专利名称：：一种超高强度、高韧性马氏体时效钢及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及钢铁材料，具体地说，本发明涉及工程材料用超髙强度钢，更具体地说，本发明涉及一种超髙强度、高韧性马氏体时效钢及其制造方法。
背景技术：
：工程材料中将(Jo.21400Mpa的钢种称为超高强度钢。超高强度钢主要有低合金超高强度钢、马氏体时效钢和二次硬化钢。目前，马氏体时效钢的研制、应用，得到;r更大的发展，由于其屈强比大于0.95，相同强度级别时S、v、Ak、K,t.比低合金结构钢髙，裂纹扩展能力强，髙温强度、缺口强度髙，弹性模量髙，耐应力腐蚀性能好，热处理工艺简单、无脱碳问题、热处理时尺寸稳定、变形小，固溶后硬度服C达到2835，它为低碳马氏体，几乎没有加工硬化现象，冷变形过程可不用软化处理，且具有优良的焊接性能，焊前不用预热，焊后不用退火，不需中间退火，可用于制造火箭发动机壳体、齿轮、飞机起落架、弹性体、模具、刀具等零件。常用马氏体时效钢采用的合金化体系为17~19%Ni—7~13%Co—4.5~5.5%Mo--0.3~1.5%Ti-"0.05~0.15%Al。超高强度马氏体时效钢中用途最多的是C250钢，该钢抗拉强度(Jb为17601920Mpa、延伸率S为710%、冲击功Ak为3040J，但该钢含79wt免的钴，成本较髙，仅适用于尖端
技术领域：
，限制了它的普及应用。同时由于其塑、韧性低，冷变形加工后形成的薄壁件塑性将进--步降低，如某薄壁筒体经80%冷变形量后延伸率只有5%以下，其应用因此而受到很大限制。因此，研制一种低成本的马氏体时效钢，其性能(强度、塑韧性)基本达到或超过C250钢的性能水平，用以代替高成本的含钴C250钢，是非常必要的。经检索发现，目前国内外有以下一些专利文献涉及马氏体时效钢CN85107993公开了一种马氏体时效钢，它不含钴，但钼含量较高，为6~7.3wt%，增加了原料成本，且该钢韧性较低。CN1〗82141公开了一种少镍无钴马氏体时效钢，该钢尽管减少了镍的含量，但其强度有所下降，抗拉强度1500MPa左右，屈服强度1480左右，其力学性能未达到C250钢的水平。CN1036044提供了--种高韧性马氏体时效钢，它含钴ll-13wt免，含钼3.9~4.9wt%，利用Co可以无限固溶于基体中，降低Mo在基体中的溶解度，促进Mo形成金属间化合物，提髙钢的强度，该钢的强度达到2000MPa，另外Co固溶于基体后，使基体中的位错增加，为析出相析出提供尽可能均匀分布的形核位置，使析出相更为细小均匀，因而提髙了钢的塑韧性，但其成本较髙。CN101100728A涉及一种节镍型无钴马氏体时效超高强度钢，它含铬3.75~5.25wt%，镍11.5~14.5wt%，钼2.25-3.75wt%，钛1.2-l:6wt^，它是镍铬钼钛合金化体系，屈服强度和塑韧性较低。考虑到马氏体时效钢不仅应具有高强度、高塑韧性等特点，而且因成本低廉等因素，本发明者进行了化学成分配比及冶炼工艺的研究，设计出了一种不含钴的超高强度、高韧性马氏体时效钢，从而完成了本发明。本发明的一个目的在于提供一种超高强度、高韧性马氏体时效钢。本发明的另一个目的在于提供这种马氏体时效钢的制造方法。
发明内容本发明的第一个方面提供一种超高强度、高韧性马氏体时效钢，该马氏体时效钢的化学成分包含C《0.03wt%、Mn《0.10wt%、Si《0.10wt%、S《0.005wt%、P《0.010wt%、Ni:17.50~20.50wt%、Mo:2.00~4.00wt%、Ti:1.00~1.75wt%、Al:0.05~0.15wt%、B:0.0005~0.002wt%、Zr+Ca:0.0050.10wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。下面，对所述马氏体时效钢的一些化学成分的作用作详细叙述。Ni可与强化元素结合形成强化相，但Ni含量过多，Ms点降低，冷却时会形成残余奥氏体，时效时强度降低.Mo在马氏体时效钢中对强韧性也是有利的元素，在强化的同时可保持钢的韧性，Mo还可阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，避免沿晶断裂，提高断裂韧性。无钴马氏体时效钢失去Co、Mo的交互作用，含Mo金属间化合物的析出量减少，强化效果减弱，如果增加Mo含量提高钢的强度，则钢在奥氏体化时富钼金属间化合物不易溶解，导致钢的塑韧性降低，因此Mo含量不宜过高。