一种2400MPA级高合金超高强度钢.pdf

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种2400MPa级高合金超高强度钢。其化学成分范围按重量计如下：C：0.20％～0.30％，Cr：1.0％～3.0％，Ni：9.5％～10.5％，Co：7.0％～9.0％，Mo：1.3％～2.0％，Al：1.3％～2.0％，Nb≤0.10％，La≤0.10％，余量为铁。本发明的高合金超高强度钢，抗拉强度≥2400MPa、屈服强度≥2100MPa，并具有良好的塑性和韧性。该钢可用作高强度结构零件，在飞机和发动机上具有广泛的用途。

1.  一种2400MPa级高合金超高强度钢，其特征是，化学成分范围按重量计如下：C：0.20％～0.30％，Cr：1.0％～3.0％，Ni：9.5％～10.5％，Co：7.0％～9.0％，Mo：1.3％～2.0％，Al：1.3％～2.0％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，Nb≤0.10％，La≤0.10％，余量为铁。

一种2400MPa级高合金超高强度钢
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种2400MPa级高合金超高强度钢。
背景技术
随着航空工业的发展，对结构件的轻量化要求越来越高，从而对超高强度钢提出了更高的要求，要求更高的强度、良好的塑性和韧性。目前在用的高合金超高强度钢中，以美国Carpenter公司开发的AerMet100钢综合性能最好，该钢具有2000MPa左右的抗拉强度和左右的优良断裂韧性。在AerMet100钢的基础上，美国Carpenter公司又发展了强度更高的AerMet310和AerMet340钢。AerMet340钢的实际抗拉强度可达到2379MPa，略高于340KSi(2343MPa)，但断裂韧性降低至AerMet系列的超高强度钢有一个共同的缺点，就是含有较多量的贵重元素Co，Co含量在14％以上，因而价格比较昂贵。美国QuesTek公司后来发展了M54钢，虽然在AerMet100钢的基础上降低了Co含量，但抗拉强度和AerMet100钢一样，只有2000MPa左右。
发明内容
本发明的目的是：研发一种抗拉强度≥2400MPa、屈服强度≥2100MPa，并且具有良好塑性和韧性的2400MPa级高合金超高强度钢。
本发明的技术方案是：2400MPa级高合金超高强度钢化学成分范围按重量计如下：C：0.20％～0.30％，Cr：1.0％～3.0％，Ni：9.5％～10.5％，Co：7.0％～9.0％，Mo：1.3％～2.0％，Al：1.3％～2.0％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，Nb≤0.10％，La≤0.10％，余量为铁。
上述高合金超高强度钢获得2400MPa以上抗拉强度的热处理制度如下：
淬火：900℃～1000℃，保温0.5h～2h，水冷、油冷或空冷；
冷处理：-50℃～-80℃，保温1h～3h，空气中回复至室温；
时效：520℃～560℃，保温3h～8h，空冷。
冷处理和时效可进行两次。
本发明具有的优点和有益效果是：本发明以Al、Mo联合强化，强化效果显著；本发明的超高强度钢其抗拉强度≥2400MPa、屈服强度≥2100MPa，比强度超过1300MPa级的高强度钛合金，同时具有良好的塑性和韧性，Co含量不超过9％，兼具良好的经济性，开辟了超高强度钢在航空领域的广阔用途。是目前强度最高的超 高强度钢。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
1)化学成分范围
本发明的高合金超高强度钢，其成分范围按重量计如下：C：0.20％～0.30％，Cr：1.0％～3.0％，Ni：9.5％～10.5％，Co：7.0％～9.0％，Mo：1.3％～2.0％，Al：1.3％～2.0％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，Nb≤0.10％，La≤0.10％，余量为铁。
以上各化学元素的作用如下：
C：主要强化元素，产生间隙固溶强化，形成合金碳化物Mo₂C，增加二次硬化峰值，获得高强度。随着C含量的增加，合金的强度提高，但韧性降低，并损伤焊接性能。因此C含量应控制在0.20％～0.30％。
Cr：提高耐蚀性，并有固溶强化作用，可取代Mo₂C中的Mo形成(Mo、Cr)₂C，促进二次硬化反应，降低Mo₂C的析出温度，提高过时效敏感性，降低抗回火能力。Cr含量超过3％，强度将下降。18Ni型马氏体时效钢因不含Cr，耐蚀性较差。因此Cr含量应控制在1.0％～3.0％。
Mo：主要强化元素，合金碳化物Mo₂C的形成元素，是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的提高，二次硬化峰升高，合金的强度提高，但过高的Mo含量将降低韧性。因此Mo含量应控制在1.3％～2.0％。
Ni：提高韧性元素，适量的Ni是钢获得高韧性的保证。但过高的Ni含量将增加钢中残余奥氏体的量，降低强度。因此Ni含量应控制在9.5％～10.5％。
Co：虽然Co不能和其他元素形成化合物，但其强烈促进二次硬化反应，促进Mo₂C细小弥散析出。此外，Co、Mo的共同作用可提高合金的强韧性。考虑到节约成本，Co含量控制在7％～9％。
Al：本合金的主要强化元素之一，和Ni形成NiAl相，与Mo₂C共同强化合金。随Al含量提高，形成更多的NiAl相，合金强度增加，但韧性降低。因此Al含量应控制在1.3％～2.0％。
Nb：细化晶粒元素，应控制在0.10％以下。
La：夹杂物改性元素，应控制在0.10％以下。
Si：杂质元素，降低韧性，应控制在0.10％以下。
Mn：杂质元素，降低韧性，应控制在0.10％以下。
合金中的其他杂质元素，如S、P等，降低韧性，应控制在较低的水平。
2)冶炼
本发明的高合金超高强度钢可采用真空感应、真空感应+电渣重熔或真空感应+真空电弧重熔等方法冶炼。
3)开坯锻造
本发明的高合金超高强度钢其开坯锻造可采用常规的锻锤、压力机、轧机等变形设备，锻造温度范围为1150℃～900℃。
4)热处理
本发明的高合金超高强度钢，获得2400MPa以上抗拉强度的热处理制度如下：
淬火：900℃～1000℃，保温0.5h～2h，水冷、油冷或空冷；
冷处理：-50℃～-80℃，保温1h～3h，空气中回复至室温；
时效：520℃～560℃，保温3h～8h，空冷。
冷处理和时效可进行两次。
实施例1：
首先采用真空感应炉熔炼25kg钢锭。钢锭扒皮并切除浇冒口后进行开坯锻造，锻造加热温度为1150℃，经二火锻成棒材。随后从棒材上取化学分析、拉伸、冲击试样。拉伸、冲击试样经淬火+冷处理+时效后测定拉伸性能、冲击韧性。
试样热处理制度如下：
淬火：900℃，保温1h，油冷；
冷处理：-70℃，保温2h，空气中回复至室温；
时效：540℃，保温5h，空冷。
试验结果见表1和表2。
表1化学成分(wt％)