具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金鋼成分及其微結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金鋼成分及其微結(jié)構(gòu)調(diào)控 工藝，尤其設(shè)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(jié)構(gòu)調(diào)控工藝，屬于新金屬材料形變熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機械裝備逐漸朝著高速、重載等方向發(fā)展，其設(shè)計運行條 件日益苛刻，對其物理、化學(xué)及力學(xué)等綜合性能提出了更高的要求。低碳（氮）合金鋼因其 優(yōu)異的耐磨、耐蝕、抗疲勞和強初性及良好的儲熱、熱傳導(dǎo)與熱交換等特性，在改善和提高 機械關(guān)鍵零部件服役效率及安全可靠性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其核屯、技術(shù)除了合金鋼 體系的優(yōu)化設(shè)計、精練冶金工藝之外，還在于合金鋼微觀組織與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制。
[0003] 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W在不損害鋼材塑性和初性的條件 下顯著的提高鋼材的強度。因此，如何充分發(fā)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。
[0004] 目前，析出相的調(diào)控技術(shù)已成為國內(nèi)外的研究熱點，通過合金成分及熱處理加工 技術(shù)優(yōu)化獲得板條內(nèi)部、板條界、板條束界、晶區(qū)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W強化 基體，^?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^owan 機制繞過運些析出相，100-200皿的析出相（M3C、M23C6、M7C3等）增加了位錯繞過面積， 使得蠕變過程中亞晶粒或胞狀亞結(jié)構(gòu)的位錯墻形成和銷毀的位置得到平衡，維持亞晶的高 溫穩(wěn)定性，從而提高材料高溫穩(wěn)定性。日本J陽鋼鐵公司采用0. 04%C-1. 5%Mn-O. 09% Ti-O. 2%Mo成分體系，利用析出強化方式成功開發(fā)出IlSOMPa級汽車用板帶鋼，運類鋼的 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(chǎn)過程中Nb-Ti微合金在 鋼中析出行為，結(jié)果表明，通過避開900-950°C碳氮化物的快速析出溫度區(qū)間，并適當(dāng)增加 冷卻速度可W有效提高20nmW下的碳化物析出粒子的體積分?jǐn)?shù)，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佩、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(gòu)成元素的原料經(jīng)烙煉、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°C， 保持30-60min，然后水冷到室溫；第二步，退火處理，將經(jīng)過固溶處理后的鋼件加熱到 800-950°C，保持30-240min，然后空冷到室溫。該發(fā)明確保鋼在晶粒內(nèi)部均勻分布有高密度 的佩化N型納米強化相，尺寸在20-60nm之間，每平方微米面積內(nèi)納米強化相顆粒數(shù)在5-30 個，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面積的百分?jǐn)?shù)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(fù)雜，產(chǎn)品中碳氮化合物種類、尺寸單一，其 綜合力學(xué)性能尤其是高溫組織及力學(xué)性能難W滿足高速、重載及高溫等苛刻工況下的性能 需求。本發(fā)明通過復(fù)合形變熱處理與調(diào)質(zhì)處理相結(jié)合，利用原位自生超微細復(fù)合碳氮化物 原理，合理調(diào)控碳氮化合物析出相尺寸及分布，完善材料組織結(jié)構(gòu)，提升高溫組織及力學(xué)性 能穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠顯著改善合金鋼的強初性、耐磨性、 高溫組織穩(wěn)定性及力學(xué)性能的具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金鋼成分；進一步地， 本發(fā)明提供一種方法簡單、易于實現(xiàn)，所獲的增強相均為原位相變產(chǎn)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(fù)合的具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金 鋼的微結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金鋼成分，其特征在于：包括W下質(zhì)量百分 數(shù)wt% 的合金元素：C:0. 20 ~0. 45,Mn:1. 0 ~2. 0,Cr:2. 0 ~4. 0,Ni:1. 5 ~3. 0,Ti: 0. 3 ~0. 8,Mo:0.Ol~0. 1，Cu:0. 2 ~0. 8,N:0. 005 ~0. 015,RE:0.OOl~0. 008,P: 《0. 005,S:0.005~0.01 ;還包括V、佩中的任意一種或兩種，V和佩含量總和為0.05~ 0. 3 ;余量為化及不可避免的雜質(zhì)。
