一种用于获得超微细复合尺度碳化物的高热强性锻钢材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于获得超微细复合尺度碳化物的高热强性锻钢材料，属于冶金 材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 碳化物类型、尺寸、形状和分布对合金钢的性能有极其重要的影响，通过科学优化 形变热处理和热处理工艺使碳化物呈球形、细小、均匀分布，有利于提高强度、硬度、刚性等 力学性能。但这些碳化物沉淀（析出）弥散强化会导致合金钢其它性能的下降，如冷成型 性、高温稳定性和耐腐蚀性能，特别在高温下，碳化物倾向于在晶界处形核且快速长大后聚 集在一起，弱化晶界，加速蠕变裂纹的形成，将显著降低热强性、热疲劳性能。目前，有研究 表明通过增加晶界的黏度可以显著提高晶界的高温稳定性，如加入晶界细化元素B(小原 子）或Zr(大原子）以填充晶界处空位并降低晶界扩散率。也有研究通过控制晶界处析出 相尺寸提高晶界黏度的方法。很显然，采用添加合金元素，通过优化工艺控制碳化物析出相 的类型、尺寸以及析出位置，有利于提高高温力学性能。
[0003] 目前具有高热强性的合金钢材料多以单一相同尺寸M23X6、MX相析出强化，如 TP347H、Super304H和HR3C等。专利CN103966408A公开一种获得多尺度氮化物强化马氏 体耐热钢的工艺，能够获得50nm以下及100-200nm的多尺度氮化物析出相，但该专利碳化 物多以含Cr为主的M23X6类型为主，未涉及不同类型碳化物析出工艺，且更未涉及获得 多尺度氮化物的合金钢原材料。专利CN103436776A公开一种利用机械混合方法在耐热 合金中弥散分布M3C2、M7C3和M23C6等类型碳化物，该专利采用机械混合方法获得多种 类型碳化物，其碳化物与基体之间存在显著割裂，对高温力学性能极为不利。此外，专利 CN101020990A公开一种多类型超细碳化物高合金钢，通过热处理工艺控制，其退火碳化物 平均尺寸为0. 8~1. 0 y m，淬火未溶碳化物尺寸小于0. 5 y m，但该专利获得碳化物尺寸较 大，显著降低合金钢韧性。可看出，现有工艺方法中碳化物析出相类型单一（多以M23X6为 主，M23X6在540°C长期服役过程中易粗化长大，稳定性不良）、碳化物制备工艺复杂、且碳 化物与基体割裂、碳化物析出相尺寸较大等，因此不能有效改善高温力学性能。本发明所述 的一种获得超微细复合尺度碳化物的锻钢材料，通过合理的合金元素设计、控制形变热处 理和热处理工艺，利用原位自生超微细复合碳化物原理，提高高温力学性能是本发明区别 于其它公开技术的关键。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过添加适当的、适量的合金元素来获 得不同类型、不同尺寸的碳化物，以提高合金钢的高温力学性能的用于获得超微细复合尺 度碳化物的高热强性锻钢材料。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种用于获得超微细复合尺度碳化物的高热强性锻钢材料，其特征在于：包括以 下质量百分数Wt%的化学成分：C :0? 3~0? 45 ;Mn :1. 0~2. 0 ;Cr :2. 0~4. 0 ;Ni :1. 5~ 3. 0 ;Ti :0? 3 ~0? 8 ;W :0? 01 ~0? 04 ;Cu :0? 2 ~0? 8 ;N :0? 005 ~0? 015 ;RE :0? 001 ~0? 005 ; P :彡0? 005 ;S :0? 005~0? 01 ;余量为Fe及不可避免的杂质。
[0007] 优选为包括以下质量百分数的化学成分：C :0. 3~0. 40 ;Mn :1. 0~1. 5 ;Cr : 3. 0 ~4. 0 ;Ni :2. 0 ~2. 5 ;Ti :0? 5 ~0? 8 ;W :0? 01 ~0? 02 ;Cu :0? 4 ~0? 8 ;N :0? 01 ~ 0? 015 ;RE :0? 001 ~0? 005 ;P :彡 0? 005 ;S :0? 005 ~0? 01 ;余量为 Fe 及不可避免的杂质。
[0008] 优选为包括以下质量百分数的化学成分：C :0. 35~0. 40 ;Mn :1. 2~1. 5 ;Cr : 3. 5 ~4. 0 ;Ni :2. 5 ~3. 0, Ti :0? 65 ~0? 8, W :0? 01 ~0? 015, Cu :0? 5 ~0? 7, N :0? 012 ~ 0? 015, RE :0? 001 ~0? 005, P :彡 0? 005, S :0? 005 ~0? 01，余量为 Fe 及不可避免的杂质。
