專利名稱：馬氏體時效鋼及其制造方法

　　技術領域：

　　本發明屬于一種馬氏體時效鋼，是一種含鈰的Fe-Ni基馬氏體時效鋼。

　　自1960年Deeker等人在Fe-18%Ni馬氏體時效鋼中加入不同的Co、Mo及Ti獲得18Ni(140kgf/mm2)、18Ni(175kgf/mm)、18Ni(210kgf/mm2)不同強度級別的Fe-Ni基馬氏體時效鋼以后，引起各國冶金工作者極大的重視。這種馬氏體時效鋼在固溶狀態具有良好的延展性、塑性及加工成型性，可以加工成棒材、片材及絲材等，以滿足不同場合的各種應用的要求。這種鋼一般的主要用于制造高壓容器、火箭發動機外殼、工具、模具及打印機的打印針等。各種應用對其性能要求有所不同，除共同要求很高的抗張強度外，尚有獨特的要求，如要求具有高的抗扭轉、耐疲勞、耐磨損、高硬度及抗沖擊等。

　　為滿足應用領域日趨對材料性能的高要求和新要求，人們不斷改善馬氏體時效鋼性能的努力一直沒有終止過。日本公開特許公報昭52-117226，改變鋼中Ni、Co和Mo的含量，并且在鋼中添加B、Zr、Ca及Mg微量元素;使其鋼的延展性提高2～5倍，時效后鋼的抗張強度也大幅度增加。美國專利US-3453153(1969年)采用常規的化學成分，而在固溶處理和時效處理工藝制度上作了深入研究，大大提高了鋼的疲勞壽命。日本公開特許公報昭60-197848也采用常規的化學成分，在冷拉成φ0.3mm的細絲后，經氮化處理，使之在表面形成一層厚度為0.005～0.02mm的氮化層，結果是表面硬度高達Hv780，而基體仍保持Hv570的一種外硬內軟的鋼絲，使用于要求耐磨、抗疲勞的打印針。與上述已有技術不同，本發明是一種用于彈性元件的含稀土金屬鈰的Fe-Ni基馬氏體時效鋼及其制造方法。對性能除要求具有高抗張強度σb外，同時要求具有良好疲勞強度極限σ-1和高的沖擊值αk。用本鋼種制成的彈性元件，在實際應用場合，要承受很大負荷，同時還要承受幾十到幾百重力加速度的沖擊載荷。一般說，馬氏體時效鋼在抗張強度σb達200kgf/mm2時，其αk值只有2.6kgf·m/cm2左右;而當αk值達到6kgf·m/cm2時，抗張強度σb要降到160kgf/mm2左右。本發明就在于解決這一問題，即研制出抗張強度σb保持200kgf/mm2左右的較高數值，而沖擊值αk還要達6kgf·m/cm2以上，并且疲勞強度極限σ-1還要大于70kgf·m/mm2，來滿足航天、航空及航海導航元件、大壓力彈簧及膜片等彈性元件用的馬氏體時效鋼。

　　本發明的目的是提供應用在大沖擊、強振動、大載荷條件下長時工作的導航元件、大壓力彈簧及膜片等的合金材料，該材料具有抗張強度σb200kgf/mm2左右，疲勞強度極限σ-1大于70kgf/mm2及沖擊值αk大于6kgf·m/cm2的馬氏體時效鋼及其制造方法。

　　本發明是這樣實現的。將含有Co、Mo、Ti及Al的Fe-Ni基馬氏體時效鋼常規化學成分所要求的原材料，置于真空感應爐冶煉。在精煉期結束后，向坩堝中添加少量稀土金屬鈰，利用鈰與鋼液中的O2和S有很強親和力，進一步脫去鋼中的O2和S，凈化鋼液，鋼質純化。同時控制其加入方式，供電攪拌、停電等工藝，使鈰在鋼中殘留0.0035～0.03%，增大鋼液流動性和過冷度，增多鑄錠時的非自發核心，使鋼錠的晶粒細化。結果是保持了高抗張強度，同時提高了鋼的沖擊韌性和疲勞強度極限。

　　本發明馬氏體時效鋼的化學成分(重量%)為Ni16～20Co7～10Mo4～7Ti0.2～1.0Al0.02～0.15Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質。馬氏體時效鋼種類很多，16～20Ni馬氏體時效鋼屬于Fe-Ni基，它是利用馬氏體相變和時效沉淀硬化反應來強化。

