一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法

本发明属于特殊钢冶炼与加工，具体涉及一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法。

背景技术：

1、高强度不锈钢在航空航天、海洋工程及能源等关系国计民生的装备制造领域得到广泛的应用。基于良好耐蚀性和优异强韧性匹配的性能要求，人们在马氏体铬镍不锈钢的成分基础上，按照化学计量比添(增)加形成各种强化相所需的合金元素，开发出以15-5ph钢、ph13-8mo钢和custom465钢为代表的系列马氏体沉淀硬化不锈钢。

2、作为最早开发的沉淀硬化不锈钢，15-5ph钢利用ε-cu相的析出强化作用提高强度，因此成本低廉应用广泛。这类钢通常在1020℃～1060℃下奥氏体化并将元素固溶，快速冷却至室温后进行480℃～620℃的时效处理。随着时效温度升高，该钢的强度与塑、韧性呈现此消彼长的关系，在450℃～500℃的峰值时效状态下，钢的抗拉强度能够达到1300mpa级别，延伸率保持在16％左右；随着时效温度的升高，过时效组织中会生成一定体积分数的逆变奥氏体，使得塑、韧性满足某些特殊的构件要求，但是抗拉强度会降低200mpa左右。

3、15-5ph钢整体的强塑性水平不高，降低了服役安全性预期，尤其是强度不足成为限制其应用范围的主要瓶颈，在更严苛的服役条件下不得不选用ph13-8mo、custom465等强度级别和合金元素含量更高的钢种，造成资源成本的极大浪费。因此提高15-5ph钢的强度和塑、韧性仍具有重要的工程意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种含cu的马氏体沉淀硬化不锈钢15-5ph(c,n)的合金成分以及淬火-时效配分(quenching and aging plus partitioning,q&ap)热处理工艺。本发明通过成分设计和热处理工艺调整，在峰值硬化状态的组织中引入弥散分布的残留奥氏体来提升钢的强塑性，显著提高了新型沉淀硬化马氏体不锈钢的强度和延伸率。

2、一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，其化学成分如下：按质量分数百分比计，c：0.04～0.20％，si：0.2～0.6％，mn：0.2～1.0％，p≤0.02％，s≤0.01％，cr：12.7～15.7％，ni：3.8～5.2％，mo：0.6～1.0％，cu：2.6～3.4％，al≤0.04％，ti≤0.02％，n：0.01～0.12％，余量为fe。

3、一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，具体包括以下步骤：

4、(1)按合金成分配比备料；

5、(2)真空熔炼炉冶炼，浇铸钢锭；

6、(3)加热轧制或锻造；

7、(4)高温加热处理，淬火冷却：将工件随炉加热后保温，随后放置空气或油中冷却至室温，或在冷却至室温后马上用冰水降温并保温；

8、(5)时效配分热处理：将淬火冷却后的工件放入回火炉中随炉加热进行时效处理，到温计时后空冷。

9、其中：

10、所述步骤(1)中，合金成分配比过程中依照设备参数预估元素烧损率，并按照合金元素的质量百分比计算添加量。

11、所述步骤(2)中，冶炼过程采用真空熔炼炉熔炼，全程采用高真空熔炼，真空度达到0.1pa以下。

12、所述步骤(2)中，熔炼过程中精炼温度为1550～1650℃，熔炼时间不少于30min，不多于60min；搅拌时间不少于10min，不多于20min。

13、所述步骤(3)中，加热轧制或锻造过程中在空气中进行加热，加热方式为随炉加热，升温速率为100～180℃/h。

14、所述步骤(3)中，加热轧制或锻造的具体过程为：将铸坯加热至1000～1300℃，保温10～20h后出炉轧制或锻造；轧制或锻造的变形量不小于50％，常规轧制至产品所需的板材或棒材。

15、所述步骤(4)中，高温加热具体为：在空气或还原性保护气氛中加热，升温速率为100～180℃/h，将钢材加热至950～1050℃，保温30～120min。

16、所述步骤(4)中，淬火冷却过程中采用冰水降温并保温时，保温时间为1h。

17、所述步骤(5)中，时效配分处理的温度为480～520℃，到温计时4～10h，空冷至室温。

18、在淬火冷却阶段将工件冷却至室温，所制得的高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能为：冲击吸收功≥60j，屈服强度≥1200mpa，抗拉强度≥1500mpa，延伸率≥20％，断面收缩率≥60％。

19、在淬火冷却阶段将工件冷却至室温后马上用冰水降温并保温，所制得的高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能为：冲击吸收功≥40j，屈服强度≥1300mpa，抗拉强度≥1500mpa，延伸率≥16％，断面收缩率≥50％。

