[发明专利]一种超高强度耐蚀结构钢

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别涉及一种超高强度耐蚀结构钢，其强度达到1800-1900Mpa，同时具有较高的韧性和耐蚀性。

背景技术

在现有技术中，随着科学技术发展和人类文明进步，开发具有超高强度的耐蚀性金属材料已成为必然的趋势和科技追求的目标。因为腐蚀不仅损失了材料、破坏构件表面，并使材料性能退化。根据2006年报导美国因材料腐蚀造成的直接损失为2790亿美元/年，相当于全国GDP的3.2％，如果考虑镀镉等表面处理成本、对环境的破坏等，材料腐蚀造成损失则更为惊人。

众所周知，强度超过1600MPa的钢主要采用低合金超高强度钢300M和18Ni的马氏体时效钢等钢种，这些钢虽然具有超高的强度、韧性也很好，但不含Cr元素，抗蚀性较差，以18Ni(300)的马氏体时效钢为例，断裂韧性在70-80MPa.m^1/2之间，但在3.5％盐水中下降到30MPa.m^1/2以下，因此这些钢作为结构材料在耐腐蚀环境中的使用越来越受到限制。而传统的沉淀硬化不锈钢如13-8Mo和17-4PH等虽然具有良好的耐蚀性，但强度偏低，最近美国研制的Ti强化Custom465马氏体时效不锈钢，抗蚀性很好，但强度不够高，低于18Ni(250)的马氏体时效钢，作为结构材料使用不够理想。其中表1为上述现有几种钢种的化学成分表。

表1 上述现有几种钢种的化学成分表

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、具有高断裂韧性的超高强度耐蚀结构钢。

根据上述目的，本发明整体的技术方案为：从目前18Ni(300)马氏体时效钢和马氏体时效不锈钢现状考虑(表1中列有18Ni(300)和Custom 465化学成份表)，通过控制Fe、Cr、Ni的成份配比，形成Fe-Ni-Cr系合金，并降低Mo、提高Ti，力求使强度高于马氏体时效不锈钢、抗拉强度接近18Ni(300)马氏体时效钢的水平，同时含有较高的Cr，抗蚀性远高于18Ni(300)马氏体时效钢。而从提高韧性的角度，通常马氏体时效不锈钢的Ni含量不超过11.25％，本发明将Ni含量最多提高到14.5％，有利于钢在保持高强度的同时，又具有良好的韧性。该发明钢不含昂贵金属元素Co，同时Ni和Mo含量也较低，因此原材料成本较低，应用前景广阔。

根据上述目的和技术方案，本发明具体的技术方案为：该钢化学组成成分为(质量％)：C≤0.02％，Si≤0.15％，Mn≤.15％，S≤0.01％，P≤0.01％，Cr8.0-10.0％，Ni11.5-14.5％，Mo0.5-2.5％，Ti1.0-2.0％，Al0.02-0.5％，余为Fe。

上述化学成分设计依据如下：

C视为杂质元素进行控制，因为C与Ti容易形成脆性夹杂物(Ti(C，))，损害钢的韧性，因此需将C控制在0.02％以内。

Ni是本发明钢重要合金元素之一，Ni既是强化析出相Ni₃Ti和Ni₃(Mo，Ti)的元素，又能增强马氏体基体交叉滑移能力、降低冷脆转变温度，但过高的Ni增加残余奥氏体含量，导致强度降低，同时也增加原材料成本，因此在考虑析出强化相Ni化学当量，并考虑在马氏体基体内残存一定量的Ni，将Ni控制在11.5-14.5％之间为宜。

Cr也是本发明钢重要的合金元素之一，Cr保证钢具有一定的抗蚀性，同时也能提高淬透性，并控制相变温度As、Ms等。但过高的Cr会导致形成铁素体，使钢的韧性下降，因此Cr宜控制在8.0-10.0％之间。

Mo、Ti是本发明钢的主要强化元素，Mo具有净化晶界、抑制脆化的作用，尤其是抑制热脆化，同时Mo具有时效硬化作用，但不含Co的情况下时效硬化作用较弱，因此Mo含量比传统的马氏体时效钢低；在不含Co的条件下Ti的时效强化作用仍很显著，强化析出相主要是Ni₃Ti。此外，Mo的市场价格较高，而Ti的市场价格较低，因此低Mo含量、高Ti含量使钢的性价比提高。但过高的Mo、Ti均损失韧性，尤其是Ti。因此综合考虑后，Mo和Ti分别控制在：Mo 0.5-2.5％；Ti 1.0-2.0％。

Al也是本发明钢的主要强化元素，Al使钢的马氏体基体有序化，即形成NiAl、Ni₂(Al，Ti)等有序相，这均有明显的强化作用，同时Al有保护Ti的作用，但过高的Al对钢的韧性有较大的损害，因此控制在0.02-0.5％。