　　在Fe-Ni基中加入Co、Mo、Ti和Al以后，鋼錠經鍛造并固溶處理后，基體為高位錯密度的板條狀馬氏體，再經時效處理，在馬氏體基體上沉淀出均勻彌散分布的Ni3Mo和Ni3Ti析出相，使鋼進一步強化。通常人們就是通過調整Fe-18%Ni鋼中的Co、Mo及Ti的含量并采取合適的熱處理制度使鋼的強度和韌性保持一定的數值，以滿足不同應用的要求。但無論如何調整，其抗張強度σb在200kgf/mm2時，沖擊值αk都小于4kgf·m/cm2。而航天、航海中實際應用的導航元件，彈簧片及膜片等，除要求材料具有抗張強度σb200kgf/mm2左右外，還要求αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強度極限σ-1大于70kgf/mm2。原有技術欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強度極限σ-1大于70kgf/mm2。原有技術欲使αk值大于6kgf·m/cm2，疲勞強度大于70kgf/mm2的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，在上述Fe-Ni基馬氏體時效鋼的化學成分基礎上，添加0.0035-0.03%的稀土金屬鈰是很有效的。其主要作用是稀土金屬鈰在冶煉時與鋼中的氧或硫化合生成微細的氧化物、硫化物，增大了鋼液流動性和過冷度，并在鑄錠凝固時，作為一種非自發結晶核心，使形核率增大，從而使鑄錠晶粒細化。這有利于提高強度、沖擊韌性和疲勞性能。

　　下面敘述本發明各化學成分限定范圍的理由。

　　本發明是Fe-Ni基馬氏體時效鋼，其基體組織結構為體心立方馬氏體。這只有控制Ni的含量在16～20%范圍內才有可能。當Ni超過20%，由于馬氏體轉變溫度Mf點下降太多，從而使鋼的室溫組織中出現奧氏體組織，使鋼的強度下降;當Ni含量低于16%時，Mf點升高，鋼的室溫組織中產生孿晶馬氏體，使鋼韌性下降并脆化。Co在鋼中除了對強度有貢獻外，并降低基體堆垜層錯能，從而使鋼中彌散沉淀Ni3Mo和Ni3Ti相穩定析出。此外，Co、Mo聯合反應，增強晶界，對提高強度和韌性很有利。Co的含量控制在7～10%為宜。低于7%其強化作用不大。由于Co的價格很高添加量不大于10%為宜。Mo和Ti是主要強化元素。每增加1%的Mo，提高鋼強度14kgf/mm2。每增加1%的Ti提高強度42kgf/mm2。但過量的Mo和Ti在固溶處理時在晶界形成脆化相而大幅度降低韌性。隨著Mo含量的增加、鋼的屈服強度會相應增加，但超過7%，導致鋼脆化。而Mo含量低于4%，強化效果小。Ti是Fe-Ni基馬氏體時效鋼強化效應最顯著的元素，超過1.0%，強度雖提高很多，但韌性下降特別嚴重，不可能得到又強又韌的綜合性能。Ti含量低于0.2%其強化效應很小，達不到高強度，所以限定范圍為0.2～1.0%。Al在鋼中有強化作用和脫氧作用，但超過0.15%將導致鋼脆化，所以以0.02～0.15%為宜。稀土Ce與鋼中O和S化合形成微細化合物，細化晶粒、提高強度和韌性。其含量在0.0035～0.03%為宜，低于0.0035%效果不顯著，高于0.03%將導致鋼中雜質增多，出現脆化。

　　本發明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的最佳化學成分(重量%)為Ni 17～19 Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12 Ce 0.005～0.01余Fe和一些不可避免的雜質元素O、S、N、P及C等。Ni含量17-19是Fe-Ni基馬氏體時效鋼具有高強度高韌性綜合性能最好的含量。在此既強又韌的基體上Co 8～9 Mo 4.5～5.5 Ti 0.5～0.7 Al 0.08～0.12的添加，進一步增加鋼的強度。鋼中含有Ce 0.005～0.01使鋼在晶粒細化恰到好處，使強度和沖擊韌性都出現最佳值。即σb約200kgf/mm2αk＞6kgf·m/cm2。

　　本發明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的制造方法如下以工業純鐵、電解鎳、電解鈷、金屬鉬、金屬鋁及海綿鈦、金屬鈰或鈰鐵合金及其它鈰合金為原材料。冶煉采用真空感應爐，Fe、Co、Ni和Mo加入坩堝中，Al、Ti和Ce裝入料斗，采用通常的冶煉工藝冶煉，但在精煉期終了，合金化之后，停電停止攪拌，充Ar氣，向鋼液中加金屬鈰或鈰鐵或其它鈰合金。保證添加鈰量為爐料的0.04～0.5%。然后給電攪拌并抽真空1～2分鐘，真空度達10-2mmHg以上，溫度達1600℃左右，停電出鋼。0.04～0.5%的Ce的添加，目的在于對鋼液進一步凈化。道理是利用稀土鈰與鋼液中的氧、硫有極強親和力，生成氧化物、硫化物和氧硫化物，呈渣的形式浮到鋼液表面或附著于坩堝壁上，在出鋼時被除掉，另一部分稀土化合物呈揮發物質被抽出爐外，這樣達到了凈化鋼的目的。添加0.04～0.5%的稀土金屬最后殘留在鋼中0.0035～0.03%，并且呈微細的化合物質點，有細化晶粒的作用，結果大大改善鋼的沖擊韌性，同時強度和疲勞極限也都有所提高。

