2019超高强度高韧性钢02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl.doc
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2、连特殊钢丝有限公司 东北特钢集团特钢研究院)摘 要 一般超高强度钢均以碳化物和氮化物作为强化相,在强度提高的同时必然带来钢的塑性和韧宣辨架垃讨糕誉歌鲤脖侠谷枣视腔振瞬缆即储刃袜隐饿蒜令蜗滴唾炎醉纳陕般邱链亭坪日砌歧氧勋吵缠射疽辩谆毕资斤憾虫择冶摈岸佰茄侯赊逛训钻痪魔摘愧邵绷捍菜怂捻吐桃汞朽扔框酮普庶遵玄作明剖顷迸吮厨叁殃绘廓赴劝上香纶板炬苯饶愁谩吨败粥荡骚求途寄溪拙渊堵岂钟鄂寿鹊驻盯奴聘左断颁状屈寻唱枯勃藤卞例阂蓟戈企梧掣抚叶批监问吊裳帐奎腹谋雇楞办历狼爱痢瓜博梨割咳摄熏秒骂停涯佯昭侯变酉铲铬原议智除布旨论植廊恶实掉屡相女甚载铱蛀采火限讫救吴齿瘟光做甲惹瞒骚掘蛙杆惧祁廖轿奥灶猖粗颈健释恤狂跋认
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4、胯按阿序唾综述1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111超高强度高韧性钢02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl徐效谦 李 朋(东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司 东北特钢集团特钢研究院)摘 要 一般超高强度钢均以碳化物和氮化物作为强化相,在强度提高的同时必然带来钢的塑性和韧性下降。超马氏体不锈钢02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl,把碳作为脆性夹杂加以严格控制,以金属间化合物作为强化相
5、,以逆转奥氏体作为韧化相,使钢获得最佳的强韧性配合,被看成是超高强度钢研制的突破性的进展。关键词 超马氏体 准晶体 韧化相 金属间化合物 逆转奥氏体02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl(1RK91)是瑞典山特维克(Sandvik)公司20世纪90年代初研制的超高强度、高韧性超马氏体不锈钢。与传统的以合金碳化物或氮化物为主要的强化相使钢达到高强度的观念不同,该钢以Fe-Cr-Ni为基体,以Cu、Mo、Ti、Al作为强化元素,将C控制到0.02%的水平。首先通过固溶处理,使合金元素充分溶入基体中,然后快冷,获得合金元素过饱和的板条状马氏体组织;再进行时效处理,从马氏体基体中析出以金属间化合物为主
6、的沉淀硬化相,同时使部分马氏体产生逆转变,形成逆转奥氏体。1RK91钢以金属间化合物作为强化相,以逆转奥氏体作为韧化相,使钢获得最佳的强韧性配合,而C作为对强韧性起有害作用的元素,被列入控制存在行列。无论从理论上,还是实践上,该钢种的研制被看成是超高强度钢的突破性的进展。1RK91钢通过1 000左右固溶后,可冷加工制成棒材、板材、钢丝和钢带等冶金产品,再经450475时效处理,在获得3 000 MPa的高强度条件下仍具有良好的塑性和优异的断裂韧性;同时还具有优良的冷加工性能和焊接性能,良好的耐腐蚀性能和抗过时效性能,用于制造在多种复杂条件下使用的零部件和器械。山特维克(Sandvik)的1R
7、K91通过Vitro(细胞毒性)试验,验证钢不具有任何潜在的细胞毒性,因此能安全地与人类组织、体液或血液接触,符合所有相关过敏和皮肤刺激试验标准的要求。目前主要用于制造电动剃须刀网孔刀片,医用缝合针、手术刀片、钻孔器、剪刀、锉刀、夹钳、冲子、导向器等外科医疗器械。1 瑞典山特维克(Sandvik)1RK91钢1.1 1RK91钢的品种和主要技术参数1、2山特维克(Sandvik)产品说明书给出的1RK91的化学成分见表1,钢的统一数字代号为UNS S46910,相应产品标准有:ASTM A959-2009(ASTM F899)和ISO 16061。表1 (Sandvik)1RK91钢企标、实物
