[发明专利]一种高强高韧不锈钢及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢的制造领域，特别提供了一种高强高韧不锈钢及制造方法，适用于制造核反应堆驱动机构用滚轮。

背景技术

核反应堆驱动机构用滚轮材料要求具有良好的耐蚀性能、抗冲击性能和耐磨性能，通常采用高强不锈钢制造。现有技术中，采用9Cr18高碳马氏体不锈钢和0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢用作滚轮材料，9Cr18高碳马氏体不锈钢的硬度很高，耐蚀、耐磨性能较好，但抗冲击能力较差；0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢主要依靠富铜相的强化，最高硬度可达到HRC=45，但此时对应的冲击值A_KU2≤12J，虽然可通过热处理调整强度、韧性，有较好的强度，但硬度比较低，耐磨性较差，同时材料的韧性非常低，虽然依靠回火产生的逆变奥氏体可大幅度提高韧性，但硬度显著降低；腔体材料(Y1Cr16Ni3Mo2CuN)主要依靠富铜相、Mo₂C的析出强化以及P的固溶强化，强韧性匹配适当，具有较好的综合性能，但冲击韧性还需要提高。1Cr16Ni3Mo1Cu1N材料同Y1Cr16Ni3Mo2CuN材料类似，也具有良好的强韧性匹配，但通过热处理很难将硬度提高到HRC48以上，目前核反应堆驱动机构用滚轮材料的力学性能要求：

室温：Rm≥1400MPa，R_P0.2≥1100MPa，A≥12%，Z≥40%，A_KU2≥72J，HRC≥48，350℃：Rm≥1000MPa，R_P0.2≥800MPa。

现有技术钢种的强韧性匹配尤其硬度与韧性的匹配并不能完全达到指标的要求，因此还需要进一步提升材料的强韧性匹配和组织稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高韧不锈钢及制造方法，通过对1Cr16Ni3Mo1Cu1N沉淀硬化不锈钢材料添加合金元素得到一种高强高韧马氏体不锈钢，并通过控制其冶炼、锻造、轧制以及热处理工艺来实现提高强度和韧性的方法。

本发明的高强高韧马氏体不锈钢化学成分按重量百分比为：C：0.13～0.19%、Si≤0.6%、Mn：0.6～1.0%、P≤0.01%、S≤0.01%、Ni：3.0～4.0%、Cr：15.0～16.0%、Mo：1.4～1.9%、Cu：1.0～2.0%、W：0.7～1.2%、V：0.2～0.6%、N：0.05～0.12，余量为Fe和不可避免的杂质

根据上述目的，本发明采用在1Cr16Ni3Mo1Cu1N沉淀硬化不锈钢的基础上，降低P的含量，调整Cu，Ni的含量，并添加W，V等合金元素，实现了通过合理的热处理制度显著提高室温强度和韧性的目的，并且同时具有良好的高温力学性能。

上述发明技术方案工艺原理如下：

P含量的降低可以提高钢的纯净度，改善韧性，降低回火脆性，但会降低材料的强度。

Ni是奥氏体相形成元素，扩大奥氏体稳定区，从而能够提高材料的韧性。但Ni含量过多，M_S点降低，冷却时会导致残余奥氏体的形成，使材料强度降低，因此马氏体时效不锈钢中Ni的含量一般控制在3～10%。

Cu含量的提高可以增加富铜相的含量，从而提高材料的强度，但铜含量过高，韧性会有明显下降。在1Cr16Ni3Mo1Cu1N不锈钢中Cu通过形成富Cu的纳米级析出物而使钢的高温持久强度提升，平衡考虑Cu的强化效果和对热加工性能以及韧性的影响，本发明控制Cu的含量在1.0～2.0之间。

W起固溶强化作用，同时还有促进MX型碳氮化物以纳米形式析出的作用，从而提高钢的强度；增加W含量，还可可增加残余奥氏体含量，提高韧性，但W含量过多会导致δ－铁素休形成，降低强度和韧性，因此W的含量控制在0.7～1.2%。

V是强碳化物形成元素，可形成MX型纳米碳氮化物强化相，提高钢的强度。其含量低于0.1%时，不足以在钢中形成高密度MX型纳米强化相，同时含量过高易成粗大碳氮化物，降低韧性，因此V含量控制在0.2～0.6%。

根据上述目的和工艺原理本发明的技术方案为：在1Cr16Ni3Mo1Cu1N基础上添加0.7～1.2%W、0.2～0.6%V、控制Cu含量在1.0～3.0%、Ni含量在3.0～4.0%、P含量小于0.01%。

本发明的制造工艺包括真空熔炼、锻造、热轧：采用真空感应＋电渣重熔工艺冶炼制备钢锭，在工艺中控制的技术参数为：