析出强化型马氏体钢及其制造方法

析出强化型马氏体钢及其制造方法
【专利摘要】本发明提供兼备1500MPa级的拉伸强度和30J以上的高夏比吸收能量的析出强化型马氏体钢及其制造方法。析出强化型马氏体钢是由按质量％计C：0.05％以下、Si：0.2％以下、Mn：0.4％以下、Ni：7.5～11.0％、Cr：10.5～13.5％、Mo：1.75～2.5％、Al：0.9～2.0％、Ti：小于0.1％、余量为Fe和杂质形成的析出强化型马氏体钢，该析出强化型马氏体钢按体积分数计包含0.1～6.0％的奥氏体。
【专利说明】析出强化型马氏体钢及其制造方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及高强度且冲击特性优异的析出强化型马氏体钢及其制造方法。

【背景技术】
[0002] 以往，发电用涡轮部件、飞机机体部件利用了高强度的铁基合金。
[0003] 对于发电用涡轮部件，高Cr钢被用于各种部件。涡轮部件中、尤其是对于要求强 度的蒸气涡轮的低压最终段动叶片，作为兼备强度和耐氧化性、耐蚀性的合金，利用了按重 量计含有12%左右的Cr的12Cr钢。为了提高发电效率，叶片长度长是有利的，而对于12Cr 钢来说，由于强度的限制，叶片长度的极限为约1米。
[0004] 另外，已知有AISI4340、300M之类的低合金系高张力钢。这些合金是能够得到 1800MPa级的拉伸强度及10%左右的伸长率的低合金钢，但有助于耐蚀性和耐氧化性的Cr 量少至1 %左右，因而无法作为蒸气涡轮的动叶片使用。应用于飞机用途时，以防止空气中 的盐分等导致腐蚀为目的，多数情况也是施行镀敷等的表面处理之后利用。
[0005] 另一方面，作为兼顾强度及耐蚀性和耐氧化性的合金有高强度不锈钢。作为高强 度不锈钢的代表性的合金，已知有PH13-8MO等的析出强化型马氏体钢（专利文献1、专利文 献2)。该析出强化型马氏体钢由于在淬火后的马氏体组织中使微细的析出物分散析出，因 而与淬火-回火型的 12Cr钢相比可以得到高的强度。另外，通常含有1〇%以上的有助于耐 蚀性的Cr，耐蚀性和耐氧化性优于低合金钢。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:日本特开2005-194626号公报 [0009] 专利文献2:美国专利第3342590号公报


【发明内容】

[0010] 发明要解决的问是页
[0011] 关于上述的专利文献1、专利文献2的析出强化型马氏体钢，虽然使有助于强度的 析出物微细且大量地分散而得到了高强度的合金，但相反也看到韧性有降低的倾向。例如， 考虑蒸气涡轮动叶片的长大化、或者应用于飞机用途时，希望有1500MPa以上的拉伸强度， 却留下兼顾强度和韧性的问题。
[0012] 例如，专利文献1公开了由于成分的限定而具备拉伸强度和韧性的蒸气涡轮叶片 材料的发明，示出作为韧性的评价基准的夏比冲击试验的吸收能量为20J以上。然而，12Cr 钢、低合金系高张力钢的吸收能量为30J以上，因而强烈希望吸收能量与以往材料同等的 合金。
[0013] 本发明的目的在于提供兼备1500MPa级的拉伸强度和30J以上的高夏比吸收能量 的析出强化型马氏体钢及其制造方法。
[0014] 用于解决问题的方案
[0015] 本发明人等为了兼顾析出强化型马氏体钢的强度特性和韧性，对于各种合金进行 机械性质与组织的关系的深入研究。结果发现，通过将熔体化处理后的残留奥氏体相的量 控制在适当的范围，能够兼顾热处理后的拉伸强度和高夏比吸收能量。
[0016] 即本发明为一种析出强化型马氏体钢，其是由按质量％计(：：0.05%以下、Si: 0? 2% 以下、Mn:0? 4% 以下、Ni:7. 5 ?11. 0%、Cr:10. 5 ?13. 5%、Mo:1. 75 ?2. 5%、A1 : 0. 9?2. 0%、Ti:小于0. 1 %、余量为Fe和杂质形成的析出强化型马氏体钢，该析出强化型 马氏体钢按体积分数计包含〇. 1?6. 0%的奥氏体。
