345-paper-B3-T250无钴马氏体时效钢研制

编号：B3（中文全文）T250无钴马氏体时效钢研制张景海(宝山钢铁股份公司特殊钢分公司Email:[e-mail])摘要：研究T250无钴马氏体时效钢，分析了钢的化学元素的作用，阐述了钢的特性、强韧化机理和提高韧性的途径，进行了热处理工艺(固溶、时效)与力学性能的研究，确定了最佳热处理工艺，研究结果表明：该钢具有高的强韧性；T250钢的软化和固溶温度可以选择在820-920℃，固溶温度变化对钢的力学性能影响较小，固溶态具有良好的塑韧性和冷加工性能；时效温度480-510℃，保温时间3-8h具有最佳的强韧性配合；T250钢应保持较高的纯度，以保证较高的塑韧性。关键词18%Ni无钴马氏体时效钢超高纯度熔炼高均质化固溶处理时效强化ThedevelopmentofT250cobalt-freemaragingsteelZhangjinghaiBaoshanIron&SteelCo.,Ltd.SpecialSteelBranchEmail:[e-mail]:ThearticlestudiesT250cobalt-freemaragingsteelandanalyzestheeffectsofthechemicalelements.Itrepresentsthecharacterofthesteel,themechanicsofhardeningandtougheningandthewaysofincreasingthetoughness.Atlastitdevelopstheresearchofheattreatmentprocedureandmechanicalpropertyandestablishstheoptimumheattreatmentprocedure.Theresultshowsthatthesteelhasahigherperformanceofhardeningandtoughening.Wemaychoose820-920℃asthetemperatureofsofteningandsolution.Thechangeofsolutiontemperatureinfluencesslightlythemechanicsperformances.Ithasbetterplasticity,toughnessandcoldprocessinginthesolutioncondition.Ithastheoptimumhardeningandtougheningwhenitisagedatthetemperatureof480-510℃andtheinsulationworkof3-8hours.WeoughttokeepT250higherpurityinordertoguaranteehigherplasticityandtoughness.Keyword:18%Nicobalt-freemaragingsteelultra-highpuritymeltinghighisotropesolutiontreatmentageingstrengthening18%Ni马氏体时效钢是六十年代初由国际镍公司（IN-CO）研制开发的一族新型超高强度钢[1]，该类钢具有超高强度、高韧性、优异的冷加工性能和良好的焊接性能，热处理工艺简单，广泛用于宇航和尖端武器领域[2]。我国从七十年代开始研制马氏体时效钢[3]并且在航空、航天及军工领域得到应用[4][5][6]。该类钢含有8-12%战略物资钴元素，成本高，价格昂贵，应用受到限制，八十年代国际镍公司（INCO）研制出T250无钴马氏体时效钢[7]，该钢在C250钢基础上去掉钴，降低钼含量，增加了钛含量，由于Mo降低、Ti增加，在相同强度级别与C250钢相比塑韧性会降低，提高钢的塑韧性成为T250钢试制与推广应用的关键，为此进行了超纯净化控制技术、均质化控制技术和钢的热处理工艺及性能的研究，研制T250钢达到C250钢的实物水平[8]，用于制造火箭发动机壳体，使用性能达到C250钢国内现有水平。1T250钢工艺路线T250钢化学成分见表1表1T250马氏体时效钢的化学成分（wet%）-------------------------------------------------------------------------------------------------------钢种CMnSiSPNiCoMoTiAlT250≤≤≤≤≤18.0≤2.751.20.050.030.100.100.0100.01020.00.53.251.60.15试验钢经VIM熔化，浇注φ520电极，电极磨光后在VAR炉重熔φ610钢锭，钢锭经固溶后车光。钢锭经1250℃高温均质化处理，快锻机开坯，开锻造温度大于1100℃，终锻温度大于800℃；锻坯入加热炉加热，加热温度1050-1150℃，在1300吨液压式精锻机锻造φ220棒材，锻后空冷，钢棒在820--920℃保温4-6小时后空冷。2试验结果2.1试制钢的化学成分如表2表2T250钢的化学成分（wt%）炉号CMnSiSPNiCoMoTiAl01040.010.020.030.0020.00519.700.162.851.540.1201050.010.020.050.0020.00519.700.152.931.500.122.2钢的力学性能试样经820℃×1小时固溶+510℃×3小时时效处理，钢的力学性能如表3表3T250钢的力学性能炉号σbMpaσ0.2Mpaδ%ψ%Aku(J)HRC01041870180012504853010518801790105148522.3钢的热处理工艺和性能的研究2.3.1固溶温度对钢的力学性能的影响T250钢固溶温度对性能的影响见图1，保温时间1小时。