CN117867394A - 一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢及其制备方法，其组成按质量百分比数为：C≤0.07%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、S≤0.03%、P≤0.04%、Cr：15%~17.5%、Ni：3.0%~5.0%、Nb：0.15%~0.45%、Cu：3.0%~5.0%、Mo：0.6%～1.9%，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明在0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢中加入Mo元素，并利用Mo、Cu合金化固溶强化及Mo和Cr的配合作用，结合适当热处理，获得具有优异力学性能和耐腐蚀性能的马氏体不锈钢，所得马氏体不锈钢兼具高强度、高硬度和强耐腐蚀性能，应用范围广，具有重要的工程应用价值和显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢金属材料领域，具体涉及一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
不锈钢根据本身特性及工作环境分类众多，与奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比，马氏体不锈钢具有更高的强度、良好的力学性能和高温抗氧化性能。在温度不高的大气、水和弱腐蚀介质中，表现出良好的耐腐蚀性能。以0Cr17N4Cu4Nb不锈钢为代表的马氏体沉淀硬化不锈钢在工业应用中越来越广，该类钢种主要用于制造发动机转子、涡轮机叶片、医疗器械、管道阀门、高强度螺栓、弹簧等零配件，同时随着性能的不断提高，在航空航天以及军事等尖端领域的应用也日益广泛。因此，0Cr17N4Cu4Nb作为工程中应用最多的马氏体不锈钢之一，进一步提升该类不锈钢的强度及耐腐蚀性能，在保证生产安全、服役于恶劣环境以及拓宽马氏体不锈钢应用领域等方面具有深远意义。
合金化是通过向指定母材中加入合金元素，使其成为（在一定的工艺条件下）具有预期性能合金的一种方法，常用以改变材料性能。这种技术可以显著提高材料的硬度、强度、韧性和耐腐蚀性等性能，目前已广泛应用于汽车、航空、船舶、军工等领域的材料研发制备中。现有合金化在马氏体不锈钢中的应用实例如下：“一种稀土型0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢及其制备方法”（CN 104357753B），通过向0Cr17Ni4Cu4Nb中加入Re进行合金化，通过Re元素的硫氧化物改变了钢中氧化物和硫化物形态、大小及分布，对钢的性能产生了非常有利的影响；“一种马氏体时效钢及其制备方法”（CN117026097B），通过利用Mn元素作为主要强化元素，通过合理的合金成分设计和深冷处理、时效处理等制备工艺优化，实现了高强韧性马氏体时效钢的制备；“钼合金化的高强度高塑性高碳TWIP钢及其制备方法”（CN104561770B），在Fe-Mn-C系TWIP钢的基础上，把Mo作为合金元素加入钢中，使得高碳TWIP钢的铸态组织中不会产生碳化物，无需经过固溶处理而可直接进行热轧或冷轧加工，使母材具有优良的力学性能和塑性；“高耐腐蚀性沉淀硬化马氏体不锈钢”（CN101892430B），公开了一种马氏体不锈钢，严格控制了其中Cu的含量在2%以下，并研究了其时效后的材料性能。
鉴于Mo、Cu合金化固溶强化及其和Cr的配合可提高耐腐蚀性能作用，使材料获得优异的力学性能和耐腐蚀性能，本发明通过往0Cr17N4Cu4Nb中添加Mo元素，并通过适当温度及时间的热处理，显著提高了其力学性能及耐腐蚀性能，对于提高马氏体钢产品质量，进一步研究Mo在马氏体不锈钢中的应用及其对钢本身性能的影响具有重要的理论与实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢及其制备方法，其所得马氏体不锈钢兼具高强度、高硬度和强耐腐蚀性能，可实现更高的工程应用价值和经济效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢，按质量百分数之和为100%计，所述马氏体不锈钢的组成及各组成所占质量百分数为：C≤0.07%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、S≤0.03%、P≤0.04%、Cr：15%~17.5%、Ni：3.0%~5.0%、Nb：0.15%~0.45%、Cu：4.0%~5.0%、Mo：0.6%～1.8%，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述钼铜复合强化的马氏体不锈钢的制备方法包括以下步骤：
