一种高强高韧不锈钢及制造方法
【专利摘要】一种高强高韧不锈钢及制造方法，属于不锈钢制造领域。化学成分按重量百分比为：C：0.13～0.19%、Si≤0.6%、Mn：0.6～1.0%、P≤0.01%、S≤0.01%、Ni：3.0～4.0%、Cr：15.0～16.0%、Mo：1.4～1.9%、Cu：1.0～2.0%、W：0.7～1.2%、V：0.2～0.6%、N:0.05～0.12，余量为Fe和不可避免的杂质；其制造方法包括：真空熔炼、锻造、热轧，其特征在于终轧温度850～900℃；产品最后进行热处理，其特征在于：1070±10℃×40～60min油冷，-192℃×2～3h自然恢复至室温，460～480℃×2±0.5h空冷。优点在于,具有良好的强韧性匹配，适用于制造核反应堆驱动机构用滚轮。
【专利说明】一种高强高韧不锈钢及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于不锈钢的制造领域，特别提供了一种高强高韧不锈钢及制造方法，适用于制造核反应堆驱动机构用滚轮。
【背景技术】
[0002]核反应堆驱动机构用滚轮材料要求具有良好的耐蚀性能、抗冲击性能和耐磨性能，通常采用高强不锈钢制造。现有技术中，采用9Crl8高碳马氏体不锈钢和0Crl7Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢用作滚轮材料，9Crl8高碳马氏体不锈钢的硬度很高，耐蚀、耐磨性能较好，但抗冲击能力较差；0Crl7Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢主要依靠富铜相的强化，最高硬度可达到HRC=45，但此时对应的冲击值Aku2 ( 12J，虽然可通过热处理调整强度、韧性，有较好的强度，但硬度比较低，耐磨性较差，同时材料的韧性非常低，虽然依靠回火产生的逆变奥氏体可大幅度提高韧性，但硬度显著降低；腔体材料(YlCrl6Ni3Mo2CuN)主要依靠富铜相、Mo2C的析出强化以及P的固溶强化，强韧性匹配适当，具有较好的综合性能，但冲击韧性还需要提高。lCrl6Ni3MolCulN材料同YlCrl6Ni3Mo2CuN材料类似，也具有良好的强韧性匹配，但通过热处理很难将硬度提高到HRC48以上，目前核反应堆驱动机构用滚轮材料的力学性能要求:
[0003]室温:Rm≥ 1400MPa, Rptl.2 ≥ IlOOMPa, A ≥ 12%, Z ≥ 40%, Aku2 ≥ 72J, HRC ≥ 48，3500C:Rm ≥ 1000MPa, Rpa2 ≥ 800MPa。
[0004]现有技术钢种的强韧性匹配尤其硬度与韧性的匹配并不能完全达到指标的要求，因此还需要进一步提升材料的强韧性匹配和组织稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高强高韧不锈钢及制造方法，通过对lCrl6Ni3MolCulN沉淀硬化不锈钢材料添加合金元素得到一种高强高韧马氏体不锈钢，并通过控制其冶炼、锻造、轧制以及热处理工艺来实现提高强度和韧性的方法。
[0006]本发明的高强高韧马氏体不锈钢化学成分按重量百分比为:C:0.13~0.19%、Si ( 0.6%、Mn:0.6 ~1.0%、P ( 0.01%,S ( 0.01%,N1:3.0 ~4.0%、Cr:15.0 ~16.0%、Mo:
1.4 ~1.9%、Cu:1.0 ~2.0%、W:0.7 ~1.2%、V:0.2 ~0.6%、N:0.05 ~0.12，余量为 Fe 和不可避免的杂质
[0007]根据上述目的，本发明采用在lCrl6Ni3MolCulN沉淀硬化不锈钢的基础上，降低P的含量，调整Cu，Ni的含量，并添加W，V等合金元素，实现了通过合理的热处理制度显著提高室温强度和韧性的目的，并且同时具有良好的高温力学性能。
[0008]上述发明技术方案工艺原理如下:
[0009]P含量的降低可以提高钢的纯净度，改善韧性，降低回火脆性，但会降低材料的强度。
[0010]Ni是奥氏体相形成元素，扩大奥氏体稳定区，从而能够提高材料的韧性。但Ni含量过多，Ms点降低，冷却时会导致残余奥氏体的形成，使材料强度降低，因此马氏体时效不锈钢中Ni的含量一般控制在3~10%。
[0011]Cu含量的提高可以增加富铜相的含量，从而提高材料的强度，但铜含量过高，韧性会有明显下降。在lCrl6Ni3MolCulN不锈钢中Cu通过形成富Cu的纳米级析出物而使钢的高温持久强度提升，平衡考虑Cu的强化效果和对热加工性能以及韧性的影响，本发明控制Cu的含量在1.0~2.0之间。
[0012]W起固溶强化作用，同时还有促进MX型碳氮化物以纳米形式析出的作用，从而提高钢的强度；增加W含量，还可可增加残余奥氏体含量，提高韧性，但W含量过多会导致δ 一铁素休形成，降低强度和韧性，因此W的含量控制在0.7~1.2%。