　　真空熔煉得到的鋼錠作成電極，再經真空自耗或電子轟擊爐重熔，接著鍛造成所需要的尺寸。經800～900℃固溶處理1～2小時，再經430～550℃2～5小時時效。

　　由上所述，本發明由于在含有Co、Mo、Ti和Al的Fe-Ni基馬氏體時效鋼所要求的各種原材料中添加0.04～0.5%的金屬鈰、鈰鐵合金或其它鈰合金，并保證鋼中殘留0.0035～0.03%的金屬鈰，由于鋼質純凈度高、晶粒細化，因此抗張強度、疲勞強度，特別是沖擊韌性與已有技術相比要高，獲得了σb在200kgf/mm2左右、σ-1＞70kgf/mm2、αk＞6kgf·m/cm2的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，滿足了航天、航空、航海大振動、大沖擊、長時工作的導航元件、彈簧及膜片的需求。

　　下面以實施例進一步說明本發明。

　　由表所示，按著本發明Fe-Ni基馬氏體時效鋼的化學成分配比的原材料經真空感應爐冶煉，精煉期完了，合金化以后，在鋼液中加純度為98%的金屬鈰，分別為0.04、0.06、0.30、0及0.60。鑄錠再經自耗爐重熔后鍛成φ30mm的園棒。用820±10℃保溫一小時空淬。按GB228-76、GB229-63及YB40-64的要求作出抗拉強度、沖擊韌性及疲勞強度極限試樣，再經430～480℃3小時真空時效，測出σb、αk及σ-1值如表所示。

　　由表可見，成分為本發明范圍之內，且添加金屬鈰在本文發明要求0.04～0.5%之內的1、2、3號鋼，σb都在200kgf/mm2左右，而αk值都高于6.8kgf·m/cm2以上，σ-1都大于70kgf/mm2。而成分和金屬鈰添加量不在本發明范圍之內的，如對比例4、5號鋼，αk值顯著的低，σ-1也較低。沖擊韌性和疲勞強度極限都不如1、2、3號鋼高。

　　權利要求

　　1.一種彈性元件用的高抗張強度，同時具有高沖擊韌性和高疲勞強度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，含有Ni、Co、Mo、Ti及Al，其特征在于組成鋼的化學成分(重量%)為Ni16～20、Co7～10、Mo4～7、Ti0.2～1.0、Al0.02～0.15、Ce0.0035～0.03余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質。

　　2.根據權利要求1所述的Fe-Ni基馬氏體時效鋼，其特征在于鋼的最佳化學成分(重量%)為Ni17～19、Co8～9、Mo4.5～5.5、Ti0.5～0.7、Al0.08～0.12、Ce0.005～0.01余Fe和不可避免的O、N、S、P及C等雜質。

　　3.一種彈性元件用的高抗張強度，同時具有高沖擊韌性及高疲勞強度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼的制造方法，其中包括真空感應冶煉、真空自耗或電子轟擊爐重熔、鍛造、熱處理，其特征在于真空感應爐冶煉，精煉期終了，合金化后，停電停止攪拌，充氬氣，向鋼液中添加保證Ce含量為爐料重量0.04～0.5%的金屬鈰、鈰鐵合金和其它鈰合金，然后給電攪拌，同時抽真空1～2分鐘，停電出鋼。

　　全文摘要

　　一種彈性元件用的高抗張強度，同時具有高沖擊韌性及高疲勞強度極限的Fe-Ni基馬氏體時效鋼及其制造方法。在真空感應爐溶煉精煉期終了，合金化以后，向鋼液中添加保證Ce含量為0.04～0.5％爐料重量的金屬鈰、鈰鐵合金及其它鈰合金，并使鈰在鋼中殘留0.0035～0.03％，使鋼質凈化和晶粒細化，制造出一種抗張強度σb為200kgf·/mm

　　文檔編號C22C38/14GK1040626SQ8810609

　　公開日1990年3月21日 申請日期1988年8月22日 優先權日1988年8月22日

　　發明者萬成鍺, 王焰, 辛長華, 王一禾, 藩連芳, 邢淑蘭 申請人:冶金工業部鋼鐵研究總院