[0008] V和佩的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為V:0. 02~0. 15wt%，Nb:0.Ol~0. 15wt%。
[0009] 前述的合金元素經(jīng)精煉社制而成耐熱合金鋼。
[0010] 具跨尺度多相原位增強效應(yīng)的耐熱合金鋼的微結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝，其特征在于：包括 W下步驟：
[0011] Sl、將耐熱合金鋼試加熱至1100~1200°C使其奧氏體化，除Ti的碳、氮化物外， 其余合金元素完全固溶于奧氏體中，然后空冷至950~1050°C進行高溫預(yù)變形，變形量為 15%~35%，變形速率為0. 1/s~0. 8/s，高溫預(yù)變形后形成Ti、Nb的碳化物、氮化物或碳 氮化物增強的形變奧氏體組織；
[0012] S2、將Sl中的形變奧氏體組織空冷至850~900°C進行多道次變形，控制各道次的 時間間隔為80~900s并及時加熱補溫，變形總量為20%~60%，變形速率為0. 2/s~1/ S，多道次變形后形成Ti、Nb、V的碳化物、氮化物或碳氮化物彌散強化的形變鐵素體組織， 并至冷至室溫；
[0013] S3、對S2中的形變鐵素體組織進行調(diào)質(zhì)處理，澤火溫度為870~890°C，保溫時間 為0. 5~2小時，水冷至室溫；回火溫度為550~650°C，回火時間為1~地，空冷至室溫。
[0014] 所述形變奧氏體組織和形變鐵素體組織均為原位相變產(chǎn)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(fù)合；納米尺度增強相包括MX型碳、氮化物的多 種組合，其尺寸為3~50nm;亞微米尺度增強相包括Me3C、Me23C6、Me7C3、Me2C和MeC型 碳氮化合物的組合，其尺寸為100~300皿;M代表合金元素中的金屬元素Ti、佩、V和Mo， X代表碳元素或氮元素，C代表碳元素，Me代表合金元素中的金屬元素化、化、Mo。
[001引所述MX型碳、氮化物的多種組合包括TiN、TiC、NbC、NbN、Ti把腳、Nb把腳、VN、VC、V把腳、（Ti,Mo)C、（Ti,Mo)N或（Ti,Mo)把腳。
[0016] 所述多道次變形的次數(shù)為至少3次。
[0017] 所述形變奧氏體組織和形變鐵素體組織的形變均是在智能控制多功能鍛社設(shè)備 上進行的，加熱、輸送、變形及工藝參量均通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)。
[0018] 所述加熱均是采用感應(yīng)加熱方式，感應(yīng)加熱方式的加熱效率高、控溫精確、試件氧 化和變形程度小。
[0019] 工藝包括S個過程：（1)將低碳合金鋼試樣加熱至1100~1200°c使其完全奧氏體 化，使除Ti的碳、氮化物外的其它合金元素充分固溶于奧氏體中，隨后進行高溫預(yù)變形處 理，誘導(dǎo)Ti、Nb的碳、氮化物析出，抑制晶粒長大，為其它合金碳、氮化物及鐵素體的析出提 供相變驅(qū)動力和熱力學(xué)與動力學(xué)條件；（2)對高溫預(yù)變形試樣在較低溫度下進行多道次變 形，獲得鐵素體基體上彌散分布大量細小合金碳、氮化物的顯微組織；（3)對復(fù)合形變熱處 理后的樣品進行調(diào)質(zhì)處理，消除組織應(yīng)力、先共析鐵素體并均勻細化組織，原位形成納米和 亞微米復(fù)合尺度碳氮化物增強的顯微組織。該工藝簡單、易于實現(xiàn)，能夠顯著改善合金鋼的 強初性、耐磨性、高溫組織穩(wěn)定性及力學(xué)性能。
[0020] 本發(fā)明原理如下：
[0021] 對于耐熱合金鋼，合金碳、氮化物的種類、尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)及分布是決定其綜合力 學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。本發(fā)明通過形變熱處理和常規(guī)熱處理參量對其溶解、沉淀和析出 行為進行調(diào)整控制。當(dāng)原料加熱至1100~1200°c時，因溫度過高易導(dǎo)致奧氏體晶粒的快速 長大。本發(fā)明中利用Ti的碳、氮化物析出溫度很高（1000~1429°C)且尺寸較細小（2~ IOnm)的特點，將其作為穩(wěn)定存在的高溫析出化并根據(jù)其擴散激活能較高的特點，通過保 溫時間的優(yōu)化控制，滿足Ti的長程擴散形成細小的Ti的碳、氮化物，W阻止奧氏體晶粒的 長大。
[0022] 奧氏體化后的耐熱合金