专利名称：马氏体时效钢及其制造方法
技术领域：
本发明属于一种马氏体时效钢，是一种含铈的Fe-Ni基马氏体时效钢。
自1960年Deeker等人在Fe-18%Ni马氏体时效钢中加入不同的Co、Mo及Ti获得18Ni(140kgf/mm2)、18Ni(175kgf/mm)、18Ni(210kgf/mm2)不同强度级别的Fe-Ni基马氏体时效钢以后，引起各国冶金工作者极大的重视。这种马氏体时效钢在固溶状态具有良好的延展性、塑性及加工成型性，可以加工成棒材、片材及丝材等，以满足不同场合的各种应用的要求。这种钢一般的主要用于制造高压容器、火箭发动机外壳、工具、模具及打印机的打印针等。各种应用对其性能要求有所不同，除共同要求很高的抗张强度外，尚有独特的要求，如要求具有高的抗扭转、耐疲劳、耐磨损、高硬度及抗冲击等。
为满足应用领域日趋对材料性能的高要求和新要求，人们不断改善马氏体时效钢性能的努力一直没有终止过。日本公开特许公报昭52-117226，改变钢中Ni、Co和Mo的含量，并且在钢中添加B、Zr、Ca及Mg微量元素;使其钢的延展性提高2～5倍，时效后钢的抗张强度也大幅度增加。美国专利US-3453153(1969年)采用常规的化学成分，而在固溶处理和时效处理工艺制度上作了深入研究，大大提高了钢的疲劳寿命。日本公开特许公报昭60-197848也采用常规的化学成分，在冷拉成φ0.3mm的细丝后，经氮化处理，使之在表面形成一层厚度为0.005～0.02mm的氮化层，结果是表面硬度高达Hv780，而基体仍保持Hv570的一种外硬内软的钢丝，使用于要求耐磨、抗疲劳的打印针。与上述已有技术不同，本发明是一种用于弹性元件的含稀土金属铈的Fe-Ni基马氏体时效钢及其制造方法。对性能除要求具有高抗张强度σb外，同时要求具有良好疲劳强度极限σ-1和高的冲击值αk。用本钢种制成的弹性元件，在实际应用场合，要承受很大负荷，同时还要承受几十到几百重力加速度的冲击载荷。一般说，马氏体时效钢在抗张强度σb达200kgf/mm2时，其αk值只有2.6kgf·m/cm2左右;而当αk值达到6kgf·m/cm2时，抗张强度σb要降到160kgf/mm2左右。本发明就在于解决这一问题，即研制出抗张强度σb保持200kgf/mm2左右的较高数值，而冲击值αk还要达6kgf·m/cm2以上，并且疲劳强度极限σ-1还要大于70kgf·m/mm2，来满足航天、航空及航海导航元件、大压力弹簧及膜片等弹性元件用的马氏体时效钢。
本发明的目的是提供应用在大冲击、强振动、大载荷条件下长时工作的导航元件、大压力弹簧及膜片等的合金材料，该材料具有抗张强度σb200kgf/mm2左右，疲劳强度极限σ-1大于70kgf/mm2及冲击值αk大于6kgf·m/cm2的马氏体时效钢及其制造方法。
本发明是这样实现的。将含有Co、Mo、Ti及Al的Fe-Ni基马氏体时效钢常规化学成分所要求的原材料，置于真空感应炉冶炼。在精炼期结束后，向坩埚中添加少量稀土金属铈，利用铈与钢液中的O2和S有很强亲和力，进一步脱去钢中的O2和S，净化钢液，钢质纯化。同时控制其加入方式，供电搅拌、停电等工艺，使铈在钢中残留0.0035～0.03%，增大钢液流动性和过冷度，增多铸锭时的非自发核心，使钢锭的晶粒细化。结果是保持了高抗张强度，同时提高了钢的冲击韧性和疲劳强度极限。
本发明马氏体时效钢的化学成分(重量%)为Ni16～20Co7～10Mo4～7Ti0.2～1.0Al0.02～0.15Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等杂质。马氏体时效钢种类很多，16～20Ni马氏体时效钢属于Fe-Ni基，它是利用马氏体相变和时效沉淀硬化反应来强化。
