一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法

本发明属于金属热处理，尤其涉及一种超高强度马氏体时效不锈钢热处理工艺。

背景技术：

1、沉淀硬化不锈钢作为一种高强度不锈钢，具有高强度和优异的耐腐蚀性能，使其成为航空航天、核工业、船舶、军事机械和化学工业等许多应用的重要候选材料。沉淀硬化不锈钢在固溶处理时形成过饱和的基体微观结构。然后在进行时效处理以产生析出沉淀。根据不同的钢种，这些析出强化相包括富cu相、nial相、laves相、ni3ti相和碳化物等。为了获得更好的强度和韧性，应对这些沉淀物的尺寸、形状和析出数量进行调整以提高钢种的综合力学性能。

2、马氏体不锈钢具有超高强度、良好的延展性和耐腐蚀性，在汽车、航空航天、核、齿轮、轴承和其他行业具有重要意义。它们是未来轻量化工程设计和相应co2减排策略的关键材料。各种合金元素，例如c、cr、ni、al、ti、mo、v、mn、nb、co、cu、w、si、b和n，在这样的合金体系中组合以获得期望的微观结构和性能。到目前为止，超高强度钢的实验研究基本上仅限于提高强度的探索，很少有关于强度和韧性联合优化突破的报道。此外，对钢中某些关键微观结构特征和逆转变奥氏体稳定性问题的基本理解还没有达到。

3、从材料科学的角度来看，在保持相对较高的强度的同时，获得优异的韧性在超高强度钢中具有重要意义。因此，了解逆转变奥氏体的体积分数、碳含量、分布、形态和稳定性对冲击疲劳寿命、动态断裂韧性和延性等力学性能的影响非常重要。而仅按目前的热处理制度无法同时提升超高强度不锈钢的强度(特别是屈服强度)和缺口冲击功。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种增强增韧的超高强度马氏体时效不锈钢的热处理工艺。

2、具体技术方案如下：

3、一种超高强度马氏体时效不锈钢，其特征在于，所述马氏体时效不锈钢的化学成分按质量百分比为：c：0.1～0.3％，cr：11～14％，ni：5.0～8.0％，mo：1.0～4.0％，co：6.5～8.5％，v：0.2～0.45％，nb：0.012～0.04％，cu：0～2％，al：0～1.5％，p：≤0.02％，s：≤0.02％，余量为fe。

4、按照本发明上述超高强度马氏体不锈钢的成分进行冶炼，然后在1050-1250℃下均质化8-15h以消除偏析，之后再进行热轧，锻造后得到板坯；

5、采用上述锻造处理后的钢板进行热处理工艺，包括如下步骤：

6、(1)固溶处理；

7、(2)第一次深冷处理；

8、(3)预时效处理；

9、(4)第二次深冷处理；

10、(5)长时效处理；

11、(6)第三次深冷处理；

12、所述固溶处理温度为1025-1175℃，固溶处理保温时间为0.5-1.5h，冷却方式为水冷至室温，得到全板条的马氏体组织；

13、所述第一次深冷处理的方式为在液氮中-196℃下保温1-8h，取出后在空气中静置至室温；

14、所述预时效处理温度为510-610℃，预时效处理保温时间为20min-4h，预时效的冷却方式为油冷至室温；

15、所述第二次深冷处理的方式为在液氮中-196℃下保温1-8h，取出后在空气中静置至室温；

16、所述长时效处理温度为450-500℃，长时效处理保温时间为8-40h，长时效的冷却方式为油冷至室温；

17、所述第三次深冷处理的方式为在液氮中-196℃下保温1-8h，取出后在空气中静置至室温。

18、实现上述方案的具体构思是采用双时效工艺+三深冷的热处理方法，解决了现有热处理工艺技术下，析出相的析出程度与奥氏体的含量及形貌的兼顾问题。最终获得超高强度同时具有超高韧性的马氏体不锈钢。采用切过和绕过两种机制进行强化使该钢具有优异的综合性能以满足苛刻服役环境对超高强度不锈钢的服役要求。

19、经过固溶处理后合金属元素能完全固溶进基体中，固溶强化表示为：其中τss是固溶强化贡献的强度，kss,i是马氏体中元素i的强化系数，ci是马氏体中元素i的原子分数。马氏体中的强化元素i包括c、co、ni、cu、al、cr和mo。

