一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢及其制备方法
【专利摘要】一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，属于冶金【技术领域】，成分按重量百分比含C0.15~0.4%，N0~0.12%，Si0.2~2.5%，Mn0.4~3.0%，S≤0.02%，P≤0.02%，Cr13.0~17.0%，Ni0~5.0%，Mo0~2.0%，V0~0.3%，Nb0~0.2%，Ti0~0.05%，Al0~0.8%，余量为Fe及不可避免杂质；制备方法为：（1）按设定成分熔炼钢水，再通过连铸机或铸模凝固制成铸坯；（2）将铸坯热轧制成热轧板坯；（3）加热至950~1100℃保温0.5~2h，然后冷却至25~200℃，再加热至350~500℃保温10~60min，空冷至室温。本发明的方法制备的马氏体不锈钢在显微组织中引入弥散的残留奥氏体，大幅度提高了马氏体不锈钢的强韧性强塑性水平。
【专利说明】一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金【技术领域】，特别涉及一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]作为高载荷腐蚀环境下的首选钢种，马氏体不锈钢广泛应用于刀具、汽轮机叶片、轴承、阀门、结构件和耐磨件等。马氏体不锈钢通常经过淬火-回火获得(回火)马氏体+碳化物的显微组织；虽然其强韧性可以通过改变回火温度和时间来控制，但由于强度和塑性此消彼长，再加上组织均匀性和回火脆性等原因，导致马氏体不锈钢的塑性和韧性总是低于同强度级别的低合金钢；进一步提高强韧性配合，是马氏体不锈钢行业目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0003]针对现有马氏体不锈钢在技术上存在的上述问题，本发明提供一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢及其制备方法，向传统马氏体不锈钢中单独或复合添加N1、S1、Al等合金化元素，并选择性地添加Mo、N、Nb、V、Ti等微合金化元素，通过热处理工艺控制向马氏体组织中引入一定体积分数弥散而稳定的残留奥氏体，制备成高强韧性高强塑性马氏体不锈钢。
[0004]本发明的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的成分按重量百分比含C 0.15^0.4%,N0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr 13.0~17.0%, Ni 0~5.0%,Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al (T0.8%，余量为 Fe 及不可避免杂质。
[0005]上述的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的屈服强度为65(Tl250MPa，抗拉强度为130(Tl800MPa，延伸率16~25%，夏比V型缺口冲击功在20~105J。
[0006]上述的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的组织为马氏体和奥氏体，其中奥氏体的体积分数为20~40%。
[0007]本发明的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的制备方法按以下步骤进行:
1、按设定成分熔炼钢水，再通过连铸机或铸模凝固制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr13.0~17.0%，Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量为Fe及不可避免杂质；
2、将铸坯热轧制成热轧板坯；热轧时的开轧温度为1150±50°C，终轧温度为850±50°C，总压下量为70~90% ；
3、将热轧板坯加热至95(TllO(TC保温0.5~2h，然后空冷或油冷至25~20(TC，再加热至35(T500°C保温l(T60min，最后空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢。
[0008]上述的油冷是至采用工业淬火油进行冷却。
[0009]上述的熔炼钢水是在保护气氛条件下熔炼，保护气氛为氩气或氮气。[0010]上述方法中，当铸坯中C加N的重量总含量≥0.3%时，将铸坯热轧成板坯后进行退火处理，退火时加热温度为85(T900°C，保温l~2h，随炉冷却至40(T50(TC，再空冷至室温，然后进行步骤3。
[0011]传统马氏体不锈钢中，中低碳马氏体不锈钢的淬火组织中仅含有< 5%的残留奥氏体，只有中高碳马氏体不锈钢的淬火组织才含有> 10%的残留奥氏体，但是这些奥氏体的稳定性较差，当温度降低时便会转变为马氏体；本发明的方法制备的马氏体不锈钢在显微组织中引入弥散而稳定的残留奥氏体，大幅度提高了马氏体不锈钢的强韧性强塑性水平。