7808008208408608809009209409608008208408608809009209409609801000ARp0.2ZRm%MPaTemperature/oC102030405060708090100图1固溶处理温度对力学性能的影响由图可以看到固溶温度由800-950℃强度、塑性几乎没有变化，断面收缩率在820-920℃较高，920℃已经下降到30%以下。对于冷加工软化处理，固溶温度选择在820—920℃都可以。固溶温度对时效状态力学性能的影响见图2，试样固溶处理后经500℃×5小时时效处理，由图可以看到固溶温度820-920℃时，时效后的屈服强度大于1850Mpa、冲击韧性大于48J，延伸率大于8%，断面收缩率大于49%，断裂韧图2固溶温度对时效状态力学性能的影响性大于84Mpam1/2，固溶温度增加对强度、塑性、韧性的影响不显著，固溶温度选择在820-920℃均可以。2.3.2时效温度和时效时间对力学性能的影响试样经过820℃×1小时固溶处理后，经过不同时效温度处理后刚的力学性能如图5所示。由图可以看到该钢在480-510℃时效强度达到1900Mpa以上，强韧性达到最价匹配；时效温度大于520℃强度迅速降低，塑韧性迅速增高，这可能是时效析出物发生变化造成的。时效温度℃×5小时图5时效温度对力学性能的影响时效时间小于3小时强度急剧上升，当时效时间大于3小时后强度基本没有变化，时效时间大于20小时后强度、塑韧性略有降低，因此时效时间大于3小时即可。图6时效时间对性能的影响3分析与讨论3.1无钴马氏体时效钢化学元素的作用在含钴马氏体时效钢，Co溶于基体中，降低Mo在基体中的溶解度，促进Mo形成金属间化合物[1][9]，提高钢的强度；Co影响基体中的位错亚结构，为析出相析出提供尽可能均匀分布的形核位置，使析出相更为细小均匀，因而提高钢的塑韧性；Ni与强化元素结合形成强化相，Ni是形成奥氏体的元素，提高马氏体时效钢韧性最有效的元素，Ni与强化元素结合形成强化相，Ni含量过多，Ms点降低，冷却时会形成残余奥氏体，时效时强度降低[10]；Mo在马氏体时效钢中对强韧性均有利的元素，在强化的同时保持钢的韧性[11]，Mo阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，避免沿晶断裂，提高断裂韧性。无钴马氏体时效钢失去Co、Mo的交互作用，含Mo金属间化合物的析出量减少，强化效果减弱，如果增加Mo含量提高强度，则钢在奥氏体化时富钼金属间化合物不易溶解，导致钢的塑韧性降低，因此Mo含量不宜过高。Ti是马氏体时效钢的强化元素，文献[12]中指出，每增加0.1%的Ti，强度增加54Mpa；当Ti由1.4%增加到1.8%强度由1820Mpa增加到2000Mpa，塑性由13%降到9%，K1c由90Mpam1/2降到70Mpam1/2[8][13]，因此Ti含量是决定钢强度和塑韧性的关键元素，T250钢将Ti控制在1.3-1.6%之间。Al在马氏体时效钢中主要起脱氧剂的作用。Mn降低钢的韧性，C、Si、S、P、O、N作为有害元素和形成夹杂物元素降低钢的塑韧性，其中以形成Ti（CN）TiO2等夹杂物，因此必须加以限制。T250无钴马氏体时效钢与C250马氏体时效钢比由于无Co，Mo低而Ti增加，因此T250与C250钢比塑韧性降低，从表2性能要求可以看到，两个钢种的强度、塑韧性要求是相同的，因此提高无钴马氏体时效钢的塑韧性成为该钢研制与开发的关键。3.2强韧化原理T250马氏体时效钢在固溶状态合金元素主要以置换式形式溶入基体中，形成固溶强化，空冷到室温获得高密度位错马氏体，形成相变强化或者叫位错强化；时效在高密度位错的马氏体基体弥散析出Ni3Ti强化相[13]。固溶强化、晶界强韧化：T250钢固溶状态，NiTiMo等元素主要以置换式形式溶入基体并且呈有序状态，由于原子尺寸效应，弹性模量效应和固溶体有序化的作用而导致钢的强韧化，固溶态HRC可达到34。何毅、张强等对固溶态组织结构观察发现，T300、T250钢经固溶化处理后只发生α/γ转变而不产生中间相，得到纯净的高密度板条马氏体，板条中未发现第二相和残余奥氏体，随着固溶温度升高和固溶时间的延长，原奥氏体晶粒尺寸长大，但不影响固溶态硬度，宏观上表现出强度、塑性及韧性与固溶处理温度、保温时间的依赖关系弱，因此晶界强化作用在马氏体时效钢中的作用不明显，也就是固溶强化作用比晶界强化作用更加重要；T250钢的这一特点与C250钢相适[13][14][15]。尽管该钢固溶状态晶界强化效果表现出比较弱，但晶粒尺寸对时效状态的屈服强度、塑韧性和断面收缩率仍然起到重要的作用，由Hall-Peter关系[16][17]:σs=σ0+kd-1/2，σs为钢的屈服强度，σ0、k与本材料有关的常数，d晶粒直径；晶粒越细小单位体积内晶界及晶界面积越大，位错运动、裂纹形成、裂纹扩展的难度和消耗的能量增加因此提高了钢的韧性；晶粒细化显著提高钢的屈服强度、塑韧性和断面收缩率[181920]。加工强化：由于18%Ni马氏体时效钢高纯度冶炼CNOSP等元素夹杂物低，没有TiCTi(CN)及硅酸盐氧化物在在基体中起钉扎作用，消除夹杂物在晶界析出而对境界的阻碍作用，在固溶状态组织为高密度位错的超低碳马氏体基体，当基体受到外界应力作用时，原A晶界对位错运动的阻碍作用可能被大量间距更小的亚结构和板条界所取代，使强化作用被隐没[14][21]，可以抵抗较大的应力集中，容易产生滑移，因此固溶状态的加工硬强化效果可以忽略，表现出优异的冷变形加工性能。时效强化：时效强化是马氏体时效钢获得超高强度的主要途径，T250钢的时效强化原理[13222324]：时效强化是高密度板条马氏体基体中析出细小弥散、均匀的金属间化合物Ni3Ti或Ni3(TiMo)相，吴军观察发现铸态T250钢500℃时效处理，沉淀相宽度5-9μm,长度27-40μm，析出相与基体保持共格、半共格状态,因此其强化机制遵循Orowan位错绕过机制起到强化作用，其表达式：Gb1+1/(1－ν)λ－dσs=σ0+()ln()（1）2π(λ－d)22b式中：