[0017] 优选的是前述奥氏体的体积分数为0. 3?6. 0%的析出强化型马氏体钢。
[0018] 另外，本发明为一种析出强化型马氏体钢的制造方法，其是由按质量％计(：： 0? 05% 以下、Si:0? 2% 以下、Mn:0? 4% 以下、Ni:7. 5 ?11. 0%、Cr:10. 5 ?13. 5%、Mo: 1.75?2.5%31:0.9?2.0%、11:小于0.1%、余量为？6和杂质形成的析出强化型马氏 体钢的制造方法，对按体积分数计包含0. 1?5. 0%的奥氏体的析出强化型马氏体钢进行 时效处理，从而使奥氏体的体积分数为0. 1?6. 0%。
[0019] 发明的效果
[0020] 本发明的析出强化型马氏体钢是高强度的并且韧性也优异，因而通过用于发电用 涡轮部件，可期待提高发电效率。另外，作为飞机部件使用时，能够有助于机体的轻量化。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1所示为拉伸强度与奥氏体量的关系图。
[0022] 图2所示为吸收能量与奥氏体量的关系图。
[0023] 图3所示为拉伸强度与吸收能量的关系图。

【具体实施方式】
[0024] 如上所述，本发明最大的特征在于为了兼顾拉伸强度和高夏比吸收能量而将热处 理后的奥氏体相的量控制在适当的范围。
[0025] 以下，从本发明最有特征性的奥氏体的体积分数的限定理由开始说明。
[0026] 奥氏体的体积分数：0. 1?6. 0%
[0027] 析出强化马氏体钢具有至少2阶段的热处理工序。第一热处理是熔体化处理 (ST)，第二热处理是时效处理（Ag)。熔体化处理后，根据合金成分、热处理条件存在一部分 奥氏体相未相变而残留的情况。其被称为残留奥氏体，认为其使强度降低而希望极力减少。 以高强度化为目的而大量含有添加元素的合金的马氏体相变温度低，容易产生残留奥氏 体，因而会应用通过暂时降低至室温以下的温度而使残留奥氏体减少的处理（深冷处理， subzerotreatment)〇
[0028] 然而，考虑韧性时，可知在熔体化处理后、时效处理前的阶段存在一定量的残留奥 氏体能够得到良好的韧性。该残留奥氏体量在前述熔体化处理后、时效处理前的阶段为 0. 1?5. 0体积％左右即可。
[0029] 另外，由于熔体化处理后进行的时效处理，除了生成残留奥氏体，有时还生成逆相 变奥氏体，因而奥氏体量稍有增加。因此，本发明中，考虑了时效处理中增加的奥氏体量，将 奥氏体的体积分数规定为〇. 1?6. 0%。
[0030] 本发明中，奥氏体量小于0. 1体积％时，拉伸强度、屈服应力大大提升，相反韧性 低、吸收能量难以达到30J以上。通过使0. 1体积％以上的奥氏体存在而可见韧性改善，通 过选择热处理条件而可得到大约30J的吸收能量。另一方面，奥氏体量超过6. 0体积％时， 看到吸收能量基本持平、而强度逐渐下降的倾向，因而奥氏体量的上限设为6. 0体积％。能 够均衡更好地兼顾强度和吸收能量的奥氏体量的范围是〇. 3?6. 0体积％。
[0031] 综上，析出硬化型不锈钢中使奥氏体积极地残留或生成这一技术思想并未见于例 如前述专利文献1所公开的发明等，是本发明特有的技术思想。
[0032] 另外，在上述时效处理后，均衡良好地兼顾良好的韧性和强度的奥氏体量优选为 0. 3?5. 0体积％的范围。奥氏体量的下限优选为0. 4体积％，更优选为1. 0体积％，进一 步优选为2.0体积％。
[0033] 另外，为了调整为前述的时效后的奥氏体量，优选使熔体化处理后、时效处理前的 阶段的残留奥氏体量的下限为〇. 3体积％，可以进一步优选为1. 0体积％。