[0012]本发明的方法通过向传统马氏体不锈钢中单独或者复合添加N1、S1、Al等元素以调节马氏体转变开始(Ms)温度与马氏体转变终了(Mf)温度并提高奥氏体稳定性，并选择性地加入Mo、N、Nb、V、Ti等元素以提高强度和耐腐蚀性能；当C和N的重量含量〈0.3%时，控制热轧板坯加热后发生完全奥氏体化，当C和N的重量含量> 0.3%时，热加工后进行退火处理，并在最终热处理时控制热轧板还加热发生不完全奥氏体化；加热奥氏体化以后控制冷却中止温度介于Ms与Mf温度之间，获得马氏体加残余奥氏体两相为主的组织；在随后的再次升温及保温过程中抑制马氏体中的碳化物析出，促进马氏体中的碳(氮)向奥氏体中扩散富集，奥氏体中的碳(氮)含量增加促使其的稳定性增强，再次冷却过程中不发生马氏体转变；经过正火-回火(或称为淬火-配分)处理最后获得马 氏体加残留奥氏体的显微组织，赋予该钢优异的强韧性配合和良好的耐腐蚀性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例1中的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的光学显微组织图； 图2为本发明实施例1中的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的透射电镜显微组织图
(明场);
图3为本发明实施例1中的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的透射电镜显微组织图(暗场);
图4为本发明实施例2中的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的光学显微组织图；
图5为本发明实施例3中的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的光学显微组织图。
【具体实施方式】
[0014]本发明实施例中奥氏体的马氏体转变开始(Ms)温度的计算方法为:Ms (°C ) =539-430X [C]-30X [Mn]-12X [Cr]-15X [Ni]-7X [Mo]- 5.0X [Si];其中[C]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、[Mo]和[Si]分别为C、Mn、Cr、N1、Mo和Si在马氏体不锈钢中的重量含量；马氏体转变结束(Mf)温度的计算方法为:Mf (°C)=Ms-250 ;需要说明的是:在不完全奥氏体化状态，奥氏体的成分不同于钢的原始成分，其Ms温度不能用钢的原始成分计算，以实测为主。
[0015]本发明实施例中按国标GB/T 228-2002的方法测试屈服强度、抗拉强度和延伸率；采用的设备为SANS公司生产的CMT5105电子万能试验机。
[0016]本发明实施例中按国标GB/T 229-1994的方法测试夏比V型缺口冲击功。
[0017]实施例1
按设定成分在保护气氛下熔炼钢水，保护气氛为氮气；再通过铸模凝固制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.15%, Si 0.2%,Mn 0.4%, S 0.012%,P 0.016%, Cr 13.0%,Ni 5.0%,Mo 2.0%, Nb 0.2%, V 0.3%, N 0.12%,，余量为 Fe 及不可避免杂质；
将铸坯热轧制成15mm厚的热轧板坯，开轧温度为1150±50°C，终轧温度为850±50°C，总压下量为80% ；
将热轧板坯加热至950°C保温2h，然后空冷至150°C，，再加热至450°C保温lOmin，空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，屈服强度为873MPa，抗拉强度为1445MPa，延伸率22.0%，夏比V型缺口冲击功在70J，组织为马氏体和奥氏体，奥氏体的体积分数为27% ;光学显微组织如图1所示，透射电镜显微组织(明场)如图2所示，透射电镜显微组织(暗场)如图3所示，图3中发亮部分为奥氏体，黑暗部分为马氏体。
[0018]实施例2 按设定成分在保护气氛下熔炼钢水，保护气氛为氩气；再通过铸模凝固制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.28%, Si 2.5%,Mn 3.0%, S 0.008%,P 0.019%, Cr 13.0%,A1 0.8%,Mo 1.0%，Nb 0.2%，Ti 0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯热轧制成20mm厚的热轧板坯，开轧温度为1150±50°〇，终轧温度为850±501:，总压下量为80% ；
将热轧板坯加热至1050°C保温2h，然后空冷至25°C，再加热至500°C保温60min，空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，屈服强度为650MPa，抗拉强度为1695MPa，延伸率25.0%，夏比V型缺口冲击功在56J，组织为马氏体和奥氏体，奥氏体的体积分数为40%，光学显微组织如图4所示。
[0019]实施例3
按设定成分在保护气氛下熔炼钢水，保护气氛为氩气；再通过连铸机制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.4%, Si 0.6%, Mn 0.4%, S 0.015%, P 0.013%, Cr 17.0%, Mo 1.0%, V
0.3%，Ni 2.8%，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯热轧制成25mm厚的热轧板坯，开轧温度为1150±50°C，终轧温度为850±50°C，总压下量为70% ；
由于铸坯中C加N的重量总含量> 0.3%，热轧后进行退火处理，退火处理时加热至900°C保温2h，然后随炉冷却至500°C，再空冷至室温；
