一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼及其制備方法
【專利摘要】一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屬于冶金【技術領域】，成分按重量百分比含C0.15~0.4%，N0~0.12%，Si0.2~2.5%，Mn0.4~3.0%，S≤0.02%，P≤0.02%，Cr13.0~17.0%，Ni0~5.0%，Mo0~2.0%，V0~0.3%，Nb0~0.2%，Ti0~0.05%，Al0~0.8%，余量為Fe及不可避免雜質；制備方法為：（1）按設定成分熔煉鋼水，再通過連鑄機或鑄模凝固制成鑄坯；（2）將鑄坯熱軋制成熱軋板坯；（3）加熱至950~1100℃保溫0.5~2h，然后冷卻至25~200℃，再加熱至350~500℃保溫10~60min，空冷至室溫。本發明的方法制備的馬氏體不銹鋼在顯微組織中引入彌散的殘留奧氏體，大幅度提高了馬氏體不銹鋼的強韌性強塑性水平。
【專利說明】一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于冶金【技術領域】，特別涉及一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼及其制備方法。
【背景技術】
[0002]作為高載荷腐蝕環境下的首選鋼種，馬氏體不銹鋼廣泛應用于刀具、汽輪機葉片、軸承、閥門、結構件和耐磨件等。馬氏體不銹鋼通常經過淬火-回火獲得(回火)馬氏體+碳化物的顯微組織；雖然其強韌性可以通過改變回火溫度和時間來控制，但由于強度和塑性此消彼長，再加上組織均勻性和回火脆性等原因，導致馬氏體不銹鋼的塑性和韌性總是低于同強度級別的低合金鋼；進一步提高強韌性配合，是馬氏體不銹鋼行業目前急需解決的問題。
【發明內容】
[0003]針對現有馬氏體不銹鋼在技術上存在的上述問題，本發明提供一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼及其制備方法，向傳統馬氏體不銹鋼中單獨或復合添加N1、S1、Al等合金化元素，并選擇性地添加Mo、N、Nb、V、Ti等微合金化元素，通過熱處理工藝控制向馬氏體組織中引入一定體積分數彌散而穩定的殘留奧氏體，制備成高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼。
[0004]本發明的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的成分按重量百分比含C 0.15^0.4%,N0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr 13.0~17.0%, Ni 0~5.0%,Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al (T0.8%，余量為 Fe 及不可避免雜質。
[0005]上述的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的屈服強度為65(Tl250MPa，抗拉強度為130(Tl800MPa，延伸率16~25%，夏比V型缺口沖擊功在20~105J。
[0006]上述的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的組織為馬氏體和奧氏體，其中奧氏體的體積分數為20~40%。
[0007]本發明的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的制備方法按以下步驟進行:
1、按設定成分熔煉鋼水，再通過連鑄機或鑄模凝固制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr13.0~17.0%，Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量為Fe及不可避免雜質；
2、將鑄坯熱軋制成熱軋板坯；熱軋時的開軋溫度為1150±50°C，終軋溫度為850±50°C，總壓下量為70~90% ；
3、將熱軋板坯加熱至95(TllO(TC保溫0.5~2h，然后空冷或油冷至25~20(TC，再加熱至35(T500°C保溫l(T60min，最后空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼。
[0008]上述的油冷是至采用工業淬火油進行冷卻。
[0009]上述的熔煉鋼水是在保護氣氛條件下熔煉，保護氣氛為氬氣或氮氣。[0010]上述方法中，當鑄坯中C加N的重量總含量≥0.3%時，將鑄坯熱軋成板坯后進行退火處理，退火時加熱溫度為85(T900°C，保溫l~2h，隨爐冷卻至40(T50(TC，再空冷至室溫，然后進行步驟3。
[0011]傳統馬氏體不銹鋼中，中低碳馬氏體不銹鋼的淬火組織中僅含有< 5%的殘留奧氏體，只有中高碳馬氏體不銹鋼的淬火組織才含有> 10%的殘留奧氏體，但是這些奧氏體的穩定性較差，當溫度降低時便會轉變為馬氏體；本發明的方法制備的馬氏體不銹鋼在顯微組織中引入彌散而穩定的殘留奧氏體，大幅度提高了馬氏體不銹鋼的強韌性強塑性水平。