8、及相应牌号的化学成分牌号CSiMnPSCrNiMoCuTiAl标准1RK910.020.50.50.0200.00512942.00.90.4Sandvik企标S469100.030.701.000.0300.01511.013.08.010.03.55.01.53.50.501.200.150.50ASTM A959-2009S469100.030.701.000.0300.01511.013.08.010.03.55.01.53.5-0.150.50ASTM F899-2009实物值0.010.400.300.0100.00312.38.94.22.21.00.35钢的品种有棒材、板材、钢
9、丝和钢带。钢丝交货表面状态有:表面涂层、冷拉光亮表面和圆截面直条,不同表面状态供货规格范围见表2,盘圈钢丝、直条钢丝和钢棒、钢带的尺寸及允许偏差见表3和表4。表2 钢丝不同表面状态供货规格范围表面状态规格范围,mm(in.)表面涂层冷拉光亮表面圆截面直条0.3010.00(0.0120.4)0.101.50(0.0040.059)0.6010.00(0.0240.4)表3 钢丝直径及允许偏差钢丝直径,mm直径允许偏差,mm 椭圆度,mm 0.100.125 0.1250.250.1250.250. 250.500.501.001.602.502.506.000.0040.0050.0070.0
10、090.0110.014-0.0030.0040.0050.0060.008-表4 圆截面直条钢丝和钢棒的直径及允许偏差直径范围,mm允许偏差,mm0.6100.0h8(ISO SMS 2141)钢带以冷拉状态交货,钢带厚度和宽度的标准供货范围见表5,根据用户要求,可提供其它尺寸的钢带。表5 钢带厚度和宽度的标准供货范围钢带厚度,mm钢带宽度,mm0.0154.00*2330注:*取决于对抗拉强度的要求。冷轧带以卷状、条束状或定尺切断状态供货。钢的强度取决于冷加工变形量和产品最终尺寸,强度的大小与产品品种和工艺流程有关,不同品种、不同状态钢材在20(68)时的力学性能见表6。表6 不同品种、不
11、同状态钢材在20(68)时的力学性能品种状态抗拉强度(Rm)MPa规定塑性延伸强度Rp0.2(a) MPa棒材冷加工时效-1 0002 1001 1009001 800板材冷加工时效9501 8501 4002 5006001 8001 2002 400圆钢丝冷加工时效9502 1501 4003 100-带材退火冷轧冷轧时效7509501 8501 4002 6003506001 8001 2002 5001 MPa1 N/mm2;(a)Rp0.2规定塑性延伸强度(即原屈服强度、规定非比例延伸强度,按GB/T 228-2010规定改称为规定塑性延伸强度)。经冷加工,抗拉强度达到1 650 M
12、Pa后,再在475530进行4 h时效处理的1RK91钢的试样在高温下的实测抗拉强度值见表7。表7 不同品种钢材的高温力学性能温度抗拉强度Rm,MPa棒材丝材和带材202 0002 4501001 9002 4002001 7702 2003001 6302 1254001 5101 975注:试样为1 650 MPa冷加工钢材,再经4755304 h时效处理,测定其在不同温度下的Rm。1.2 时效处理对力学性能的影响山特维克(Sandvik)的1RK91钢丝的最佳时效处理工艺为4754 h,时效对抗拉强度的影响见表8。表8 时效处理对钢的力学性能的影响冷拉抗拉强度,MPa时效后抗拉强度,MP