在Fe-Ni基中加入Co、Mo、Ti和Al以后，钢锭经锻造并固溶处理后，基体为高位错密度的板条状马氏体，再经时效处理，在马氏体基体上沉淀出均匀弥散分布的Ni3Mo和Ni3Ti析出相，使钢进一步强化。通常人们就是通过调整Fe-18%Ni钢中的Co、Mo及Ti的含量并采取合适的热处理制度使钢的强度和韧性保持一定的数值，以满足不同应用的要求。但无论如何调整，其抗张强度σb在200kgf/mm2时，冲击值αk都小于4kgf·m/cm2。而航天、航海中实际应用的导航元件，弹簧片及膜片等，除要求材料具有抗张强度σb200kgf/mm2左右外，还要求αk值大于6kgf·m/cm2，疲劳强度极限σ-1大于70kgf/mm2。原有技术欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲劳强度极限σ-1大于70kgf/mm2。原有技术欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲劳强度大于70kgf/mm2的Fe-Ni基马氏体时效钢，在上述Fe-Ni基马氏体时效钢的化学成分基础上，添加0.0035-0.03%的稀土金属铈是很有效的。其主要作用是稀土金属铈在冶炼时与钢中的氧或硫化合生成微细的氧化物、硫化物，增大了钢液流动性和过冷度，并在铸锭凝固时，作为一种非自发结晶核心，使形核率增大，从而使铸锭晶粒细化。这有利于提高强度、冲击韧性和疲劳性能。
下面叙述本发明各化学成分限定范围的理由。
本发明是Fe-Ni基马氏体时效钢，其基体组织结构为体心立方马氏体。这只有控制Ni的含量在16～20%范围内才有可能。当Ni超过20%，由于马氏体转变温度Mf点下降太多，从而使钢的室温组织中出现奥氏体组织，使钢的强度下降;当Ni含量低于16%时，Mf点升高，钢的室温组织中产生孪晶马氏体，使钢韧性下降并脆化。Co在钢中除了对强度有贡献外，并降低基体堆垜层错能，从而使钢中弥散沉淀Ni3Mo和Ni3Ti相稳定析出。此外，Co、Mo联合反应，增强晶界，对提高强度和韧性很有利。Co的含量控制在7～10%为宜。低于7%其强化作用不大。由于Co的价格很高添加量不大于10%为宜。Mo和Ti是主要强化元素。每增加1%的Mo，提高钢强度14kgf/mm2。每增加1%的Ti提高强度42kgf/mm2。但过量的Mo和Ti在固溶处理时在晶界形成脆化相而大幅度降低韧性。随着Mo含量的增加、钢的屈服强度会相应增加，但超过7%，导致钢脆化。而Mo含量低于4%，强化效果小。Ti是Fe-Ni基马氏体时效钢强化效应最显著的元素，超过1.0%，强度虽提高很多，但韧性下降特别严重，不可能得到又强又韧的综合性能。Ti含量低于0.2%其强化效应很小，达不到高强度，所以限定范围为0.2～1.0%。Al在钢中有强化作用和脱氧作用，但超过0.15%将导致钢脆化，所以以0.02～0.15%为宜。稀土Ce与钢中O和S化合形成微细化合物，细化晶粒、提高强度和韧性。其含量在0.0035～0.03%为宜，低于0.0035%效果不显著，高于0.03%将导致钢中杂质增多，出现脆化。
本发明Fe-Ni基马氏体时效钢的最佳化学成分(重量%)为Ni 17～19 Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12 Ce 0.005～0.01余Fe和一些不可避免的杂质元素O、S、N、P及C等。Ni含量17-19是Fe-Ni基马氏体时效钢具有高强度高韧性综合性能最好的含量。在此既强又韧的基体上Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12的添加，进一步增加钢的强度。钢中含有Ce 0.005～0.01使钢在晶粒细化恰到好处，使强度和冲击韧性都出现最佳值。即σb约200kgf/mm2αk＞6kgf·m/cm2。
本发明Fe-Ni基马氏体时效钢的制造方法如下以工业纯铁、电解镍、电解钴、金属钼、金属铝及海绵钛、金属铈或铈铁合金及其它铈合金为原材料。冶炼采用真空感应炉，Fe、Co、Ni和Mo加入坩埚中，Al、Ti和Ce装入料斗，采用通常的冶炼工艺冶炼，但在精炼期终了，合金化之后，停电停止搅拌，充Ar气，向钢液中加金属铈或铈铁或其它铈合金。保证添加铈量为炉料的0.04～0.5%。然后给电搅拌并抽真空1～2分钟，真空度达10-2mmHg以上，温度达1600℃左右，停电出钢。0.04～0.5%的Ce的添加，目的在于对钢液进一步净化。道理是利用稀土铈与钢液中的氧、硫有极强亲和力，生成氧化物、硫化物和氧硫化物，呈渣的形式浮到钢液表面或附着于坩埚壁上，在出钢时被除掉，另一部分稀土化合物呈挥发物质被抽出炉外，这样达到了净化钢的目的。添加0.04～0.5%的稀土金属最后残留在钢中0.0035～0.03%，并且呈微细的化合物质点，有细化晶粒的作用，结果大大改善钢的冲击韧性，同时强度和疲劳极限也都有所提高。
