[发明专利]具跨尺度多相原位增强效应的耐热合金钢及其微结构调控工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种具跨尺度多相原位增强效应的耐热合金钢成分及其微结构调控工艺，尤其涉及一种在高速、重载及高温等极端苛刻工况条件下服役的耐热合金钢成分及其微结构调控工艺，属于新金属材料形变热处理工艺技术领域。

背景技术

随着科学与技术的发展，机械装备逐渐朝着高速、重载等方向发展，其设计运行条件日益苛刻，对其物理、化学及力学等综合性能提出了更高的要求。低碳(氮)合金钢因其优异的耐磨、耐蚀、抗疲劳和强韧性及良好的储热、热传导与热交换等特性，在改善和提高机械关键零部件服役效率及安全可靠性方面具有广阔的应用前景。其核心技术除了合金钢体系的优化设计、精练冶金工艺之外，还在于合金钢微观组织与结构的优化控制。

在钢中添加微量的Ti、Nb、V及Mo等元素不仅能够细化奥氏体和铁素体晶粒，而且还能在晶界、位错等缺陷处形成大量的纳米析出相，可以在不损害钢材塑性和韧性的条件下显著的提高钢材的强度。因此，如何充分发挥微合金元素在细化晶粒和析出强化方面的作用已成为高性能低碳微合金钢研究的热点方向。

目前，析出相的调控技术已成为国内外的研究热点，通过合金成分及热处理加工技术优化获得板条内部、板条界、板条束界、晶区界和原奥氏体晶界上均匀分布的具有低粗化速率的纳米MX(<50nm)碳氮化物的组织，该类析出相对位错和界面的钉扎作用可以强化基体，MX相能够得到明显提升钢材的持久强度。对于较大尺寸析出相位错主要通过Orowan机制绕过这些析出相，100-200nm的析出相(M3C、M23C6、M7C3等)增加了位错绕过面积，使得蠕变过程中亚晶粒或胞状亚结构的位错墙形成和销毁的位置得到平衡，维持亚晶的高温稳定性，从而提高材料高温稳定性。日本JFE钢铁公司采用0.04％C-1.5％Mn-0.09％Ti-0.2％Mo成分体系，利用析出强化方式成功开发出1180MPa级汽车用板带钢，这类钢的特征在于单一铁素体基体上分布着大量尺寸约3nm的相间析出(Ti,Mo)C，没有软硬相的相界，具有高强度与高扩孔率。孙毅等人研究了控制冷却方式生产过程中Nb-Ti微合金在钢中析出行为，结果表明，通过避开900-950℃碳氮化物的快速析出温度区间，并适当增加冷却速度可以有效提高20nm以下的碳化物析出粒子的体积分数，显著细化析出物尺寸，从而提高析出强化对屈服强度的贡献。王泽民等人研究了Mo对Nb-Mo-V微合金化钢中碳化物析出的影响，研究表明，回火过程中，Mo偏聚在碳化物外层抑制了Nb、V从铁素体扩散至碳化物，并降低了基体中C和合金元素向碳化物扩散的速率，有效抑制了碳化物颗粒的长大。公开号为CN101906590A的专利文献公开了一种具有纳米析出相强化的奥氏体耐热钢及其制造方法，其制造方法为：将构成元素的原料经熔炼、热加工和冷加工制成钢件，然后进行最终热处理。最终热处理分两步：第一步，固溶处理，将钢件加热到1170-1250℃，保持30-60min，然后水冷到室温；第二步，退火处理，将经过固溶处理后的钢件加热到800-950℃，保持30-240min，然后空冷到室温。该发明确保钢在晶粒内部均匀分布有高密度的NbCrN型纳米强化相，尺寸在20-60nm之间，每平方微米面积内纳米强化相颗粒数在5-30个，在晶界上分布的M23C6型碳化物占晶界面积的百分数低于20％，高温持久强度明显提高，抗高温腐蚀性能也好。可看出，该工艺过程复杂，产品中碳氮化合物种类、尺寸单一，其综合力学性能尤其是高温组织及力学性能难以满足高速、重载及高温等苛刻工况下的性能需求。本发明通过复合形变热处理与调质处理相结合，利用原位自生超微细复合碳氮化物原理，合理调控碳氮化合物析出相尺寸及分布，完善材料组织结构，提升高温组织及力学性能稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够显著改善合金钢的强韧性、耐磨性、高温组织稳定性及力学性能的具跨尺度多相原位增强效应的耐热合金钢成分；进一步地，本发明提供一种方法简单、易于实现，所获的增强相均为原位相变产物，弥散相间分布于铁素体基体上，尺度为纳米到亚微米的跨尺度复合的具跨尺度多相原位增强效应的耐热合金钢的微结构调控工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：