[发明专利]一种超级高氮马氏体不锈钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级高氮马氏体不锈钢及其制备方法，属钢铁合金材料技术领域。

背景技术

马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化效应叠加的高强度不锈钢，是20世纪60年代后期发展起来的新钢类。它具有马氏体时效钢的全部优点，又具有马氏体时效钢所不具备的不锈性，同时还对沉淀硬化不锈钢的某些性能进行了改进。因而用马氏体时效不锈钢逐步代替沉淀硬化不锈钢是高强度不锈钢发展的重要趋势，是超高强度不锈钢最具有发展前途的钢种。现已广泛应用于航空、航天、机械制造、原子能等重要领域。马氏体时效不锈钢的发展一方面是由于沉淀硬化不锈钢某些性能较差或处理工艺复杂而急待改进，另一方面是受到了马氏体时效钢合金化原理的启发及其良好综合性能的刺激，因而受到国内外的普遍关注，也成为高强度不锈钢最有前途的钢种。其基本组织是:在固溶态为超低碳板条马氏体，在时效状态为板条马氏体基体以及弥散分布其上的时效沉淀相。板条马氏体内部的亚结构主要为高密度的位错，也发现在板条内部有孪晶出现。总之，超低碳板条马氏体本身的良好韧性和弥散分布其上的时效沉淀相的强化特性赋予了马氏体时效不锈钢优良的强韧性。由金属学知识可知，合金的马氏体组织是由奥氏体组织经快冷获得。由Fe-Cr相图可以看到，形成奥氏体组织的Cr含量必须低于11.9wt.%，而C、N能显著增加形成奥氏体组织的Cr含量，提高不锈钢的耐蚀性。早期的马氏体沉淀硬化不锈钢就是通过提高合金中C含量，提高Cr含量并在高温获得奥氏体区，经快冷获得马氏体组织。但，C提高Cr含量及合金强度的同时显著降低不锈钢耐蚀性。而N不仅可以提高Cr含量及合金强度还能显著提高不锈钢耐蚀性，特别是耐点蚀性能。随着AOD、VOD精炼工艺的发展，尤其是AOD炉中能够控制氮的加入，也促进了含氮马氏体时效不锈钢的开发。通过适当的铁、铬、镍，以及氮等的比例配合，以及成熟的热处理工艺，可以在提高铬，氮，降低镍、钼的同时得到理想的组织，这样不但提高马氏体时效不锈钢的力学性能，而且使其抗腐蚀性能也得到很大的提高。此外，由于近年来金属镍价格波动很厉害，降低不锈钢中镍的含量有利于维持不锈钢市场的稳定。所以科研人员在提高不锈钢的性能的同时保持不锈钢市场的稳定这方面做了大量的探索。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高强高韧的超级高氮马氏体不锈钢合金材料。

本发明的超级高氮马氏体不锈钢，其特征在于具有如下的成分及质量百分比：

0<C≤0.03％，S≤0.01％，Si≤1.0％，P≤0.015％，Cr：16~18%， Ni：3.4~4.5%，Cu：3.5~4.5％，N：0.15~0.25%，B：0.001～0.01%，稀土Ce或Y：0.005～0.20%，其余部分为铁。

本发明超级高氮马氏体不锈钢合金材料的制备方法，其特征在于：采用传统常规的熔炼工艺方法，在投料时采用纯铁管密封中间合金投入法，即事先制备好需用的中间合金；中间合金由铁和稀土金属组成，选用Fe-Ce或Fe-Y中间合金；两者的组成分别为：Fe-Ce中间合金中Ce的质量百分含量为23.5%；Fe-Y中间合金中Y的质量百分含量为15%；经综合配料熔制后，浇注成型，最终制得超级马氏体不锈钢合金材料。该成分范围内的钢在950～1200℃范围固溶处理为马氏体组织，时效处理后，室温的拉伸断裂强度在1290～1450Mpa范围，屈服强度在1150～1350Mpa范围，断裂延伸率在18～28％范围，断面收缩率在50~65%范围内。

传统的马氏体不锈钢由于缺乏足够的延展性，在冷顶锻变形过程中对应力十分敏感，冷加工成型比较困难。加之钢的可焊性比较差，使用范围受到了限制。为克服马氏体钢的上述不足，近年人们通过降低钢的含碳量，增加镍和氮含量，开发了一个新系列合金钢——超级马氏体钢，这类钢抗拉强度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超级马氏体钢又称为软马氏体钢或可焊接马氏体钢。

本发明的机理如下所述：

C和N均是小原子半径的原子，可以固溶到钢中产生固溶强化的作用，同时可以提高不锈钢在高温下获得奥氏体组织的Cr含量，但加入C对不锈钢的耐蚀性有害，而N可以显著提高抗腐蚀性能；同时Cu在高温下可以固溶到钢中，而低温中的溶解度很低，通过时效处理可以使Cu析出，产生析出相起到第二相强化的作用。同时向超级马氏体不锈钢合金中加入稀土Ce或Y后，合金中的硫含量大大降低或形成高熔点的稀土硫化物弥散于基体中，避免了低熔点硫化物存在于相界上，从而有效地改善了钢的高温热塑性。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。