真空熔炼得到的钢锭作成电极，再经真空自耗或电子轰击炉重熔，接着锻造成所需要的尺寸。经800～900℃固溶处理1～2小时，再经430～550℃2～5小时时效。
由上所述，本发明由于在含有Co、Mo、Ti和Al的Fe-Ni基马氏体时效钢所要求的各种原材料中添加0.04～0.5%的金属铈、铈铁合金或其它铈合金，并保证钢中残留0.0035～0.03%的金属铈，由于钢质纯净度高、晶粒细化，因此抗张强度、疲劳强度，特别是冲击韧性与已有技术相比要高，获得了σb在200kgf/mm2左右、σ-1＞70kgf/mm2、αk＞6kgf·m/cm2的Fe-Ni基马氏体时效钢，满足了航天、航空、航海大振动、大冲击、长时工作的导航元件、弹簧及膜片的需求。
下面以实施例进一步说明本发明。
由表所示，按着本发明Fe-Ni基马氏体时效钢的化学成分配比的原材料经真空感应炉冶炼，精炼期完了，合金化以后，在钢液中加纯度为98%的金属铈，分别为0.04、0.06、0.30、0及0.60。铸锭再经自耗炉重熔后锻成φ30mm的园棒。用820±10℃保温一小时空淬。按GB228-76、GB229-63及YB40-64的要求作出抗拉强度、冲击韧性及疲劳强度极限试样，再经430～480℃3小时真空时效，测出σb、αk及σ-1值如表所示。
由表可见，成分为本发明范围之内，且添加金属铈在本文发明要求0.04～0.5%之内的1、2、3号钢，σb都在200kgf/mm2左右，而αk值都高于6.8kgf·m/cm2以上，σ-1都大于70kgf/mm2。而成分和金属铈添加量不在本发明范围之内的，如对比例4、5号钢，αk值显著的低，σ-1也较低。冲击韧性和疲劳强度极限都不如1、2、3号钢高。
权利要求
1.一种弹性元件用的高抗张强度，同时具有高冲击韧性和高疲劳强度极限的Fe-Ni基马氏体时效钢，含有Ni、Co、Mo、Ti及Al，其特征在于组成钢的化学成分(重量%)为Ni16～20、Co7～10、Mo4～7、Ti0.2～1.0、Al0.02～0.15、Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等杂质。
2.根据权利要求1所述的Fe-Ni基马氏体时效钢，其特征在于钢的最佳化学成分(重量%)为Ni17～19、Co8～9、Mo4.5～5.5、Ti0.5～0.7、Al0.08～0.12、Ce0.005～0.01余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等杂质。
3.一种弹性元件用的高抗张强度，同时具有高冲击韧性及高疲劳强度极限的Fe-Ni基马氏体时效钢的制造方法，其中包括真空感应冶炼、真空自耗或电子轰击炉重熔、锻造、热处理，其特征在于真空感应炉冶炼，精炼期终了，合金化后，停电停止搅拌，充氩气，向钢液中添加保证Ce含量为炉料重量0.04～0.5%的金属铈、铈铁合金和其它铈合金，然后给电搅拌，同时抽真空1～2分钟，停电出钢。
全文摘要
一种弹性元件用的高抗张强度，同时具有高冲击韧性及高疲劳强度极限的Fe-Ni基马氏体时效钢及其制造方法。在真空感应炉溶炼精炼期终了，合金化以后，向钢液中添加保证Ce含量为0.04～0.5％炉料重量的金属铈、铈铁合金及其它铈合金，并使铈在钢中残留0.0035～0.03％，使钢质净化和晶粒细化，制造出一种抗张强度σb为200kgf·/mm
文档编号C22C38/14GK1040626SQ8810609
公开日1990年3月21日 申请日期1988年8月22日 优先权日1988年8月22日
发明者万成锗, 王焰, 辛长华, 王一禾, 藩连芳, 邢淑兰 申请人:冶金工业部钢铁研究总院