[0034] 作为实现上述奥氏体量的具体的热处理条件的一例，熔体化处理在800?950°C 的温度范围下进行1?4h。熔体化处理温度的上限优选为930°C，更优选为910°C。另外， 熔体化处理温度的下限优选为840°C，更优选为870°C。时效处理可以在490?540°C的温 度范围下进行超过6h。时效处理的时间更优选为8?12h。时效处理的时间过短则逆相变 奥氏体的形成不充分，得不到充分的韧性。相反地，时效时间过长则强度明显降低。另外， 前述热处理的冷却可以选择空冷、油冷、水冷等并改变冷却速度。这些条件需要根据合金的 残留奥氏体形成倾向来选择。大量含Ni、Al等且能够大量形成残留奥氏体的合金成分的情 况下，可以通过进行深冷处理来调整残留奥氏体量。
[0035] 接着对本发明的析出强化型马氏体钢的合金元素、化学成分范围的选定理由进行 说明。化学成分均为质量％。
[0036] C:0.05% 以下
[0037] C是低合金钢等中使淬火硬度提高并影响机械特性的元素，相对地在本发明中是 作为杂质而需要限制的元素。C与Cr键合形成碳化物时，母相中的Cr量降低、耐蚀性劣化。 另外，也易与Ti键合形成碳化物，此情况下，本来是形成金属间化合物相而有助于析出强 化的Ti变成对强化贡献小的碳化物，因而使强度特性劣化。因此，C设为0.05%以下。C的 上限优选为0.04%以下，C尽量低是更优选的，但在实际作业中至少含有0.001%左右的C。
[0038] Si:0.2% 以下
[0039] Si作为脱氧元素可以在制造时添加。Si超过0. 2%时，使合金的强度降低的脆化 相变得容易析出，因而Si的上限设为0.2%。例如，添加代替Si的脱氧元素的情况下，Si 为0%也无妨。
[0040] Mn:0.4% 以下
[0041] Mn与Si同样有脱氧作用，可以在制造时添加。Mn超过0.4%时，使高温下的锻造 性变差，因而Mn的上限设为0. 4%。例如，添加代替Mn的脱氧元素的情况下，Mn为0%也 无妨。
[0042] Ni:7.5 ?11.0%
[0043] Ni与后述的Al、Ti键合形成有助于强化的金属间化合物，是提高合金强度不可或 缺的元素。另外，Ni固溶在母相中，有提高合金的韧性的作用。通过添加Ni来形成析出物并 且为了确保母相的韧性，至少需要7. 5%以上的Ni。另外，Ni有使奥氏体相稳定化、降低马 氏体相变温度的作用。因此，过量添加Ni时，马氏体相变变得不充分，残留奥氏体量增加使 合金的强度降低，所以Ni的上限设为11.0%。需要说明的是，为了更确实地得到Ni添加的 效果，优选将Ni的下限设为7. 75%，下限更优选为8. 0%。另外，Ni的上限优选为10. 5%、 上限更优选为9. 5%。
[0044] Cr:10. 5 ?13. 5%
[0045] Cr对于提高合金的耐蚀性、耐氧化性来说是不可或缺的元素。Cr小于10. 5%时， 合金得不到充分的耐蚀性、耐氧化性，因而下限设为10. 5%。另外，Cr与Ni同样有降低马 氏体相变温度的作用。过量添加Cr引起残留奥氏体量的增加、S铁素体相的析出，致使强 度低下，因而将上限设为13.5%。需要说明的是，为了更确实地得到Cr添加的效果，优选 将Cr的下限设为11.0%，下限更优选为11.8%。另外，Cr的上限优选为13. 25%，上限更 优选为13. 0%。
[0046]Mo: 1.75 ?2. 5%
[0047]Mo固溶在母相中有助于基体的固溶强化并且有助于提高耐蚀性而必须添加。Mo小于1. 75%时，相对于析出强化相，母相的强度不充分，合金的延性、韧性降低。另一方面， 过量添加Mo时，由于马氏体温度的降低，发生残留奥氏体量的增加、S铁素体相的析出，因 而强度降低，所以Mo的上限设为2. 5%。需要说明的是，为了更确实地得到Mo添加的效果， 优选将Mo的下限设为1. 9%，下限更优选为2. 0%。另外，Mo的上限优选为2. 4%，上限更 优选为2. 3%。
