[發明專利]具跨尺度多相原位增強效應的耐熱合金鋼及其微結構調控工藝

有效

• 申請號: 201510571796.0
• 申請日: 2015-09-09
• 公開（公告）號: CN105154788B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 王章忠;張保森;毛向陽;朱帥帥;巴志新;董強勝
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: C22C38/58
• 分類號: C22C38/58;C22C38/50;C21D8/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種具跨尺度多相原位增強效應的耐熱合金鋼成分及其微結構調控工藝，尤其涉及一種在高速、重載及高溫等極端苛刻工況條件下服役的耐熱合金鋼成分及其微結構調控工藝，屬于新金屬材料形變熱處理工藝技術領域。

背景技術

隨著科學與技術的發展，機械裝備逐漸朝著高速、重載等方向發展，其設計運行條件日益苛刻，對其物理、化學及力學等綜合性能提出了更高的要求。低碳(氮)合金鋼因其優異的耐磨、耐蝕、抗疲勞和強韌性及良好的儲熱、熱傳導與熱交換等特性，在改善和提高機械關鍵零部件服役效率及安全可靠性方面具有廣闊的應用前景。其核心技術除了合金鋼體系的優化設計、精練冶金工藝之外，還在于合金鋼微觀組織與結構的優化控制。

在鋼中添加微量的Ti、Nb、V及Mo等元素不僅能夠細化奧氏體和鐵素體晶粒，而且還能在晶界、位錯等缺陷處形成大量的納米析出相，可以在不損害鋼材塑性和韌性的條件下顯著的提高鋼材的強度。因此，如何充分發揮微合金元素在細化晶粒和析出強化方面的作用已成為高性能低碳微合金鋼研究的熱點方向。

目前，析出相的調控技術已成為國內外的研究熱點，通過合金成分及熱處理加工技術優化獲得板條內部、板條界、板條束界、晶區界和原奧氏體晶界上均勻分布的具有低粗化速率的納米MX(<50nm)碳氮化物的組織，該類析出相對位錯和界面的釘扎作用可以強化基體，MX相能夠得到明顯提升鋼材的持久強度。對于較大尺寸析出相位錯主要通過Orowan機制繞過這些析出相，100-200nm的析出相(M3C、M23C6、M7C3等)增加了位錯繞過面積，使得蠕變過程中亞晶?；虬麪顏喗Y構的位錯墻形成和銷毀的位置得到平衡，維持亞晶的高溫穩定性，從而提高材料高溫穩定性。日本JFE鋼鐵公司采用0.04％C-1.5％Mn-0.09％Ti-0.2％Mo成分體系，利用析出強化方式成功開發出1180MPa級汽車用板帶鋼，這類鋼的特征在于單一鐵素體基體上分布著大量尺寸約3nm的相間析出(Ti,Mo)C，沒有軟硬相的相界，具有高強度與高擴孔率。孫毅等人研究了控制冷卻方式生產過程中Nb-Ti微合金在鋼中析出行為，結果表明，通過避開900-950℃碳氮化物的快速析出溫度區間，并適當增加冷卻速度可以有效提高20nm以下的碳化物析出粒子的體積分數，顯著細化析出物尺寸，從而提高析出強化對屈服強度的貢獻。王澤民等人研究了Mo對Nb-Mo-V微合金化鋼中碳化物析出的影響，研究表明，回火過程中，Mo偏聚在碳化物外層抑制了Nb、V從鐵素體擴散至碳化物，并降低了基體中C和合金元素向碳化物擴散的速率，有效抑制了碳化物顆粒的長大。公開號為CN101906590A的專利文獻公開了一種具有納米析出相強化的奧氏體耐熱鋼及其制造方法，其制造方法為：將構成元素的原料經熔煉、熱加工和冷加工制成鋼件，然后進行最終熱處理。最終熱處理分兩步：第一步，固溶處理，將鋼件加熱到1170-1250℃，保持30-60min，然后水冷到室溫；第二步，退火處理，將經過固溶處理后的鋼件加熱到800-950℃，保持30-240min，然后空冷到室溫。該發明確保鋼在晶粒內部均勻分布有高密度的NbCrN型納米強化相，尺寸在20-60nm之間，每平方微米面積內納米強化相顆粒數在5-30個，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分數低于20％，高溫持久強度明顯提高，抗高溫腐蝕性能也好。可看出，該工藝過程復雜，產品中碳氮化合物種類、尺寸單一，其綜合力學性能尤其是高溫組織及力學性能難以滿足高速、重載及高溫等苛刻工況下的性能需求。本發明通過復合形變熱處理與調質處理相結合，利用原位自生超微細復合碳氮化物原理，合理調控碳氮化合物析出相尺寸及分布，完善材料組織結構，提升高溫組織及力學性能穩定性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠顯著改善合金鋼的強韌性、耐磨性、高溫組織穩定性及力學性能的具跨尺度多相原位增強效應的耐熱合金鋼成分；進一步地，本發明提供一種方法簡單、易于實現，所獲的增強相均為原位相變產物，彌散相間分布于鐵素體基體上，尺度為納米到亞微米的跨尺度復合的具跨尺度多相原位增強效應的耐熱合金鋼的微結構調控工藝。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：