[0009] 还包括元素V、Nb、Zr中的任意一种或任意两种或任意三种，V、Nb和Zr的含量 总和控制在 0? 05 ~0? 3wt% ;其中，V :0? 02 ~0? lwt%，Nb :0? 01 ~0? lwt%，Zr :0? 01 ~ 0? lwt%〇
[0010] 所述V、Nb和Zr的含量总和控制在0? 06~0? 2wt%，其中，V :0? 04~0? 09wt%， Nb :0. 04 ~0. lwt %，Zr :0. 03 ~0. lwt %。
[0011] 所述V、Nb和Zr的含量总和控制在0? 08~0? 16wt%，其中V :0? 05~0? 09wt%， Nb :0? 04 ~0? 09wt %，Zr :0? 05 ~0? lwt %。
[0012] 将上述的化学成分混合均匀后在实验室电炉上冶炼试验钢，连铸圆坯，乳制成直 径80mm热乳圆坯，对热乳圆坯进行1100~1200°C锻造，变形量约50~70%，随后风冷或 空冷至室温（即为形变热处理工艺），最后再进行900~1000°C淬火处理和600~700°C回 火处理（即为热处理工艺），获得本发明的超微细复合尺度碳化物的高热强性锻钢。
[0013] 本研究表明，多元合金钢成分设计合适时，钢中存在多类型碳化物如M3C、M23C6、 M7C3、M2C和MC，这些碳化物晶体结构不同，在不同温度下各类碳化物形核、生长及在奥氏 体中溶解的热力学和动力学差异很大，碳化物析出相的稳定性顺序为：Nb(C，N)、V(C，N)、 V4C3、M23C6、M7C3、M3C，据此，应适当增加粗化速率小的析出相体积分数，降低粗化速率大 的析出相含量。此外，形成碳化物的合金元素与碳的结合能力为：T i、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、 Mn、Fe依次降低，且碳化物的溶解和析出依次降低，聚集长大的难易程度也逐渐降低。因此， 本发明设计的出发点就是通过多组元相平衡热力学计算及碳化物相变规律、电子层次结合 能的计算及成分合理设计，在控制形变热处理和热处理工艺参数条件下，可以获得不同类 型、不同尺寸的碳化物以提高合金钢的高温力学性能。
[0014] 本发明具有以下的新特点：（1)优化控制超微细复合尺度碳化物原位析出及其分 布区域。根据形变热处理和热处理工艺特点，控制亚微米级尺寸的M23C6主要分布在原奥 氏体晶界和亚晶界等大角度晶界上，其对强化界面效果显著，而控制纳米级尺寸的MC主要 分布在基体晶粒内的位错处，其对阻碍位错运动效果显著，因此，通过控制形变热处理和热 处理工艺使不同尺寸碳化物分布在（亚）晶界和基体内部有利于提高晶界和基体强度，改 善高温力学性能；（2)降低碳化物析出相的粗化速率。碳化物中存在低扩散系数的合金元 素越多，碳化物在高温作用下的粗化速率越低，且碳化物的弥散程度越高，越有利于降低粗 化速率，因此，增加能够形成粗化速率低的碳化物合金元素（如W、V)，能够提高合金钢的高 温力学性能。（3)提高碳化物稳定性。碳化物在基体中的溶解度越小，且基体与碳化物相 之间的界面能越低，碳化物的稳定性越高，因此，通过添加溶解度低的合金元素（如Ti、Nb、 Zr)有利于提高弥散相强化合金钢的稳定性。
[0015] 本发明中元素作用及配比依据如下：
[0016] 碳（C):能够与碳化物形成元素V、Ti、Nb、Zr、Cr等结合形成碳化物，这些碳化物 起到沉淀弥散强化，通过控制形变热处理工艺和热处理工艺，可以获得亚微米级尺寸M23C6 分布于晶界或亚晶界和纳米级尺寸MC分布于基体，但C含量增加，韧性下降，碳含量高于 0. 45wt %，产品的韧性降低较明显，本发明C含量设计为0. 3~0. 45wt %，进一步控制在 0? 3~0? 40wt%，更进一步优化控制在0? 35~0? 40wt%。
[0017] 锰（Mn):提高合金钢强度、改善韧性的重要合金元素，Mn元素可以提高MC在奥氏 体中的溶解度，有助于其在铁素体中析出。一般Mn含量低于l.Owt. %时，其强韧化效果 不明显，Mn含量大于2. Owt. %时，将提高珠光体的体积分数，降低钢的韧性，Mn与S易形 成MnS，消除热脆性，提高耐磨性，因此，本发明Mn含量设计为1. 0~2. Owt. %，进一步在 1. 0~1. 5wt%，更进一步优化在1. 2~1. 5wt%。
[0018] 铬（Cr):能够提高强度、硬度和耐磨性，能够提高合金钢的高温强度和抗高温氧 化性能，是M23C6型碳化物的主要合金元素，在回火时析出M23C6相，有二次硬化作用，当Cr 含量大于4wt%时，其韧性显著降低，因此，本发明Cr含量设计为2. 0~4. Owt%，进一步优 化为3. 0~4. Owt. %，更进一步优化为3. 5~4. Owt %。
[0019] 镍（Ni):在Fe中固溶度较大，能提高合金钢的常温和高温强度，又保持良好的塑 性和韧性，在高温下有防锈和耐热能力，本发明Ni含量设计为1. 5~3. Owt%，进一步优化 为2. 0~2. 5wt. %，更进一