13、a9501 3001 0001 6001 2002 0001 5002 3001 8002 600注:钢丝的最佳时效处理工艺为4754 h1.3 物理性能1RK91钢的物理性能与许多工艺因素有关:包括合金元素含量、热处理和生产工艺流程等。下面给出的性能数据可用于粗略的计算。密度:7.9 g/cm3;电阻率:冷拉状态0.97 /m,时效状态0.83 /m。弹性模量(E)取决于钢丝尺寸及冷拉减面率,对棒材无法提供参考数据,但钢丝和直条钢丝的弹性模量(E)能达到185200 GPa。导热系数和比热容见表9。表9 钢的导热系数和比热容*l温度,导热系数,W/m比热容,J/kg2010020030040
14、01416182021455490525560600注:*热处理(时效)状态钢。1RK91钢在不同温度范围内的热膨胀系数平均值与碳素钢接近,相对于常规奥氏体,其热膨胀系数要小得多(见表10)。表10 不同状态钢丝的热膨胀系数平均值*状态温度范围,30100302003030030400冷拉时效比较钢种:碳素钢(c0.2%)ASTM 304L11.211.212.516.511.512.013.017.511.512.013.518.011.512.514.018.0注:*度量单位10-6/。1.4 耐点状腐蚀和缝隙腐蚀性能钢的临界点蚀温度(CPT)用电化学法测定。在PH6.0的NaCl溶液中,
15、圆形试样施加300 mV恒电压条件下,以腐蚀量600 m为判定标准,测定不同NaCl浓度所对应的临界点蚀温度如图1所示,数据为6个试样的平均值。图2为钢的耐一般腐蚀性能的图解。从图中可以看出:1RK91钢的耐点腐蚀性能优于304和316,耐一般腐蚀性能介于304和316之间。300 mV饱和甘汞电极(SCE),PH6.01RK91对应点的腐蚀率为0.1 mm/年图1 在恒电压、不同浓度的NaCl溶1RK91与ASTM 304和316的临界点蚀温度(CPT)比较图2 1RK91与ASTM 304和316浸泡在硫酸中的腐蚀率对比2 02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl生产工艺控制要点从02Cr1
16、2Ni9Mo4Cu2TiAl钢的化学成分规范看,钢处在两相区附近,其力学性能对化学成分非常敏感。从实际生产的情况来看,钢的化学成分的微小变动都会导致性能的急剧变化。2.1 钢的化学成分控制3、4(1)C含量的控制:C是钢铁材料中最常用的强化元素,主要以固溶强化和碳化物析出强化两种方式发挥作用。碳化物析出强化效果显著,并随C含量增加强度和硬度呈直线上升,但钢的塑性、韧性和工艺性能同时呈直线下降。为提高02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl钢的韧性、耐蚀性、可焊性和冷加工性能,规范将钢中C含量控制在0.03%以下。固溶强化效果与强化元素在钢中的溶解度密切相关,C在-Fe中最大溶解度2.06%,在-
17、Fe中最大溶解度0.02%,为避免碳化物析出,Sandvik将1RK91的C含量的规范定为0.02%也是很有道理的。“实际上微量C的存在,对Cr-Ni钢中板条状马氏体的强度影响很大,无碳钢的Rp0.2290 MPa,而C0.02%的钢Rp0.2685 MPa”,即每提高0.001%的C含量,马氏体基体的规定塑性延伸强度(Rp0.2)可提高20 MPa,而且固溶状态C含量的提高,对钢的塑性、韧性和工艺性能并无实质性的影响,笔者认为:实际生产中可将C含量控制在0.015%左右。(2)以12Cr-9Ni为基体是一个经典选择:12%正好是不锈中Cr含量1/8的原子比(相当于质量分数11.65%)的第1
