位置。而Co提高C原子在铁素体中的激活能，降低C原子在铁素体中的扩 散系数，增加 M2C碳化物的形核率，因而，可以促进形成细小弥散分布的M2C碳化物，并且减少 沉淀析出碳化物粒子间距;Co能降低Mo在马氏体中的固溶度和Cr在M 3C渗碳体中的固溶度， 从而促进M2C沉淀相的形成;促进奥氏体完全转变为马氏体，提高Ms点，减少马氏体转变为 逆转变奥氏体的倾向。此外，Ni、Co共同添加会相互加强促进Fe 3C回溶和M2C碳化物的形成以 及增强Co的促进硬化作用。通常二次硬化钢中Co的含量在8%以上，但由于Co的加入相当于 增加了 [Ni当量]，因此Co的含量不超过16%。本发明专利控制