将退火处理后的热轧板坯加热至1050°C保温0.5h，然后采用工业淬火油冷却至IOO0C，再加热至350°C保温20min后空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，屈服强度为1250MPa，抗拉强度为1800MPa，延伸率16.6%，夏比V型缺口冲击功在20J，组织为马氏体和奥氏体，奥氏体的体积分数为26%,光学显微组织如图5所不。
[0020]实施例4
按设定成分在保护气氛下熔炼钢水，保护气氛为氩气；再通过连铸机制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.22%, Si 0.9%，Mn 2.3%, S 0.015%，P 0.02%, Cr 14.1%, Ni 0.8%, Mo
0.9%, Nb 0.14%, Ti 0.05%, Al 0.36%，余量为 Fe 及不可避免杂质；
将铸坯热轧制成15mm厚的热轧板坯，开轧温度为1150±501:，终轧温度为850±501:，总压下量为90% ；
将热轧板坯加热至1(KKTC保温1.5h，然后空冷至20(TC，再加热至50(TC保温20min
后空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，屈服强度为750MPa，抗拉强度为1300MPa，延伸率23.5%，夏比V型缺口冲击功在105J，组织为马氏体和奥氏体，奥氏体的体积分数为20%。
[0021]实施例5
按设定成分在保护气氛下熔炼钢水，保护气氛为氩气；再通过连铸机制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.34%, N 0.008%, Si 1.2%, Mn 1.5%, S 0.017%, P 0.02%, Cr 14.8%,Ni 1.8%，Nb 0.05%, Ti 0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
将铸坯热轧制成25mm厚热轧板坯，开轧温度为1150±50°C，终轧温度为850±50°C，总压下量为80%;
由于铸坯中C加N的重量总含量≥0.3%，热轧后进行退火处理，退火加热温度850°C，保温时间为lh，退火处理后随炉冷却至400°C，空冷至室温；
将退火处理并空冷至室温的热轧板坯加热至1100°C保温1.5h，然后空冷至25°C，再加热至450°C保温20min，最后空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，屈服强度为695MPa，抗拉强度为1695MPa，延伸率23%，夏比V型缺口冲击功在39J，组织为马氏体和奥氏体，奥氏体的体积分数为36%。
【权利要求】
1.一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，其特征在于成分按重量百分比含C0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%，S ≤ 0.02%，P ≤ 0.02%, Cr 13.0~17.0%,Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量为 Fe 及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，其特征在于高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的屈服强度为65(Tl250MPa，抗拉强度为130(Tl800MPa，延伸率16~25%，夏比V型缺口冲击功在20~105J。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧性高强塑性马氏体不锈钢，其特征在于高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的组织为马氏体和奥氏体，其中奥氏体的体积分数为2(T40%。
4.一种权利要求1所述的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于按以下步骤进行: (1)按设定成分熔炼钢水，再通过连铸机或铸模凝固制成铸坯；其成分按重量百分比含 C 0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr13.0~17.0%，Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量为Fe及不可避免杂质； (2)将铸坯热轧制成热轧板坯；热轧时的开轧温度为1150±50°C，终轧温度为850±50°C，总压下量为70~90% ； (3)将热轧板坯加热至95(TllO(TC保温0.5~2h，然后空冷或油冷至25~20(TC，再加热至35(T500°C保温l(T60min，最后空冷至室温，获得高强韧性高强塑性马氏体不锈钢。
5.根据权利要求4所述的高强韧性高强塑性马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于当铸坯中C加N的重量总含量> 0.3%时，步骤(2)中将铸坯热轧成板坯后，进行退火处理，退火时加热温度为85(T900°C，保温f 2h，随炉冷却至40(T50(TC，再空冷至室温，然后进行步骤(3)。
【文档编号】C22C38/28GK103614649SQ201310652072
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】王立军, 刘春明 申请人:东北大学