20、本发明的技术关键点在于：

21、本发明的钢材成分设计在淬火后的室温组织为低碳(氮)马氏体加残留奥氏体的双相组织，淬火冷却中止温度应为0℃～25℃，淬火中止温度能有效影响残留奥氏体含量，通过控制淬火中止温度得到合理的屈服强度水平。

22、本发明的时效配分处理的温度为480～520℃，保温时间在4～10h，此温度和时间配比使处理后的室温获得马氏体+富碳(氮)奥氏体的双相组织，同时富cu析出相达到峰值时效状态，在不影响塑、韧性的基础上进一步提高了强度。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

24、本发明通过成分优化和工艺设计，获得了一种新型的q&ap型马氏体沉淀硬化不锈钢15-5ph(c,n)，奥氏体化后经不完全淬火得到低碳(氮)马氏体+残留奥氏体的双相组织，然后通过时效-配分处理使强化相析出的同时迫使马氏体中的过饱和的碳(氮)元素向奥氏体中富集，最后冷却到室温获得沉淀硬化马氏体+富碳(氮)奥氏体的双相组织。

25、实验钢经480～520℃的时效配分处理可获得最佳强塑性配比，此时组织中的残留奥氏体含量为20％左右，钢的屈服强度为1200mpa，抗拉强度为1500mpa，延伸率达到22％以上，断面收缩率约为65％，冲击吸收功达到60j。相较于商用15-5ph，在冲击韧性与断裂韧性相当的前提下，抗拉强度提高了200mpa，延伸率提高了5％以上。同时通过成分微调和工艺优化，调整q&ap组织中的残留奥氏体含量在15％～18％之间，屈服强度可达到1350mpa，抗拉强度达到1500mpa，延伸率约为18％，断面收缩率约为50％，冲击吸收功达到40j，其力学性能达到了ph13-8mo的标准，大幅度缩减了资源成本。

技术特征：

1.一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，化学成分如下：按质量分数百分比计，c：0.04～0.20％，si：0.2～0.6％，mn：0.2～1.0％，p≤0.02％，s≤0.01％，cr：12.7～15.7％，ni：3.8～5.2％，mo：0.6～1.0％，cu：2.6～3.4％，al≤0.04％，ti≤0.02％，n：0.01～0.12％，余量为fe。

2.权利要求1所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，合金成分配比过程中依照设备参数预估元素烧损率，并按照合金元素的质量百分比计算添加量。

4.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，冶炼过程采用真空熔炼炉熔炼，全程采用高真空熔炼，真空度达到0.1pa以下；熔炼过程中精炼温度为1550～1650℃，熔炼时间不少于30min，不多于60min；搅拌时间不少于10min，不多于20min。

5.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加热轧制或锻造过程中在空气中进行加热，加热方式为随炉加热，升温速率为100～180℃/h；

6.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，高温加热具体为：在空气或还原性保护气氛中加热，升温速率为100～180℃/h，将钢材加热至950～1050℃，保温30～120min。

7.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，淬火冷却过程中采用冷水降温并保温时，保温时间为1h。

8.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，时效配分处理的温度为480～520℃，到温计时4～10h，空冷至室温。

9.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，在淬火冷却阶段将工件冷却至室温，所制得的高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能为：冲击吸收功≥60j，屈服强度≥1200mpa，抗拉强度≥1500mpa，延伸率≥20％，断面收缩率≥60％。

10.根据权利要求2所述的一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的制备方法，其特征在于，在淬火冷却阶段将工件冷却至室温后马上用冰水降温并保温，所制得的高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能为：冲击吸收功≥40j，屈服强度≥1300mpa，抗拉强度≥1500mpa，延伸率≥16％，断面收缩率≥50％。

技术总结
一种高强塑性含铜马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法，属于特殊钢冶炼与加工技术领域，按质量分数百分比，C：0.04～0.20％，Si：0.2～0.6％，Mn：0.2～1.0％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr：12.7～15.7％，Ni：3.8～5.2％，Mo：0.6～1.0％，Cu：2.6～3.4％，Al≤0.04％，Ti≤0.02％，N：0.01～0.12％，余量为Fe。制备方法：按成分配比备料；真空熔炼炉冶炼，浇铸钢锭；加热轧制或锻造；高温加热处理，淬火冷却；时效配分热处理。本发明通过成分设计和热处理工艺调整，在峰值硬化状态的组织中引入弥散分布的残留奥氏体来提升钢的强塑性、强度和延伸率。

技术研发人员：王立军
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31