20、经过高温预时效处理之后，高温促进了间隙c原子向马氏体板条边界扩散，使薄膜状逆转变奥氏体的含量增加，而且高温预时效温度的提高使co、ni原子在马氏体板条边界富集，提高了膜状奥氏体的稳定性，改善了韧性。此外，高温可以促进析出相(主要是m2c碳化物)有明显的析出。细小弥散的m2c型碳化物被认为是硬颗粒，通过绕过方式进行强化，能有效提高钢的屈服强度。由orowan机制所贡献的屈服强度由：计算，其中m是泰勒系数3，b是柏氏矢量为0.25nm，g是80gpa的剪切模量，f为m2c型碳化物的体积分数，r为碳化物的平均半径，π为圆周率。

21、多次深冷可以使钢中的奥氏体含量保持在较低水平。除了合理设计超高强度钢的合金成分并严格控制其含量外，在强度不明显降低的情况下，通过优化时效工艺，可以明显延长钢的屈服强度和断裂韧性。其中一个最重要的原因是，在双时效过程的高温保温过程中，逆转变奥氏体的韧性和稳定性显著提高。此外在双时效过程的低温保温过程中，钢中马氏体/铁素体中分离出的碳肯定会扩散到逆转变奥氏体中。ms点温度降低，奥氏体中碳和铁之间的接近和连接的阻碍将发生转变，结果使得马氏体的脆性降低，奥氏体的稳定性提高。

22、本发明的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，与现有技术相比，有益效果为：

23、本发明通过预时效处理提高了钢中各元素的扩散系数，可以有效促进各元素在钢中的扩散，使得集体中有更多细小弥散的析出相(ε-cu、nial、m2c)析出。此外，预时效高温处理，为逆转变奥氏体的生成提供了良好的热力学和动力学条件。

24、通过多次深冷处理，使钢中的残余奥氏体保持在较低水平，后续再通过时效处理使钢中的残余奥氏体先发生分解然后在时效温度下从基体中析出转化，最终形成薄膜状的逆转变奥氏体。随着钢中各类元素的扩散，逆转变奥氏体的合金含量升高，从而使得逆转变奥氏体稳定性升高。

25、钢中析出相具有更加细小和弥散的分布，奥氏体含量适宜稳定性提高，所以使超高强度不锈钢具有超高强韧性。

26、本发明的超高强度马氏体不锈钢热处理工艺简单，制作成本低，易于实现工业化生产。最终获得一种力学性优异的超高强度马氏体不锈钢，该钢的抗拉强度≥2000mpa，屈服强度≥1600mpa，硬度≥53hrc，缺口冲击功≥25j。

技术特征：

1.一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述马氏体时效不锈钢的化学成分按质量百分比为：c：0.1～0.3％，cr：11～14％，ni：5.0～8.0％，mo：1.0～4.0％，co：6.5～8.5％，v：0.2～0.45％，nb：0.012～0.04％，cu：0～2％，al：0～1.5％，p：≤0.02％，s：≤0.02％，余量为fe。

2.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述固溶处理温度为1025-1175℃，固溶处理保温时间为0.5-1.5h，冷却方式为水冷至室温，得到全板条的马氏体组织。

4.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述第一次深冷处理的方式为在液氮中-196℃下保温1-8h，取出后在空气中静置至室温。

5.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述预时效处理温度为510-610℃，预时效处理保温时间为20min-4h，预时效的冷却方式为油冷至室温。

6.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述第二次深冷处理的方式和第三次深冷处理的方式均是在液氮中-196℃下保温1-8h，取出后在空气中静置至室温。

7.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，所述长时效处理温度为450-500℃，长时效处理保温时间为8-40h，长时效的冷却方式为油冷至室温。

8.根据权利要求1所述的一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，其特征在于，最终得到的钢的抗拉强度≥2000mpa，屈服强度≥1600mpa，硬度≥53hrc，缺口冲击功≥25j。

技术总结
一种提高超高强度马氏体时效不锈钢强韧性的热处理方法，属于金属热处理技术领域，本发明是通过在马氏体时效硬化不锈钢均质化锻造之后，在固溶处理工艺与长时效处理工艺之间增加预时效及深冷工艺，并且在长时效之后再加一次深冷处理。具体包括：(1)固溶处理；(2)第一次深冷处理；(3)预时效处理；(4)第二次深冷处理；(5)长时效处理；(6)第三次深冷处理；采用双时效工艺+三深冷的热处理方法，解决了现有热处理工艺技术下，析出相的析出程度与奥氏体的含量及形貌的兼顾问题，最终获得超高强度同时具有超高韧性的马氏体不锈钢。

技术研发人员：田家龙,王威,赵佳伟,严伟,战东平,杨柯,姜周华
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15