專利名稱：馬氏體時效鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種馬氏體時效鋼，是一種含鈰的Fe-Ni基馬氏體時效鋼。
自1960年Deeker等人在Fe-18%Ni馬氏體時效鋼中加入不同的Co、Mo及Ti獲得18Ni(140kgf/mm2)、18Ni(175kgf/mm)、18Ni(210kgf/mm2)不同強(qiáng)度級別的Fe-Ni基馬氏體時效鋼以后，引起各國冶金工作者極大的重視。這種馬氏體時效鋼在固溶狀態(tài)具有良好的延展性、塑性及加工成型性，可以加工成棒材、片材及絲材等，以滿足不同場合的各種應(yīng)用的要求。這種鋼一般的主要用于制造高壓容器、火箭發(fā)動機(jī)外殼、工具、模具及打印機(jī)的打印針等。各種應(yīng)用對其性能要求有所不同，除共同要求很高的抗張強(qiáng)度外，尚有獨(dú)特的要求，如要求具有高的抗扭轉(zhuǎn)、耐疲勞、耐磨損、高硬度及抗沖擊等。
為滿足應(yīng)用領(lǐng)域日趨對材料性能的高要求和新要求，人們不斷改善馬氏體時效鋼性能的努力一直沒有終止過。日本公開特許公報昭52-117226，改變鋼中Ni、Co和Mo的含量，并且在鋼中添加B、Zr、Ca及Mg微量元素;使其鋼的延展性提高2～5倍，時效后鋼的抗張強(qiáng)度也大幅度增加。美國專利US-3453153(1969年)采用常規(guī)的化學(xué)成分，而在固溶處理和時效處理工藝制度上作了深入研究，大大提高了鋼的疲勞壽命。日本公開特許公報昭60-197848也采用常規(guī)的化學(xué)成分，在冷拉成φ0.3mm的細(xì)絲后，經(jīng)氮化處理，使之在表面形成一層厚度為0.005～0.02mm的氮化層，結(jié)果是表面硬度高達(dá)Hv780，而基體仍保持Hv570的一種外硬內(nèi)軟的鋼絲，使用于要求耐磨、抗疲勞的打印針。與上述已有技術(shù)不同，本發(fā)明是一種用于彈性元件的含稀土金屬鈰的Fe-Ni基馬氏體時效鋼及其制造方法。對性能除要求具有高抗張強(qiáng)度σb外，同時要求具有良好疲勞強(qiáng)度極限σ-1和高的沖擊值αk。用本鋼種制成的彈性元件，在實(shí)際應(yīng)用場合，要承受很大負(fù)荷，同時還要承受幾十到幾百重力加速度的沖擊載荷。一般說，馬氏體時效鋼在抗張強(qiáng)度σb達(dá)200kgf/mm2時，其αk值只有2.6kgf·m/cm2左右;而當(dāng)αk值達(dá)到6kgf·m/cm2時，抗張強(qiáng)度σb要降到160kgf/mm2左右。本發(fā)明就在于解決這一問題，即研制出抗張強(qiáng)度σb保持200kgf/mm2左右的較高數(shù)值，而沖擊值αk還要達(dá)6kgf·m/cm2以上，并且疲勞強(qiáng)度極限σ-1還要大于70kgf·m/mm2，來滿足航天、航空及航海導(dǎo)航元件、大壓力彈簧及膜片等彈性元件用的馬氏體時效鋼。
本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用在大沖擊、強(qiáng)振動、大載荷條件下長時工作的導(dǎo)航元件、大壓力彈簧及膜片等的合金材料，該材料具有抗張強(qiáng)度σb200kgf/mm2左右，疲勞強(qiáng)度極限σ-1大于70kgf/mm2及沖擊值αk大于6kgf·m/cm2的馬氏體時效鋼及其制造方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。將含有Co、Mo、Ti及Al的Fe-Ni基馬氏體時效鋼常規(guī)化學(xué)成分所要求的原材料，置于真空感應(yīng)爐冶煉。在精煉期結(jié)束后，向坩堝中添加少量稀土金屬鈰，利用鈰與鋼液中的O2和S有很強(qiáng)親和力，進(jìn)一步脫去鋼中的O2和S，凈化鋼液，鋼質(zhì)純化。同時控制其加入方式，供電攪拌、停電等工藝，使鈰在鋼中殘留0.0035～0.03%，增大鋼液流動性和過冷度，增多鑄錠時的非自發(fā)核心，使鋼錠的晶粒細(xì)化。結(jié)果是保持了高抗張強(qiáng)度，同時提高了鋼的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度極限。