[0048] Al:0.9 ?2.0%
[0049] 本发明中，A1对于强度提升来说是必须的元素。A1通过时效处理而与Ni键合形 成金属间化合物，它们在马氏体组织中微细地析出，从而得到高的强度特性。为了得到强化 所需的析出量，需要添加0.9%以上的A1。另一方面，过量添加A1时，金属间化合物的析出 量变得过剩，母相中的Ni量降低而使韧性降低，所以A1的上限设为2.0%。需要说明的是， 为了更确实地得到A1添加的效果，优选将A1的下限设为1.0%，下限更优选为1. 1%。另 夕卜，A1的上限优选为1.7%，上限更优选为1.5%。
[0050] Ti:小于 0.1%
[0051] Ti与A1同样是有形成析出物而使合金的强度提升的效果的元素。然而，Ti形成 残留奥氏体的倾向强于A1，过量添加时，强度随着残留奥氏体的增加而大幅降低。因此，Ti 设为小于0. 1%。另外，利用前述A1可以使合金的强度充分提升的情况下，并不需要添加 Ti，Ti为0% (未添加）也无妨。
[0052] 余量为Fe和杂质
[0053] 余量为Fe和制造中不可避免地混入的杂质元素。作为代表性的杂质元素，想到 了S、P、N等。这些元素越少越优选，作为采用普通的设备制造时能够减少的量，各元素为 0. 05%以下也无妨。
[0054] 需要说明的是，在前述的本发明所规定的各元素的范围中，特别是均衡良好地满 足强度、韧性的成分是由C:0. 04以下、Si:0. 2%以下、Mn:0. 4%以下、Ni:8. 2?8. 5%、Cr: 12. 5?13. 0%、M〇 :2. 0?2. 3%、A1 :1. 2?1. 5%、余量为Fe和杂质形成的范围并适当地 控制奥氏体量，从而还能够得到1530MPa的拉伸强度和40J的吸收能量。
[0055] 实施例 [0056](实施例1)
[0057] 用以下的实施例更详细地说明本发明。
[0058] 通过真空烙化制作10kg的钢锭，通过热锻造制作截面为45mmX20mm的方材形状 的锻造原材料。将熔化了的钢锭的成分示于表1。
[0059] [表 1]
[0060] (质量 ％)
[0061]

【权利要求】
1. 一种析出强化型马氏体钢，其特征在于，其是由按质量％计c :0. 05 %以下、Si : 0· 2% 以下、Μη :0· 4% 以下、Ni :7· 5 ?11. 0%、Cr :10· 5 ?13. 5%、Mo :1· 75 ?2· 5%、A1 : 0. 9?2. 0%、Ti :小于0. 1 %、余量为Fe和杂质形成的析出强化型马氏体钢，该析出强化型 马氏体钢按体积分数计包含〇. 1?6. 0%的奥氏体。
2. 根据权利要求1所述的析出强化型马氏体钢，其特征在于，所述奥氏体的体积分数 为 0· 3 ?6. 0%。
3. -种析出强化型马氏体钢的制造方法，其特征在于，其是由按质量％计C :0.05% 以下、Si :0· 2% 以下、Μη :0· 4% 以下、Ni :7· 5 ?11. 0%、Cr :10· 5 ?13. 5%、Mo :1· 75 ? 2. 5%、A1 :0.9?2.0%、Ti :小于0. 1 %、余量为Fe和杂质形成的析出强化型马氏体钢的制 造方法，对按体积分数计包含〇. 1?5. 0%的奥氏体的析出强化型马氏体钢进行时效处理， 从而使奥氏体的体积分数为〇. 1?6. 0 %。
【文档编号】C22C38/50GK104271787SQ201380024235
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年9月19日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】佐藤顺, 上野友典, 下平荣史 申请人:日立金属株式会社