（1）将所需工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍、铌铁以及钼铁和纯铜先进行除油、除气、除锈以及干燥处理；
（2）往中频感应炉的坩埚中依次加入各原料，加热进行熔化；
（3）将步骤（2）熔化得到的不锈钢溶液进行浇注；
（4）将步骤（3）浇注后得到的合金进行空冷后，经固溶、水淬，得到所述钼铜复合强化的马氏体不锈钢。
进一步地，步骤（1）中所用金属铬的含铬量不低于99%；所用金属锰的含锰量不低于99%；所用金属镍的含镍量不低于99%；所用铌铁中含铌量不低于65%；所用钼铁中含钼量不低于60%；所述纯铜的含铜量不低于99.5%。
进一步地，步骤（2）熔化过程中，当不锈钢溶液温度达到1610~1680℃时，对不锈钢溶液进行脱氧处理和除渣处理。
更进一步地，所述脱氧处理中硅钙锰脱氧剂的加入量为所加入原料总质量的0.3-0.4%。
进一步地，步骤（3）浇注前需对所用熔模模壳进行适当的除气除水处理并进行保温预热处理，以防止浇注时的开裂现象；其保温预热处理的温度约为700℃。
进一步地，步骤（3）所述浇注的温度不高于1680℃。
进一步地，步骤（4）所述固溶处理的温度为1040℃，时间2h。
Mo能细化晶粒，提高韧性、耐回火性和淬透性。同时Mo和C的亲和力强，能形成细小弥散的MoC和多元碳化物M6C、M23C6，这可增加回火时效稳定性和二次硬化效应，提高钢的强度和裂纹抗力。同时，Mo和Cu存在固溶强化作用，即可形成间隙或替换原子，造成晶格畸变，提高位错移动的阻力，从而提高马氏体不锈钢的强度硬度。此外，Mo能促进Cr的钝化作用，能有效抑制氯离子对钢的点腐蚀倾向，提高抗晶间腐蚀的能力。在马氏体不锈钢中加入Cu，能提高钢在盐酸和硫酸中的耐蚀性，进一步提高耐应力及腐蚀能力。
本发明的有益效果在于：
本发明利用Mo和Cu的复合作用，并通过适当温度及时间的固溶处理，使所得马氏体不锈钢兼具高强度、高硬度和强耐腐蚀等性能，应用范围广，且其制备方法简单，具有重要的工程应用价值和显著的经济效益。
附图说明
图1为实施例2所得固溶态试样的组织金相图。
图2为对比例所得固溶态试样的组织金相图。
图3为实施例1~3及对比例所得固溶态试样的抗拉强度、延伸率对比图。
图4为实施例1~3及对比例所得固溶态试样的硬度对比图。
图5为实施例1~3及对比例所得固溶态试样的腐蚀电流密度对比图。
具体实施方式
一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢，其制备包括以下步骤：
（1）将所需工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍、铌铁以及钼铁和纯铜先进行除油、除气、除锈以及干燥处理；
（2）往中频感应炉的坩埚中依次加入各原料，加热进行熔化；熔化过程中，当不锈钢溶液温度达到1610~1680℃时，对不锈钢溶液进行脱氧处理，加入的硅钙锰脱氧剂的量为原料总质量的0.3-0.4%；脱氧完毕后对不锈钢溶液进行除渣处理；
（3）将步骤（2）熔化得到的不锈钢溶液进行浇注；浇注前对不锈钢溶液测温；浇注所用熔模模壳在浇注前要进行适当的除气除水处理并进行保温预热处理，以防止浇注时的开裂现象；其保温预热处理的温度约为700℃；浇注温度不得高于1680℃；
（4）将步骤（3）浇注后得到的合金空冷至室温后，经1040℃固溶2h后进行水淬，得到钼铜复合强化的马氏体不锈钢。
其中，步骤（2）中加入的各原料质量分数为：含铬量不低于99%的金属铬15~18%、含锰量不低于99%的金属锰0.5~2%、含镍量不低于99%的金属镍3~5%、含铌量不低于65%的铌铁0.1~0.1%、含钼量不低于60%的钼铁0.5~3%、含铜量不低于99.5%的纯铜3~5%，其余炉料为工业纯铁，上述原料的质量百分数之和为100%。
按质量百分数之和为100%计，所得马氏体不锈钢的组成及各组成所占质量百分数为：C≤0.07%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、S≤0.03%、P≤0.04%、Cr：15%~17.5%、Ni：3.0%~5.0%、Nb：0.15%~0.45%、Cu：4.0%~5.0%、Mo：0.6%～1.8%，其余为Fe和不可避免的杂质。
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例：
