[发明专利]纳米/超细晶结构超高强塑性奥氏体不锈钢及制备方法

说明书

一种纳米/超细晶结构超高强塑性奥氏体不锈钢及制备方法，属于超高强塑性合金钢生产领域。原材料化学成分为：C 0.08‑0.15％；Si 0.35‑0.75％；Mn 7.5‑10％；Cu 0.5‑0.9％；Ni 1‑1.5％；Cr 14‑16％；N 0.1‑0.25％；P≤0.06％；S≤0.03％，其余为铁及不可避免的杂质。在真空感应炉熔炼后，进行铸坯锻造，锻件热轧，固溶处理后再进行两次冷轧退火，利用应变诱导马氏体的逆转变和变形奥氏体的再结晶，获得纳米/超细晶复合组织。通过细晶强化、背应力强化、形变诱导孪生效应和形变诱导马氏体效应来综合实现不锈钢的超高强塑性。本发明制备的不锈钢具有非常突出的综合力学性能，其屈服强度高达1150～1320MPa，是其原始固溶状态的3.2～4.5倍，抗拉强度高达1350～1440MPa，延伸率仍然具有39.2～47.3％的较高水平，而且成本较低，制备方法简单可行。

技术领域

本发明属于超高强塑性合金钢生产领领域，涉及一种纳米/超细晶结构超高强塑性奥氏体不锈钢及制备方法。

背景技术

磷酸钙和生物活性玻璃作为常用的生物医学骨骼材料，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，导致其应用受限。而奥氏体不锈钢由于无磁性、耐腐蚀及易成型性已广泛应用于人工关节等生物医学材料。例如：2017年10月发表在《金属学报》第53卷，第10期，1311-1316页，“医用无镍不锈钢的研究与应用”和2013年1月发表在《金属热处理》第38卷，第1期，15-20页，“低镍和无镍奥氏体不锈钢的研究现状及进展”。但传统医用不锈钢与磷酸钙和生物活性玻璃相比，其生物相容性仍然较为逊色。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微米/纳米级晶粒复合结构，由于钢中200nm以下的纳米晶粒有利于提高细胞活力促进骨脂蛋白形成，0.5-2μm范围的微米晶粒(超细晶)有利于增强细胞黏着力，刺激代谢活动，这就使得具有纳米/超细晶复合结构的奥氏体的不锈钢具有比传统的医用粗晶(几微米到几十微米)组织不锈钢具备更好的人体组织相容性。

显微组织细化可以显著提高材料的强度，英国剑桥大学Bhadeshia等人基于贝氏体相变理论，设计了一种在200℃以下发生贝氏体转变的高碳钢。可将贝氏体板条尺寸细化到纳米级,使钢的强度达到2500MPa级。我国的973项目“高性能钢的组织调控理论与技术基础研究”就是采用“多相”、“多尺度”、“亚稳”实现组织的精细调控(M3组织)，从而达到组织的Nano化和强度的Giga化。但是，纳米晶材料虽然具有很高的强韧性，其加工硬化能力和均匀延伸率却明显降低，尤其是晶粒尺寸降至100nm以下时，均匀延伸率较原始材料显著降低，许多纳米晶材料甚至在拉伸变形过程的弹性阶段就已经达到它们的断裂应力，这严重限制了其作为结构材料的应用。

为了解决纳米晶延伸率不足的问题，王银民教授等利用低温轧制+瞬时退火的方法获得了微米和纳米晶粒尺寸双峰分布的纯Cu，其延伸率高达65％。传统的商用奥氏体不锈钢的组织晶粒尺寸在10-30μm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。基此思路，可以通过应变逆转变及变形奥氏体再结晶的方式获得纳米/超细晶复合结构的奥氏体不锈钢材料。

发明内容

本发明目的在于针对成分设计，结合实际生产，在Mn-Cr系奥氏体不锈钢成分体系中降Ni提N，然后通过两次冷轧退火，每次冷变形后都有意保留20％左右的奥氏体。一方面防止冷变形量过大导致剧烈的加工硬化而使得实际生产难易实现，另一方面，残余奥氏体在随后的退火过程中会发生再结晶而转变为微米或者亚微米级超细晶组织。之后通过控制加热速率、加热温度、保温时间、冷却速率，获得具有纳米/超细晶复合结构的超细奥氏体组织。材料的强韧性得到同步提高。屈服强度高到1150～1320MPa，抗拉强度高达1350～1440MPa，延伸率为39.2～47.3％。通过本发明提供一种纳米/超细晶结构超高强塑性奥氏体不锈钢的生产方法，尤其解决传统工业生产的奥氏体不锈钢强度偏低和生物相容性差的问题。