[0012]本發明的方法通過向傳統馬氏體不銹鋼中單獨或者復合添加N1、S1、Al等元素以調節馬氏體轉變開始(Ms)溫度與馬氏體轉變終了(Mf)溫度并提高奧氏體穩定性，并選擇性地加入Mo、N、Nb、V、Ti等元素以提高強度和耐腐蝕性能；當C和N的重量含量〈0.3%時，控制熱軋板坯加熱后發生完全奧氏體化，當C和N的重量含量> 0.3%時，熱加工后進行退火處理，并在最終熱處理時控制熱軋板還加熱發生不完全奧氏體化；加熱奧氏體化以后控制冷卻中止溫度介于Ms與Mf溫度之間，獲得馬氏體加殘余奧氏體兩相為主的組織；在隨后的再次升溫及保溫過程中抑制馬氏體中的碳化物析出，促進馬氏體中的碳(氮)向奧氏體中擴散富集，奧氏體中的碳(氮)含量增加促使其的穩定性增強，再次冷卻過程中不發生馬氏體轉變；經過正火-回火(或稱為淬火-配分)處理最后獲得馬 氏體加殘留奧氏體的顯微組織，賦予該鋼優異的強韌性配合和良好的耐腐蝕性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明實施例1中的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的光學顯微組織圖； 圖2為本發明實施例1中的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的透射電鏡顯微組織圖
(明場);
圖3為本發明實施例1中的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的透射電鏡顯微組織圖(暗場);
圖4為本發明實施例2中的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的光學顯微組織圖；
圖5為本發明實施例3中的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的光學顯微組織圖。
【具體實施方式】
[0014]本發明實施例中奧氏體的馬氏體轉變開始(Ms)溫度的計算方法為:Ms (°C ) =539-430X [C]-30X [Mn]-12X [Cr]-15X [Ni]-7X [Mo]- 5.0X [Si];其中[C]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、[Mo]和[Si]分別為C、Mn、Cr、N1、Mo和Si在馬氏體不銹鋼中的重量含量；馬氏體轉變結束(Mf)溫度的計算方法為:Mf (°C)=Ms-250 ;需要說明的是:在不完全奧氏體化狀態，奧氏體的成分不同于鋼的原始成分，其Ms溫度不能用鋼的原始成分計算，以實測為主。
[0015]本發明實施例中按國標GB/T 228-2002的方法測試屈服強度、抗拉強度和延伸率；采用的設備為SANS公司生產的CMT5105電子萬能試驗機。
[0016]本發明實施例中按國標GB/T 229-1994的方法測試夏比V型缺口沖擊功。
[0017]實施例1
按設定成分在保護氣氛下熔煉鋼水，保護氣氛為氮氣；再通過鑄模凝固制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.15%, Si 0.2%,Mn 0.4%, S 0.012%,P 0.016%, Cr 13.0%,Ni 5.0%,Mo 2.0%, Nb 0.2%, V 0.3%, N 0.12%,，余量為 Fe 及不可避免雜質；
將鑄坯熱軋制成15mm厚的熱軋板坯，開軋溫度為1150±50°C，終軋溫度為850±50°C，總壓下量為80% ；
將熱軋板坯加熱至950°C保溫2h，然后空冷至150°C，，再加熱至450°C保溫lOmin，空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屈服強度為873MPa，抗拉強度為1445MPa，延伸率22.0%，夏比V型缺口沖擊功在70J，組織為馬氏體和奧氏體，奧氏體的體積分數為27% ;光學顯微組織如圖1所示，透射電鏡顯微組織(明場)如圖2所示，透射電鏡顯微組織(暗場)如圖3所示，圖3中發亮部分為奧氏體，黑暗部分為馬氏體。
[0018]實施例2 按設定成分在保護氣氛下熔煉鋼水，保護氣氛為氬氣；再通過鑄模凝固制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.28%, Si 2.5%,Mn 3.0%, S 0.008%,P 0.019%, Cr 13.0%,A1 0.8%,Mo 1.0%，Nb 0.2%，Ti 0.05%，余量為Fe及不可避免雜質；
將鑄坯熱軋制成20mm厚的熱軋板坯，開軋溫度為1150±50°〇，終軋溫度為850±501:，總壓下量為80% ；
將熱軋板坯加熱至1050°C保溫2h，然后空冷至25°C，再加熱至500°C保溫60min，空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屈服強度為650MPa，抗拉強度為1695MPa，延伸率25.0%，夏比V型缺口沖擊功在56J，組織為馬氏體和奧氏體，奧氏體的體積分數為40%，光學顯微組織如圖4所示。
[0019]實施例3
按設定成分在保護氣氛下熔煉鋼水，保護氣氛為氬氣；再通過連鑄機制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.4%, Si 0.6%, Mn 0.4%, S 0.015%, P 0.013%, Cr 17.0%, Mo 1.0%, V
0.3%，Ni 2.8%，余量為Fe及不可避免雜質；
將鑄坯熱軋制成25mm厚的熱軋板坯，開軋溫度為1150±50°C，終軋溫度為850±50°C，總壓下量為70% ；
由于鑄坯中C加N的重量總含量> 0.3%，熱軋后進行退火處理，退火處理時加熱至900°C保溫2h，然后隨爐冷卻至500°C，再空冷至室溫；
