[发明专利]一种铝增强马氏体时效钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高强马氏体时效钢领域，具体涉及一种不含Co，Ti以NiAl强化为主的新型铝增强马氏体钢，该钢种具有高的弹性极限以及良好的疲劳性能。

背景技术

超高强度钢是为满足飞机、火箭等航天器结构上用的高比强度的材料而发展起来的一类结构钢，进而应用于常规武器、高压容器等方面。传统的超高强度钢抗拉强度在1400-2000MPa，但是在应用上仍有不足。如以碳化物强化为主的低合金超高强度钢，随强度升高，不可避免产生脆性倾向。同时其高碳含量必然导致热处理工艺要求高以及焊接工艺复杂。二次硬化不锈钢虽然具有抗腐蚀性，且抗拉强度达到1800MPa，但其屈服强度却小于1400MPa，屈服强度和抗拉强度之间的极大差距限制了此类钢的应用；以18Ni系列为主的传统马氏体时效钢，超低碳以及高Ni保证了马氏体基体的塑性，同时通过添加Co、Mo、Ti等金属间化合物形成元素以达到优良的时效强化效果。该钢种虽然具有优良的强韧性搭配，但其强化体系本身以及与基体的匹配关系使得该钢种刚度不足且疲劳性能表现一般。另外其含有大量的合金化元素，特别是价格昂贵的Co等元素产生的成本问题，制约了马氏体时效钢的大规模应用。之后又开发了无Co马氏体时效钢，如美国专利4443254及英国专利1355475等，这些专利均采用增加Ti元素含量仍以Ni₃Ti为主强化相以达到强化效果，但是综合性能明显低于含Co钢。而Ti作为主强化元素，对钢中碳含量有较高的要求，同时合金元素含量的精确控制也会增加成本。

现代工业对超高强度钢的焊接性、强韧性、以及疲劳腐蚀等综合性能的要求日益提高，同时又需降低成本。纳米析出物与位错的强烈相互作用使得第二相强化效果优异，强化相本身的结构及力学性能以及与基体的匹配也会影响钢的整体性能。针对于不同的性能要求，应选取合适的强化体系。采用多种纳米析出物共同强化是一种十分有效的强化手段，因此通过合理的设计成分，控制各相转变及析出热动力学，搭配以合理的热处理制度使得各种强化相均能纳米弥散析出尤为重要。另外，形变及热处理的方法细化晶粒可同时提高刚的强度及韧性，同时降低缺陷敏感系数。因此，通过合理设计合金体系，开发多种纳米颗粒强化的超高强度钢是非常有必要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种强度大于2000Mpa、延伸率大于6％、且具有优异疲劳和加工性能的铝增强马氏体时效钢及其制备方法。

本发明的技术方案是：本发明在传统(18Ni)马氏体时效钢的基础上去除了其主要去强化元素Ti和Co，设计了一种通过添加Al元素以形成NiAl强化为主，同时微量碳化物和纳米团簇Cu共同强化的合金体系。该钢种在退火时碳化物的析出不仅产生第二相强化还可有效地控制晶粒尺寸；而在合适的时效制度下，纳米团簇及金属间化合物的细小弥散析出保证了足够的析出强化效果，同时又不降低塑性，而强化粒子与基体的共格关系以及NiAl相与基体一致的杨氏模量进一步保证了该合金的刚度及疲劳性能。从而制备了具有优异性能的低碳新型铝增强马氏体时效钢。

该铝增强马氏体钢的各个组分按重量百分比计，C:0.01-0.2％，Ni:6-24％，Mo：≤6％，Mn：0-4％、Al：0.5-6％，Cr：0-12％，Nb≤1.5％，Cu：0-4％，W：0-3％，B：0.0005-0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步：所述不可避免的杂质中包括P≤0.04％，S≤0.04％，N≤0.04％，氧不高于O≤0.05％。

进一步，该铝增强马氏体钢的组分还包括下列物质：Ta≤0.5％，Yi≤0.5％，或从La系及Ac系中一种元素或几种稀土元素，合计为0-0.5％。

进一步，所述铝增强马氏体钢的主强化相为NiAl，钢中合金含量需满足：Al+Mn+Cu＝2-10wt％，Ni+Mo+2Mn+Cr+Cu＝12-28wt％。

进一步，所述铝增强马氏体钢的钢中合金含量为Nb+C＝0.2-1.2％，Nb和C的质量比为2-10：1。

本发明的另一目的是提供上述铝增强马氏体钢的制备工艺，具体包括步骤如下：

步骤1：按照设计名义成分分别称取原料依次进行熔炼、铸造，锻压，得到铸锭；

步骤2：将步骤1得到的铸锭在温度为1000-1300℃，时间为0.5-24小时固溶处理,后空冷至室温；

步骤3：将经步骤2处理后的铸锭以每道次5-20％的压下量进行

冷轧处理，得到总压下量为30-70％的板材；