Ti是马氏体时效钢的强化元素，每增加0.1w恢的Ti，钢的强度将增加53Mpa，当Ti由1.lwt96增加到1.4wt%，强度由1670Mpa增加到1830Mpa，塑性由15%降到13邻，Klc由130Mpaji^降到108Mpam'"，因此Ti含量是决定钢强度和塑韧性的关键元素，本发明的Ti含量最好控制在1.00wt免1.75wt免之间。Al在马氏体时效钢中主要起脱氧剂的作用。4Mn、C、Si、S、P、O、N作为有害元素或形成夹杂物元素，如Ti(CN)TiO,等，会降低钢的塑韧性，因此必须对它们的含量加以限制。本发明的第二个方面提供一种超髙强度、高韧性马氏体时效钢的制造方法，该制造方法包括冶炼、锻造、固溶处理、时效处理，其中所述冶炼采用真空感应炉冶炼和真空自耗炉重熔。在一个优选实施方式中在所述真空感应炉冶炼过程中，包括以下步骤(1)将纯铁、金属料于坩埚内250kw预热；(2)当真空度《2/7Pa时开始熔化，熔化功率为400~800kw,熔化期控制真空度《6Pa;(3)全熔后以lOOOkw功率升温，10分钟后降至250kw保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580~1600"C。在一个优选实施方式中钢水经真空感应炉冶炼后带电浇注，浇注电极为(D290~520mm。在一个优选实施方式中所述真空自耗炉重熔的真空度为0.05~0.15Pa。在一个优选实施方式中所述真空自耗炉重熔的平均熔速》3kg/min。在一个优选实施方式中所述固溶处理温度820950'C，保温1小时，然后空冷。在一个优选实施方式中所述时效处理温度480510'C，保温3~8小时，然后空冷。本羊明的有益效果为1、本发明钢种在热加工后经固溶处理，使硬度为HRC32以下，可以进行机械加工。2、本发明的钢种经固溶加时效处理后，强度均在1760Mpa以上，塑性在996以上，断面收縮率大于45%，冲击韧性45焦耳以上。用该钢制造薄壁筒体，当冷变形量达到85%时，热处理后伸长率达到696以上，高于C250钢。3、本发明马氏体时效钢力学性能达到C250钢水平，可以代替C250钢，由于不含钴，成本低，可以广泛适用于高端产品如薄壁零件、高级模具、弹簧等。具体实施例方式以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的'描述，并不对本发明的范围有任何限制。5实施例11、冶炼真空感应炉冶炼+真空自耗炉重熔(1)按表1所示的化学成分在6吨真空感应炉冶炼浇注O290mm电极将纯铁、金属料NiMoCo等装入坩埚中，250kw预热坩埚中的材料，当真空度《2.7pa时，高功率熔化，熔化功率500~600kw,熔化期控制真空度《6Pa。全熔后给1000kw高功率升温，10分钟后降至250kw保温，开始进行高温精炼，温度控制在1580-1600'C进行碳氧反应一脱碳，取炉前样，调其成份Ni、Mo，加A1、Ti熔后搅拌10分钟，继续高温精炼，再降至250kw保温，取炉前样后继续高温精炼，调整A1、Ti，加B、Zr，髙功率搅拌8分钟后加Ca取样出钢，带电浇注O290mm电极。(2)电极在真空自耗炉重熔O360mm钢锭O290mm电极表面磨光、清理后，进行自耗重熔；自耗结晶器O360mm;真空度0.05~0.15Pa;平均熔速真空自耗炉重熔0)360mm钢锭的平均熔速为3kg/min。封顶电极重量240~260kg;充填电极重量剩余240260kg开始充填，充填功率降^t到正常熔化功率的75。％，保持30min，再次降低功率，降低率75%，每次降低熔化功率的时间保持12min。钢锭炉冷40分钟脱模，热送680士10'C，保温25h，空冷后车光。2、锻造钢锭在2000吨快锻机锻造O180mm钢锭加热钢锭入炉温度《6501C，以100'C/小时速度升温，温度升到800'C保持4小时，再以80匸/小时速度升温至1240士10iC保温3050小时，钢锭出炉锻造；坯料回炉加热温度1160—1180C保温lh;开锻温度1150'C，停锻温度920'C;锻后空冷固溶软化钢棒装入退火炉并加热，加热速度《100XV小时，当温度升到840土10'C保温5小时空冷。实施例2-6除了真空感应炉冶炼的熔化功率为500~550kw，带电浇注0)520mm电极，自耗结晶器0610mm,真空自耗炉重熔0>610mm钢锭的平均熔速为5kg/min外，其余操作同实施例l。