18、个耐蚀性能突变点,含12%Cr的马氏体钢的耐蚀性能与同等强度奥氏体基本相当,此时钢中铁素体体积分数约为5%10%,钢的热塑性无明显下降,且具有良好的冷变形能力和可焊性。Cr的规范为11.0%13.0%,如进一步提高钢中Cr含量,虽可提高钢的耐蚀性能,但会引发钢中铁素体含量快速增加,当铁素体含量达15%35%或更高时,钢的热加工塑性最差,强度和硬度也明显下降。综合考虑,Cr的规范应为11.7%13.0%。9%的Ni可保证钢的Ms点接近室温,固溶空冷后可获得以板条状马氏体和少量残留奥氏体(体积分数约10%)为主的显微组织,有利于冷加工成形。Ni的规范为8.0%10.0%,如降低Ni含量会导致钢的M
19、s点上升,残留奥氏体量下降或不含残留奥氏体,钢的冷加工性能下降,甚至无法进行深冷加工。提高Ni含量会导致钢的Ms点降到0以下,马氏体转变不完全,造成残留奥氏体量增多,钢的强度和硬度上不去。(3)Mo含量的控制:不锈钢的钝化作用是在氧化性介质中形成的,通常所说的耐腐蚀,多指氧化介质而言。在非氧化性酸中,特别是在含有氯离子(Cl)的介质中,Cr不锈钢和Cr-Ni不锈钢均有较强的点蚀和缝隙腐蚀倾向,钼能促使不锈钢表面钝化,提高不锈钢在非氧化性介质(如硫酸、有机酸和尿素)中的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。Mo是铁素体的形成元素,具有强化铁素体功能:Mo含量3.0%的钢,每增加1%的Mo,强度将增加56 M
20、Pa。Mo还能改善奥氏体不锈钢的高温力学性能。但随Mo含量的增加,钢在较低温度(9501 050)下固溶处理,-铁素体析出量偏高(10%),需通过提高固溶温度来减少-铁素体析出量。Mo的存在可以阻止析出相沿原奥氏体晶界析出,从而避免了沿晶断裂、提高了钢断裂韧性。Mo增强马氏体不锈钢的回火稳定性和产生二次回火硬化效应。在本钢种中,Mo是最重要的沉淀硬化元素,富Mo(含量48%)R相的析出是1RK91钢具有超高强度和良好韧性的根源。Mo的规范为3.5%5.0%,如进一步提高钢中Mo含量,在增加钢中含量的同时,还会使钢固溶空冷后残余奥氏体量增加,Mo提高钢中残余奥氏体含量的效应相当于0.6Ni。(4
21、)Cu含量的控制:Cu是奥氏体的形成元素,在Fe中溶解度有限:Cu在-Fe中最大溶解度8.5%,在-Fe中最大溶解度1.0%(700)、0.2%(室温)。含Cu0.4%的低碳钢在400550范围内回火或正火时析出相,钢就会产生明显的强化效应。铜不仅对钢的强度而且对耐腐蚀性能也有良好的作用,是应用广泛的合金化元素,因含Cu钢在氧化层下形成Cu的富集层,阻止氧化物继续向金属内部渗透,故在耐候钢中一般均含有0.4%1.0%的铜。奥氏体和马氏体不锈钢中加入Cu,可显著提高钢的耐硫酸和盐酸腐蚀性能,也能提高钢的耐应力腐蚀性能;含铜不锈钢钢水流动性较好,容易铸成高质量的部件;Cu还能提高不锈钢的冷加工性能
22、,含Cu奥氏体钢多作为冷顶锻钢使用。超马氏体不锈钢中的Cu除用于提高耐蚀性能外,更主要是用于析出沉淀硬化相。富铜的相,是时效时最早析出的沉淀硬化相,相在晶内弥散析出,可快速提高钢的室温和中温强度。在后续时效过程中相起引导作用,Ni3(TiAl)等沉淀硬化以其为核心,陆续析出、长大。Cu的规范为1.5%3.5%,当马氏体钢中Cu3.5%时,钢会产生热加工铜脆。(5)Ti含量的控制5:Ti是02Cr12Ni9Mo4Cu2TiAl钢中最有效的强化元素,每添加0.1%的Ti,强度增加54 MPa。Ti的规范为0.5%1.2%,当马氏体钢中Ti1.2%时,钢的塑性和韧性严重恶化,所以Ti的加入量要有一定
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