本發(fā)明馬氏體時效鋼的化學(xué)成分(重量%)為Ni16～20Co7～10Mo4～7Ti0.2～1.0Al0.02～0.15Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質(zhì)。馬氏體時效鋼種類很多，16～20Ni馬氏體時效鋼屬于Fe-Ni基，它是利用馬氏體相變和時效沉淀硬化反應(yīng)來強(qiáng)化。
在Fe-Ni基中加入Co、Mo、Ti和Al以后，鋼錠經(jīng)鍛造并固溶處理后，基體為高位錯密度的板條狀馬氏體，再經(jīng)時效處理，在馬氏體基體上沉淀出均勻彌散分布的Ni3Mo和Ni3Ti析出相，使鋼進(jìn)一步強(qiáng)化。通常人們就是通過調(diào)整Fe-18%Ni鋼中的Co、Mo及Ti的含量并采取合適的熱處理制度使鋼的強(qiáng)度和韌性保持一定的數(shù)值，以滿足不同應(yīng)用的要求。但無論如何調(diào)整，其抗張強(qiáng)度σb在200kgf/mm2時，沖擊值αk都小于4kgf·m/cm2。而航天、航海中實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)航元件，彈簧片及膜片等，除要求材料具有抗張強(qiáng)度σb200kgf/mm2左右外，還要求αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強(qiáng)度極限σ-1大于70kgf/mm2。原有技術(shù)欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強(qiáng)度極限σ-1大于70kgf/mm2。原有技術(shù)欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強(qiáng)度大于70kgf/mm2的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，在上述Fe-Ni基馬氏體時效鋼的化學(xué)成分基礎(chǔ)上，添加0.0035-0.03%的稀土金屬鈰是很有效的。其主要作用是稀土金屬鈰在冶煉時與鋼中的氧或硫化合生成微細(xì)的氧化物、硫化物，增大了鋼液流動性和過冷度，并在鑄錠凝固時，作為一種非自發(fā)結(jié)晶核心，使形核率增大，從而使鑄錠晶粒細(xì)化。這有利于提高強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞性能。
下面敘述本發(fā)明各化學(xué)成分限定范圍的理由。
本發(fā)明是Fe-Ni基馬氏體時效鋼，其基體組織結(jié)構(gòu)為體心立方馬氏體。這只有控制Ni的含量在16～20%范圍內(nèi)才有可能。當(dāng)Ni超過20%，由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Mf點(diǎn)下降太多，從而使鋼的室溫組織中出現(xiàn)奧氏體組織，使鋼的強(qiáng)度下降;當(dāng)Ni含量低于16%時，Mf點(diǎn)升高，鋼的室溫組織中產(chǎn)生孿晶馬氏體，使鋼韌性下降并脆化。Co在鋼中除了對強(qiáng)度有貢獻(xiàn)外，并降低基體堆垜層錯能，從而使鋼中彌散沉淀Ni3Mo和Ni3Ti相穩(wěn)定析出。此外，Co、Mo聯(lián)合反應(yīng)，增強(qiáng)晶界，對提高強(qiáng)度和韌性很有利。Co的含量控制在7～10%為宜。低于7%其強(qiáng)化作用不大。由于Co的價格很高添加量不大于10%為宜。Mo和Ti是主要強(qiáng)化元素。每增加1%的Mo，提高鋼強(qiáng)度14kgf/mm2。每增加1%的Ti提高強(qiáng)度42kgf/mm2。但過量的Mo和Ti在固溶處理時在晶界形成脆化相而大幅度降低韌性。