[0013]V是强碳化物形成元素，可形成MX型纳米碳氮化物强化相，提高钢的强度。其含量低于0.1%时，不足以在钢中形成高密度MX型纳米强化相，同时含量过高易成粗大碳氮化物，降低韧性，因此V含量控制在0.2~0.6%。
[0014]根据上述目的和工艺原理本发明的技术方案为:在lCrl6Ni3MolCulN基础上添加
0.7~1.2%W、0.2~0.6%V、控制Cu含量在1.0~3.0%、Ni含量在3.0~4.0%、P含量小于0.01%。
[0015]本发明的制造工艺包括真空熔炼、锻造、热轧:采用真空感应+电渣重熔工艺冶炼制备钢锭，在工艺中控制的技术参数为:
[0016]钢锭开锻温度1050~1100°C，终锻温度850~900°C，锻后保温空冷，热轧加热温度1160±10°C，咬入温度900°C，最后成品孔型采用等温轧制，成品保温空冷，终轧温度850 ~900°C。
[0017]广品最后进行热处理:
[0018]淬火温度:1070±10°C，保温时间:40~60min，油冷；
[0019]冷处理温度:_192°C，保温时间:2~3h ;
[0020]时效温度:460~480°C，保温时间1.5~2.5h，空冷。
[0021]选择理由如下:
[0022]淬火温度和保温时间:1070°C固溶时，原始析出相溶解比较完全，时效析出强化效果较好，晶粒尺寸也变化不大，从而具有较高的强韧性；固溶温度偏低，成分与组织不能进行充分的均匀化，原始弥散析出的碳化物不能充分溶解，导致塑性、韧性较低；固溶温度偏高，晶粒显著长大，并且由于合金元素的溶解完全，奥氏体稳定性增加，可能导致残余奥氏体也随之增加，从而使强度、硬度下降。因此本发明优化的淬火工艺参数为1070±10°C X40 ~60min 油冷。
[0023]冷处理温度和保温时间:冷处理的目的在于减少残余奥氏体含量，获得较高的表面硬度和尺寸稳定性。随着冷处理温度的降低，强度、硬度均可增加；同一冷处理温度下，并且随着保温时间的延长，强度先升后降，因此本发明优化的冷处理工艺参数为-192°C X2 ~3h。
[0024]时效温度与保温时间:随时效温度的升高，强度、硬度先升后降，460~480°C下时效，可充分析出物细小弥散分布，从而具有最佳的组织和室温、高温力学性能；同一时效温度下，随着时间延长，屈服强度先升后降，保温2h具有最佳的室温、高温力学性能，因此本发明优化的时效工艺参数为460~480°C X2±0.5h空冷。[0025]本发明的有益效果:与现有技术相比，仅添加了少量合金元素W、V和调整合金元素Cu、Ni的含量，成本提高的很少，配合合理的热处理工艺，合金经过时效后的强度、韧性均可显著提高，能够加工出具有高纯净度、高强度、高硬度、良好冲击韧性和良好抗腐蚀性的滚轮材料棒材。
【具体实施方式】
[0026]本发明的新型高强高韧不锈钢将通过两个实施例进行更详细的描述。这些实施例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。
[0027]实施例1:
[0028]试验料选用在lCrl6Ni3MolCulN沉淀型不锈钢基础上，添加了 0.3~1.2%W、
0.2~0.6%V并调整合金元素Cu、Ni的含量，采用化学成分见表1。现有技术钢种的室温硬度与冲击韧性见表2，实施例1在不同热处理工艺下的室温硬度与冲击韧性见表3。现有技术钢种中仅lCrl6Ni3MolCulN具有足够的硬度和韧性匹配，但硬度没有富裕量，实施例1在保证韧性的同时硬度值有较大提升，具有更好的强韧性匹配。
[0029]表1本发明实施例1用化学成分
[0030]
【权利要求】
1.一种高强高韧不锈钢，其特征在于，化学成分按重量百分比为::C:0.13~0.19%、Si ( 0.6%、Mn:0.6 ~1.0%、P ( 0.01%,S ( 0.01%,N1:3.0 ~4.0%、Cr:15.0 ~16.0%、Mo:1.4 ~1.9%、Cu:1.0 ~2.0%、W:0.7 ~1.2%、V:0.2 ~0.6%、N:0.05 ~0.12，余量为 Fe 和不可避免的杂质。
2.—种权利要求1所述的高强高韧不锈钢的制造方法，包括真空冶炼、锻造、热轧、热处理，在工艺中控制的技术参数为: 钢锭开锻温度1050~1100°C，终锻温度850~90(TC，锻后保温空冷，热轧加热温度1160±10°C，咬入温度900°C，最后成品孔型采用等温轧制，成品保温空冷，终轧温度850~900 0C ； 热处理工艺， 淬火温度:1060~1080°C，保温时间:40~60min，油冷； 冷处理温度:_192°C，保温时间:2~3h ; 时效温度:460~480°C，保温时间1.5~2.5h，空冷。
【文档编号】C21D6/00GK103695796SQ201310682780
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】赵吉庆, 杨钢, 刘正东, 王立民, 包汉生, 何西扣, 李密 申请人:钢铁研究总院