实施例7-8除了真空感应炉冶炼的熔化功率为800kw，带电浇注(D520mm电极，自耗结晶器O610mm，真空自耗炉重熔0>610mm钢锭的平均熔速为5kg/min外，其余操作同实施例l。实施例9除了真空感应炉冶炼的熔化功率为500~550kw、带电浇注O520mm电极，fl耗结晶器O610mm，真空自耗炉重熔0>610mm钢锭的平均熔速为7kg/min夕卜，其余操作同实施例l。表l本发明实施例l-9钢的化学成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>试验例1将实施例1-9所得的0180mm钢锭进行力学性能测试，测试结果见表2。表2实施例1-9的0)180mm钢锭的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表4经820'CXlh空冷+不同温度下时效处理后实施例3的钢锭的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>从表4可以看出，当时效温度在480~520匸之间保温时，钢的强度达到最高，综合力学性能最好。权利要求1、一种超高强度、高韧性马氏体时效钢，其特征在于，所述马氏体时效钢的化学成分包含C≤0.03wt％、Mn≤0.10wt％、Si≤0.10wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Ni17.50～20.50wt％、Mo2.00～4.00wt％、Ti1.00～1.75wt％、Al0.05～0.15wt％、B0.0005～0.002wt％、Zr+Ca0.005～0.10wt％、，余量为Fe和不可避免的杂质。2、权利要求1所述的超高强度、高韧性马氏体时效钢的制造方法，包括冶炼、锻造、固溶处理、时效处理，其特征在于，所述冶炼采用真空感应炉冶炼和真空自耗炉重熔。3、根据权利要求2所述的超高强度、髙韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，在所述真空感应炉冶炼过程中，包括以下步骤(1)将纯铁、金属料于坩埚内250kw预热；(2)当真空度《2,7Pa时开始熔化，熔化功率为400~800kw,熔化期控制真空度《6Pa;(3)全熔后以1000kw功率升温，10分钟后降至250kw保温，开始高温精炼，精炼温度控制在1580~1600'C。4、根据权利要求2所述的超高强度、高韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，在所述真空感应炉冶炼后将钢水带电浇注，浇注电极为cf)290520mm。5、根据权利要求2所述的超高强度、髙韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，所述真空自耗炉重熔的真空度为0.050.15Pa。6、根据权利要求2所述的超高强度、高韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，在所述真空自耗炉重熔过程中，平均熔速》3kg/min。7、根据权利要求2所述的超高强度、高韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，所述固溶处理温度82095(TC，保温1~3小时，然后空冷。8、根据权利要求2所述的超髙强度、髙韧性马氏体时效钢的制造方法，其特征在于，所述时效处理温度480510'C，保温3~8小时，然后空冷。全文摘要本发明提供了一种超高强度、高韧性马氏体时效钢及其制造方法。该马氏体时效钢的化学成分包含C≤0.03wt％、Mn≤0.10wt％、Si≤0.10wt％、S≤0.005wt％、P≤0.010wt％、Ni17.50～20.50wt％、Mo2.00～4.00wt％、Ti1.00～1.75wt％、Al0.05～0.15wt％、B0.0005～0.002wt％、Zr+Ca0.005～0.10wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明钢种采用Ni-Mo-Ti-Al合金化，达到高强度、高韧性综合性能良好的要求，适用于高端产品如薄壁零件、高级模具、弹簧等。文档编号C22C38/14GK101649413SQ20081004172公开日2010年2月17日申请日期2008年8月15日优先权日2008年8月15日发明者刘忠国,张景海,赵肃武,郭军霞,杰陈,陈新建,雄顾申请人:宝山钢铁股份有限公司