[发明专利]低温回火马氏体超高强度钢

说明书

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种低温回火马氏体超高强度钢。适用于承受冲击载荷的零部件，特别是承受高速碰撞的部件。承受冲击载荷的零部件材料必须具有高的强度和韧性，还要求具有高的形变硬化指数，以提高材料的绝热剪切抗力。这种材料还要有低的屈强比，使其在高水平的抗拉强度时维持较低的屈服强度，以降低材料解理断裂的倾向。

背景技术

含C的马氏体超高强度钢在固溶淬火得到马氏体后，内应力较大，此时材料的韧性低，一般要经过回火才能使用。而不含C的马氏体超高强度钢在固溶淬火后得到的马氏体组织较软，强度不足，一般要经过回火生成弥散强化第二相才能提高强度。马氏体超高强度钢按照回火温度大致可分为两类：1. 低温回火，回火温度一般在200～300°C；2. 高温回火，回火温度一般≥450°C。表1是一些常见的马氏体超高强度钢的主要成分和力学性能。

表1一些常见的马氏体超高强度钢的主要成分和力学性能

由表1可看出，低温回火马氏体超高强度钢4340和300M等的主要缺点是断裂韧性较低。而高温回火马氏体超高强度钢，如18Ni系列和14Co-10Ni系列（HY180，AF1410，AerMet100）的屈强比偏高并含有较多的贵重元素Co，使它们的生产成本提高，不利于广泛使用。而Co含量较低的HP9-4-20和G90等，抗拉强度偏低，不能适应对材料强度要求更高的部件。

另外，上述两大类马氏体超高强度钢在成分上有显著的区别。低温回火钢中一般不含Co，Cr和Mo的含量较低，含有少量Ni，Si和Mn。而高温回火钢中，大多数含大量的Ni和Co，Cr和Mo的含量明显高于低温回火钢，但是Si和Mn含量极低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温回火马氏体超高强度钢，具有超高抗拉强度和高的断裂韧性、屈强比低和生产成本较低等优点。

根据本发明的目的，我们具体解决方案是，结合低温回火和高温回火马氏体超高强度钢的成分特点，在低温回火钢的基础上增加Ni和Co的含量，调整Si和Mn的量，并复合加入Nb和Ti控制晶粒尺寸。其具体的化学成分（wt.%）为：

C ：0.35—0.45%，Ni：3—6%，Co：2—5%，Si：1.5—2.5%，Mn：1.5—2.5%，Cr：0.5—1.25%，Mo：0.5—2.0%， Nb：0.01—0.05%，Ti：0.01—0.03%，同时要求：S≤0.005%，P≤0.005%，O≤20ppm，N≤20ppm，其余为Fe。

在本发明钢中化学成份设计的依据如下：

C是钢的主要强化元素之一，在低回火条件下与Fe、Mo、Cr等结合形成弥散分布的ε-碳化物。但过多的C会导致孪晶马氏体形成，造成断裂韧性和冲击韧性降低，并使焊接性能变差。C含量至少为0.35%，上限不超过0.45%。

Ni可以改变板条马氏体中螺位错芯的性质，从而提高位错的可动性，提高基体的韧性。同时Ni与Cr、Mo可保证钢所必须的淬透性。但是Ni含量过多导致强度下降。Ni含量至少为3.0%，上限不超过6.0%。

Cr 、Mo 主要作用是增加钢的淬透性，此外Mo还能提高钢的韧性。Cr含量在0.5～1.25%、Mo含量在0.5～2.0%范围内较为合适。

Ti、Nb 形成热稳定性高的(Ti, Nb)C相，在晶界弥散分布，钉扎晶界，防止合金在高温均匀化及固溶处理中晶粒粗化。Ti含量在0.01～0.03%、Nb含量在0.01～0.05%范围内较为合适。

Si 能延缓ε-碳化物向Fe₃C转变，并能阻止ε-碳化物粗化，能提高强度并减轻合金的回火脆性，使合金能在更宽的范围内回火，但加入过多则导致韧性下降。Si的含量至少为1.5%，上限不超过2.5%。

Mn 能促进残余奥氏体生成，可以提高合金的韧性，但造成强度的降低，此外Mn能提高合金的耐磨性能。Mn含量在1.5～2.5%范围内较为合适。

Co 的主要作用是降低C的溶解度，促进碳化物析出。Co还能增加基体的位错密度，防止位错在回火中发生回复，因此提高强度。但是Co价格贵，其加入量在2～5%范围内较为合适。

同时，为了获得良好的强韧性配合，必须严格控制杂质元素含量，其S和P均低于0.005%，O和N均不超过20ppm。