隨著Mo含量的增加、鋼的屈服強(qiáng)度會相應(yīng)增加，但超過7%，導(dǎo)致鋼脆化。而Mo含量低于4%，強(qiáng)化效果小。Ti是Fe-Ni基馬氏體時效鋼強(qiáng)化效應(yīng)最顯著的元素，超過1.0%，強(qiáng)度雖提高很多，但韌性下降特別嚴(yán)重，不可能得到又強(qiáng)又韌的綜合性能。Ti含量低于0.2%其強(qiáng)化效應(yīng)很小，達(dá)不到高強(qiáng)度，所以限定范圍為0.2～1.0%。Al在鋼中有強(qiáng)化作用和脫氧作用，但超過0.15%將導(dǎo)致鋼脆化，所以以0.02～0.15%為宜。稀土Ce與鋼中O和S化合形成微細(xì)化合物，細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度和韌性。其含量在0.0035～0.03%為宜，低于0.0035%效果不顯著，高于0.03%將導(dǎo)致鋼中雜質(zhì)增多，出現(xiàn)脆化。
本發(fā)明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的最佳化學(xué)成分(重量%)為Ni 17～19 Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12 Ce 0.005～0.01余Fe和一些不可避免的雜質(zhì)元素O、S、N、P及C等。Ni含量17-19是Fe-Ni基馬氏體時效鋼具有高強(qiáng)度高韌性綜合性能最好的含量。在此既強(qiáng)又韌的基體上Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12的添加，進(jìn)一步增加鋼的強(qiáng)度。鋼中含有Ce 0.005～0.01使鋼在晶粒細(xì)化恰到好處，使強(qiáng)度和沖擊韌性都出現(xiàn)最佳值。即σb約200kgf/mm2αk＞6kgf·m/cm2。
本發(fā)明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的制造方法如下以工業(yè)純鐵、電解鎳、電解鈷、金屬鉬、金屬鋁及海綿鈦、金屬鈰或鈰鐵合金及其它鈰合金為原材料。冶煉采用真空感應(yīng)爐，F(xiàn)e、Co、Ni和Mo加入坩堝中，Al、Ti和Ce裝入料斗，采用通常的冶煉工藝冶煉，但在精煉期終了，合金化之后，停電停止攪拌，充Ar氣，向鋼液中加金屬鈰或鈰鐵或其它鈰合金。保證添加鈰量為爐料的0.04～0.5%。然后給電攪拌并抽真空1～2分鐘，真空度達(dá)10-2mmHg以上，溫度達(dá)1600℃左右，停電出鋼。0.04～0.5%的Ce的添加，目的在于對鋼液進(jìn)一步凈化。道理是利用稀土鈰與鋼液中的氧、硫有極強(qiáng)親和力，生成氧化物、硫化物和氧硫化物，呈渣的形式浮到鋼液表面或附著于坩堝壁上，在出鋼時被除掉，另一部分稀土化合物呈揮發(fā)物質(zhì)被抽出爐外，這樣達(dá)到了凈化鋼的目的。添加0.04～0.5%的稀土金屬最后殘留在鋼中0.0035～0.03%，并且呈微細(xì)的化合物質(zhì)點(diǎn)，有細(xì)化晶粒的作用，結(jié)果大大改善鋼的沖擊韌性，同時強(qiáng)度和疲勞極限也都有所提高。
真空熔煉得到的鋼錠作成電極，再經(jīng)真空自耗或電子轟擊爐重熔，接著鍛造成所需要的尺寸。經(jīng)800～900℃固溶處理1～2小時，再經(jīng)430～550℃2～5小時時效。
由上所述，本發(fā)明由于在含有Co、Mo、Ti和Al的Fe-Ni基馬氏體時效鋼所要求的各種原材料中添加0.04～0.5%的金屬鈰、鈰鐵合金或其它鈰合金，并保證鋼中殘留0.0035～0.03%的金屬鈰，由于鋼質(zhì)純凈度高、晶粒細(xì)化，因此抗張強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，特別是沖擊韌性與已有技術(shù)相比要高，獲得了σb在200kgf/mm2左右、σ-1＞70kgf/mm2、αk＞6kgf·m/cm2的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，滿足了航天、航空、航海大振動、大沖擊、長時工作的導(dǎo)航元件、彈簧及膜片的需求。