將退火處理后的熱軋板坯加熱至1050°C保溫0.5h，然后采用工業淬火油冷卻至IOO0C，再加熱至350°C保溫20min后空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屈服強度為1250MPa，抗拉強度為1800MPa，延伸率16.6%，夏比V型缺口沖擊功在20J，組織為馬氏體和奧氏體，奧氏體的體積分數為26%,光學顯微組織如圖5所不。
[0020]實施例4
按設定成分在保護氣氛下熔煉鋼水，保護氣氛為氬氣；再通過連鑄機制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.22%, Si 0.9%，Mn 2.3%, S 0.015%，P 0.02%, Cr 14.1%, Ni 0.8%, Mo
0.9%, Nb 0.14%, Ti 0.05%, Al 0.36%，余量為 Fe 及不可避免雜質；
將鑄坯熱軋制成15mm厚的熱軋板坯，開軋溫度為1150±501:，終軋溫度為850±501:，總壓下量為90% ；
將熱軋板坯加熱至1(KKTC保溫1.5h，然后空冷至20(TC，再加熱至50(TC保溫20min
后空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屈服強度為750MPa，抗拉強度為1300MPa，延伸率23.5%，夏比V型缺口沖擊功在105J，組織為馬氏體和奧氏體，奧氏體的體積分數為20%。
[0021]實施例5
按設定成分在保護氣氛下熔煉鋼水，保護氣氛為氬氣；再通過連鑄機制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.34%, N 0.008%, Si 1.2%, Mn 1.5%, S 0.017%, P 0.02%, Cr 14.8%,Ni 1.8%，Nb 0.05%, Ti 0.05%，余量為Fe及不可避免雜質；
將鑄坯熱軋制成25mm厚熱軋板坯，開軋溫度為1150±50°C，終軋溫度為850±50°C，總壓下量為80%;
由于鑄坯中C加N的重量總含量≥0.3%，熱軋后進行退火處理，退火加熱溫度850°C，保溫時間為lh，退火處理后隨爐冷卻至400°C，空冷至室溫；
將退火處理并空冷至室溫的熱軋板坯加熱至1100°C保溫1.5h，然后空冷至25°C，再加熱至450°C保溫20min，最后空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，屈服強度為695MPa，抗拉強度為1695MPa，延伸率23%，夏比V型缺口沖擊功在39J，組織為馬氏體和奧氏體，奧氏體的體積分數為36%。
【權利要求】
1.一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，其特征在于成分按重量百分比含C0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%，S ≤ 0.02%，P ≤ 0.02%, Cr 13.0~17.0%,Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量為 Fe 及不可避免雜質。
2.根據權利要求1所述的一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，其特征在于高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的屈服強度為65(Tl250MPa，抗拉強度為130(Tl800MPa，延伸率16~25%，夏比V型缺口沖擊功在20~105J。
3.根據權利要求1所述的一種高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼，其特征在于高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的組織為馬氏體和奧氏體，其中奧氏體的體積分數為2(T40%。
4.一種權利要求1所述的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的制備方法，其特征在于按以下步驟進行: (1)按設定成分熔煉鋼水，再通過連鑄機或鑄模凝固制成鑄坯；其成分按重量百分比含 C 0.15~0.4%, N 0~0.12%, Si 0.2~2.5%, Mn 0.4~3.0%, S ≤ 0.02%, P ≤ 0.02%, Cr13.0~17.0%，Ni 0^5.0%, Mo 0~2.0%，V 0~0.3%，Nb 0~0.2%，Ti 0^0.05%, Al 0~0.8%，余量為Fe及不可避免雜質； (2)將鑄坯熱軋制成熱軋板坯；熱軋時的開軋溫度為1150±50°C，終軋溫度為850±50°C，總壓下量為70~90% ； (3)將熱軋板坯加熱至95(TllO(TC保溫0.5~2h，然后空冷或油冷至25~20(TC，再加熱至35(T500°C保溫l(T60min，最后空冷至室溫，獲得高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼。
5.根據權利要求4所述的高強韌性高強塑性馬氏體不銹鋼的制備方法，其特征在于當鑄坯中C加N的重量總含量> 0.3%時，步驟(2)中將鑄坯熱軋成板坯后，進行退火處理，退火時加熱溫度為85(T900°C，保溫f 2h，隨爐冷卻至40(T50(TC，再空冷至室溫，然后進行步驟(3)。
【文檔編號】C22C38/28GK103614649SQ201310652072
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】王立軍, 劉春明 申請人:東北大學