[发明专利]一种含Nb的微/纳结构超高强塑性不锈钢的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高强塑性合金钢生产领域，涉及一种含Nb的微米/纳米复合结构超高强塑性不锈钢的制备方法。

背景技术

作为常用的生物医学骨骼材料，磷酸钙和生物活性玻璃虽然能够促进骨组织的生成，但由于这些材料强度偏低，抗弯强度仅在42-200MPa范围，而且易碎，导致其应用也受到了限制。而奥氏体不锈钢由于无磁性、耐腐蚀、易成型同时具有良好的力学性能已广泛应用于人工关节等生物医学材料。但美中不足的是，其生物相容性仍然明显逊色于磷酸钙和生物活性玻璃。近年来， 美国路易斯安那州立大学 Misra教授研究表明，如果将商品医用奥氏体不锈钢的组织处理成具有超细晶/纳米级晶粒复合结构，会具有良好的人体组织相容性。传统的商用奥氏体不锈钢301LN的组织晶粒尺寸 10-30μ m范围，而其在经过大幅度冷变形再退火后可以获得具有微米/纳米复合结构的组织。该类组织的材料具有比处理前更好的强塑性结合。

在得到具有微米/纳米结构的逆转变奥氏体组织后，为了实现器件制作的低成本化，应该尽可能利用压力加工方法。然而，亚稳的逆转变奥氏体组织在外力作用下有可能再次发生应变诱导马氏体相变，其优良的生物相容性将不复存在，这当然是必须避免的。为此，必须设法提高该类组织的力学稳定性。

显微组织是决定钢铁材料力学性能的最重要因素之一。在传统钢铁结构材料的发展历程中，为提高力学性能指标，已开发出多种显微组织调控技术。通过组织细化技术可以同时提高钢铁材料的强韧性。上世纪 90 年代末到本世纪初，日本、韩国、欧盟、澳大利亚等国家就针对铁素体细化极限开展了研究，同期，我国提出了“变形诱导铁素体相变”（DIFT）的理论。结果表明，如果将铁素体晶粒尺寸从传统的 20微米左右细化到 5微米左右，碳素结构钢的屈服强度可以从 200MPa级提高到 400MPa级；将微合金化钢的晶粒尺寸从十几微米细化到 2微米左右，屈服强度可以由400MPa级提高到 700MPa级。

而在组织稳定性控制方面，以往研究工作表明，钢中添加的少量微合金元素对变形奥氏体中产生的再结晶和组织演变有明显阻碍作用。这给我们一个强烈的启示，该措施也可能用于逆转变亚稳奥氏体在变形加工过程中的组织稳定性控制。 本工作拟通过 Nb微合金化，在实验室制备含 Nb奥氏体钢。探索获得微米/纳米复合逆转变奥氏体组织的应变诱导马氏体的逆相变控制最佳技术参数。同时，通过对已获得的微米/纳米复合逆转变奥氏体组织变形过程的跟踪观测，了解该类组织的变形机制。另外，研究微合金化对变形、相变机制的影响，为进一步优化成分设计提供基础。

本发明就是在316L基础上添加适量Nb元素，而后通过应变诱导马氏体相变以及随后的退火处理细化晶粒，获得等轴奥氏体晶粒复合组织，得到强度、韧性、和良好相容性的微米/纳米复合结构奥氏体不锈钢，本发明可为开发融良好的稳定性、强塑性和生物相容性为一体的新一代生物医用金属材料提供理指导与技术支撑。

发明内容

本发明目的在于针对成分设计，结合实际生产，在316L奥氏体不锈钢成分的基础上，增加Nb元素，然后通过不同的冷变形，制备不同变形量的钢板；将冷变形钢板进行退火处理，通过控制加热速率、加热温度、保温时间、冷却速率，获得具有微纳米尺度的超细奥氏体组织。材料的强韧性得到同步提高。其屈服强度可达750-800MPa，抗拉强度达 1100-1200MPa，延伸率为35-45%。通过本发明提供一种含Nb的微米/纳米复合结构超高强塑性不锈钢的生产方法，尤其解决传统工业生产的奥氏体不锈钢强度偏低，生物相容性差，力学稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明提出的生产含Nb的微/纳结构超高强塑性不锈钢的方法包括如下步骤：

（1）其化学成分质量百分比如下：

C 0.015-0.018%；Si 0.3-0.6%；Mn 1.2-1.5%；Cr 17.3-17.7%；Mo 2.3-2.7%；Ni 11.8-12.2%；N 0.07-0.10%；Nb 0.05-0.15%.按相应的配比通过真空炉熔炼获得试样钢锭；

（2）将冶炼好的铸坯，切去冒口，锻成所需的坯料，锻造方案为：铸坯加热到1230-1260℃，保温1.5-2.5小时后出炉即锻，终锻温度不低于1100℃，锻成20mm厚×150mm宽的钢锭；

（3）对坯料进行均热处理，控制坯料在1150～1250℃温度范围内，保温120～240min，使钢中的微合金元素充分回溶；

（4）对出炉后的板坯进行去鳞处理，去除板坯在加热过程中所产生的氧化铁皮；