以工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍、铌铁以及钼铁和纯铜为原料，用中频感应炉熔炼马氏体不锈钢钢液，并将所得马氏体不锈钢钢液浇注到熔模模壳中空冷至室温后，进行清砂处理，切除铸件浇帽口，切割成实验所需试样，再经1040℃固溶2h后进行水淬。所得马氏体不锈钢的化学成分如表1所示。
表1：不同试样的化学成分
性能测试：将材料采用国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分:室温试验方法》加工成标准拉伸试样，采用万能拉伸试验机，对标准拉伸试样进行抗拉强度和延伸率测试；采用THV-1MDTe 型号硬度计，测试不同材料的硬度；采用德国普林斯顿电化学工作站，测试不同材料在模拟人工海水腐蚀环境中的Tafel曲线，获得固溶态试样的抗拉强度、延伸率、硬度及腐蚀电流密度。结果如表2所示。
表2 不同试样的抗拉强度、延伸率、硬度及腐蚀电流密度对比表
从表2可以看出，Mo的添加对基体综合性能有一定的提升作用，当添加Mo含量为1.1%时，抗拉强度可提升至1012.7MPa，而继续添加Mo则抗拉强度出现降低现象。延伸率随Mo含量的增加而变大，当添加Mo含量为1.9%时，延伸率由2.5%提升至11.1%，提升速度显著。硬度随Mo含量的增加先升后降，Mo含量为1.1%时达到最大值388.9HV。腐蚀电流密度随Mo含量的增加先减小后增大，即耐蚀性能先提高后降低，Mo含量为1.1%时，腐蚀电流密度达到最小值4.6367×10-6 icorr/A·cm-2，耐蚀性能最优。
图1、2分别为实施例2及对比例所得固溶态试样的组织金相图。从图1、2对比可以看出，含有Mo、Cu两种元素的试样晶粒尺寸比仅含Cu的试样晶粒尺寸更细小，组织更均匀，强化作用更强。
图3、4分别为实施例1~3及对比例所得固溶态试样的抗拉强度、延伸率对比图及硬度对比图。由图可见，含有Mo、Cu两种元素的试样比仅含Cu元素的试样的力学性能更好。
图5为实施例1~3及对比例所得固溶态试样的腐蚀电流密度对比图。从图中可以看出，含有Mo、Cu两种元素的试样的击穿电位较仅含Cu元素的试样更高，腐蚀电流密度更小，表明其耐蚀性能比更好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种钼铜复合强化的马氏体不锈钢，其特征在于：按质量百分数之和为100%计，所述马氏体不锈钢的组成及各组成所占质量百分数为：C≤0.07%、Si≤1.0%、Mn≤1.0%、S≤0.03%、P≤0.04%、Cr：15%~17.5%、Ni：3.0%~5.0%、Nb：0.15%~0.45%、Cu：4.0%~5.0%、Mo：0.6%～1.8%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的钼铜复合强化的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）往中频感应炉的坩埚中依次加入工业纯铁、金属铬、金属锰、金属镍、铌铁以及钼铁和纯铜，加热进行熔化；
（2）将步骤（1）熔化得到的不锈钢溶液进行浇注；
（3）将步骤（2）浇注后得到的合金进行空冷后，经固溶、水淬，得到所述钼铜复合强化的马氏体不锈钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所用金属铬的含铬量不低于99%；所用金属锰的含锰量不低于99%；所用金属镍的含镍量不低于99%；所用铌铁中含铌量不低于65%；所用钼铁中含钼量不低于60%；所述纯铜的含铜量不低于99.5%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）熔化过程中，当不锈钢溶液温度达到1610~1680℃时，对不锈钢溶液进行脱氧处理和除渣处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述脱氧处理中硅钙锰脱氧剂的加入量为所加入原料总质量的0.3-0.4%。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述浇注的温度不高于1680℃。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述固溶处理的温度为1040℃，时间2h。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119020704A (zh) * | 2024-08-20 | 2024-11-26 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种高强度高耐蚀超级马氏体不锈钢、制备方法与应用 |
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