下面以實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
由表所示，按著本發(fā)明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的化學(xué)成分配比的原材料經(jīng)真空感應(yīng)爐冶煉，精煉期完了，合金化以后，在鋼液中加純度為98%的金屬鈰，分別為0.04、0.06、0.30、0及0.60。鑄錠再經(jīng)自耗爐重熔后鍛成φ30mm的園棒。用820±10℃保溫一小時空淬。按GB228-76、GB229-63及YB40-64的要求作出抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度極限試樣，再經(jīng)430～480℃3小時真空時效，測出σb、αk及σ-1值如表所示。
由表可見，成分為本發(fā)明范圍之內(nèi)，且添加金屬鈰在本文發(fā)明要求0.04～0.5%之內(nèi)的1、2、3號鋼，σb都在200kgf/mm2左右，而αk值都高于6.8kgf·m/cm2以上，σ-1都大于70kgf/mm2。而成分和金屬鈰添加量不在本發(fā)明范圍之內(nèi)的，如對比例4、5號鋼，αk值顯著的低，σ-1也較低。沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度極限都不如1、2、3號鋼高。
權(quán)利要求
1.一種彈性元件用的高抗張強(qiáng)度，同時具有高沖擊韌性和高疲勞強(qiáng)度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，含有Ni、Co、Mo、Ti及Al，其特征在于組成鋼的化學(xué)成分(重量%)為Ni16～20、Co7～10、Mo4～7、Ti0.2～1.0、Al0.02～0.15、Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，其特征在于鋼的最佳化學(xué)成分(重量%)為Ni17～19、Co8～9、Mo4.5～5.5、Ti0.5～0.7、Al0.08～0.12、Ce0.005～0.01余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質(zhì)。
3.一種彈性元件用的高抗張強(qiáng)度，同時具有高沖擊韌性及高疲勞強(qiáng)度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼的制造方法，其中包括真空感應(yīng)冶煉、真空自耗或電子轟擊爐重熔、鍛造、熱處理，其特征在于真空感應(yīng)爐冶煉，精煉期終了，合金化后，停電停止攪拌，充氬氣，向鋼液中添加保證Ce含量為爐料重量0.04～0.5%的金屬鈰、鈰鐵合金和其它鈰合金，然后給電攪拌，同時抽真空1～2分鐘，停電出鋼。
全文摘要
一種彈性元件用的高抗張強(qiáng)度，同時具有高沖擊韌性及高疲勞強(qiáng)度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼及其制造方法。在真空感應(yīng)爐溶煉精煉期終了，合金化以后，向鋼液中添加保證Ce含量為0.04～0.5％爐料重量的金屬鈰、鈰鐵合金及其它鈰合金，并使鈰在鋼中殘留0.0035～0.03％，使鋼質(zhì)凈化和晶粒細(xì)化，制造出一種抗張強(qiáng)度σb為200kgf·/mm
文檔編號C22C38/14GK1040626SQ8810609
公開日1990年3月21日 申請日期1988年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月22日
發(fā)明者萬成鍺, 王焰, 辛長華, 王一禾, 藩連芳, 邢淑蘭 申請人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院