[发明专利]一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法

说明书

本发明涉及材料技术领域，具体为一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。该不锈钢的制备方法如下：(1)在1150～1250℃保温一段时间后，快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体；(2)对纳米板条前驱体在温度为880～960℃，应变速率为0.5～2s^‑1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％，使纳米板条前驱体转变为纳米晶结构；(3)对纳米晶进行液氮深冷处理，并在460～500℃时效4h。本发明所制备的纳米晶不锈钢具有超高的强度、良好的塑韧性和优异的耐腐蚀性能，可广泛用于制备各类刃具、模具、汽轮机叶片、滚动轴承和耐磨医疗器械等器件。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体为一种高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法。

背景技术

随着经济和社会的飞速发展，传统不锈钢材料的性能逐渐难以满足各行各业的需要，亟需开发具有更高性能的新型不锈钢材料。人们尝试通过提高碳和铬的含量，以提高不锈钢材料的硬度及耐磨性能。然而，随着材料强度的提升，其塑性和耐蚀性能显著降低，这一瓶颈问题始终无法妥善解决，导致传统不锈钢材料的发展长期陷于停滞状态。

与粗晶钢铁材料相比，纳米晶钢铁材料具有更高的强度与塑性、较大的疲劳强度、高温超塑性等优异的综合力学性能，同时它还具有良好的耐蚀性能以及诸多独特的物理化学性能，这些在实际应用中极具吸引力，发展纳米晶不锈钢为传统不锈钢的性能优化开辟了一个新途径。

目前，块体纳米晶金属材料的制备主要是通过大塑性变形(SPD)法来实现的。常见的大塑性变形法包括等通道转角挤压(ECAP)、累积复合轧制(ARB)、多向锻造(MF)和高压扭转(HPT)等，这些方法均需要依靠大功率设备及昂贵的模具，所制备材料的尺寸也较小，无法满足规模化工业生产的需要。为此，本发明提供了一种新型纳米晶不锈钢及其制备方法，通过常规热轧制变形即可实现纳米晶不锈钢的制备，为传统不锈钢材料的发展带来新的基础与机遇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米晶不锈钢，为实现上述目标，本发明的技术方案是：

一种纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢，按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C:0.3～0.5；Cr:15.0～18.0；Co:3.0～5.0；Mo:0.5～1.5；W:1.5～2.5；Nb:0.03～0.05；Ce:0.01～0.03；Mn＜0.15余量为Fe。部分元素的优选范围是：C：0.35～0.43；Cr：15.8～17.0；Co：3.5～4.2；Mo：0.8～1.1；W：1.8～2.1。

本发明所述的纳米晶不锈钢的制备方法为：采用真空感应炉，获得原材料铸锭，铸锭修磨后经过1200℃以上开坯锻造、精锻加工成坯。

对精锻加工所得坯料在1150～1250℃以上保温一段时间后，快速冷却至室温，获得纳米板条前驱体；对所得纳米板条前驱体进行热变形，获得纳米晶组织；对纳米晶组织进行液氮深冷，随后进行时效处理，最终获得纳米晶不锈钢。

作为优选的技术方案：

对坯料在1150～1250℃保温一段时间，保温时间t＝(3.5～4.5)D min，其中，D为试样的有效厚度，单位为毫米mm。

快速冷却的冷却速率在10～20℃/s之间。

所述纳米板条前驱体在温度为880～960℃，应变速率为0.5～2.0s^-1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％。优选为：热变形温度为910～940℃，应变速率为1.0～1.6s^-1，总应变量大于等于90％。