本發明涉及馬氏體時效鋼技術領域，特別涉及一種超高強度高韌性馬氏體時效鋼及其制備方法和應用。

　　背景技術：

　　高強度低合金鋼憑借材料成本的優勢，始終成為專注于紡織鉤針、撞針等高強度結構件的制備企業的首選材料。馬氏體時效鋼是以無碳(或微碳)馬氏體為基體，時效時能產生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼，與傳統高強度低合金鋼不同，它不用碳而靠金屬間化合物的彌散析出來強化，這使其具有一些獨特的性能：高強韌性，低硬化指數，良好成形性，簡單的熱處理工藝，馬氏體時效鋼在熱處理時幾乎不變形，具有很好的焊接性能。與高強度低合金鋼相比，馬氏體時效鋼雖然具有明顯的強韌性等優勢，但一直無法得到相關企業的認可而實現產業化應用。

　　在馬氏體時效鋼的發展過程中，強韌性匹配與使用成本是影響馬氏體時效鋼應用前景的兩個核心問題，一方面，在保證韌性的前提下實現馬氏體時效鋼強度的提高，迎合產品的輕量化、節能減排以及安全環保等設計宗旨，是決定馬氏體時效鋼應用前景的關鍵因素；另一方面，與普通的高強度低合金鋼相比，馬氏體時效鋼雖然強韌性優勢明顯，但由于其使用了高含量的鎳、鈷、鉬、鈦等合金元素，導致馬氏體時效鋼的材料成本較高，難以在實際應用中推廣普及。因此，如何充分利用馬氏體時效鋼的性能優勢，又降低結構材料總體的生產成本，是影響馬氏體時效鋼應用前景的關鍵。

　　技術實現要素：

　　有鑒于此，本發明目的在于提供一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼及其制備方法和應用，本發明通過加入銅元素優化合金原料的配比，并輔以雙真空冶煉、連續鍛造和連續熱處理工藝，開發出抗拉強度大于3000mpa，屈服強度大于2700mpa，延伸率大于10％的超高強度高韌性馬氏體時效鋼，實現了紡織鉤針和射釘槍撞針材料的降本增效。

　　為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

　　本發明提供了一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，按質量含量計，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分為：ni：18.0-20.0％，co：15.0-18.0％，mo：7.0-8.0％，ti：1.5-2.5％，cu：4.0-6.0％，c＜0.005％，o＜0.001％，n＜0.002％，p＜0.001％，s＜0.001％，余量為fe；所述c、o、n、p、s的總含量＜0.01％。

　　優選的，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分為：ni：18.5-19.5％，co：15.5-16.5％，mo：7.0-7.5％，ti：1.5-1.8％，cu：5.0-6.0％，c＜0.005％，o＜0.001％，n＜0.002％，p＜0.001％，s＜0.001％，余量為fe。

　　優選的，所述馬氏體時效鋼的抗拉強度＞3000mpa，屈服強度＞2700mpa，延伸率＞10％。

　　本發明還提供了上述超高強度高韌性的馬氏體時效鋼的制備方法，包括如下步驟：

　　(1)將超純金屬原材料在真空下依次進行初次真空感應熔煉和二次精煉，得到鋼錠；

　　(2)將所述步驟(1)中的鋼錠進行均勻化熱處理；

　　(3)將所述步驟(2)中均勻化熱處理后的鋼錠直接進行鍛造，得到坯料；

　　(4)將所述步驟(3)中的坯料進行連續熱處理，所述連續熱處理是將鍛造后的坯料直接進行奧氏體時效處理、深冷處理和時效處理，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　優選的，所述步驟(1)中的初次真空感應熔煉在真空感應爐中進行，所述初次真空感應熔煉的溫度為1450～1550℃，真空度＜1×10-4pa。

　　優選的，所述步驟(1)中的二次精煉在真空自耗爐中進行，真空度＜1×10-4pa。

　　優選的，所述步驟(2)中的均勻化熱處理具體為：將鋼錠加熱后進行保溫，所述保溫的溫度為1170～1230℃，所述保溫的時間為24～30h。

　　優選的，所述步驟(3)中鍛造的初鍛溫度為1100～1200℃，終鍛溫度不低于850℃；所述鍛造的變形量需滿足：第1次鍛造變形量＜5％，第2次鍛造變形量＜10％，第3次鍛造變形量＜15％，終鍛后的總變形量≥90％，鍛造比＞12。

　　優選的，所述步驟(4)中連續熱處理具體為：將鍛造后的坯料直接放進680～720℃熱處理爐中保溫2～4h，進行奧氏體時效，隨后空冷至室溫；將奧氏體時效后的坯料在液氮中保持2h以上，空冷至室溫；將液氮處理后的坯料在480～520℃的熱處理爐中保溫1～3h，空冷至室溫。

　　本發明還提供了上述超高強度高韌性的馬氏體時效鋼或采用上述制備方法制備的超高強度高韌性的馬氏體時效鋼作為紡織鉤針或射釘槍撞針的應用。

　　有益效果：本發明提供了一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，按質量含量計，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分為：ni：18.0-20.0％，co：15.0-18.0％，mo：7.0-8.0％，ti：1.5-2.5％，cu：4.0-6.0％，c＜0.005％，o＜0.001％，n＜0.002％，p＜0.001％，s＜0.001％，余量為fe；所述c、o、n、p、s的總含量＜0.01％。本發明提高了銅元素的含量并優化了其他貴金屬的配比，有效的降低了成本，本發明嚴格控制合金中的雜質元素，以防止c、o、n、p、s元素過高影響到馬氏體時效鋼的韌性。

　　本發明提供了上述方案所述超高強度高韌性的馬氏體時效鋼的制備方法，本發明將原材料在真空下熔煉和二次精煉得到鋼錠，再通過均勻化熱處理使鋼錠內部金屬元素均勻化；本發明將均勻化熱處理結合多次連續的熱鍛，使鋼錠逐步變形得到坯料，本發明的熱鍛方法能夠防止鋼錠開裂，得到的坯料內部缺陷極少，保證了合金的致密性；本發明將坯料直接進行奧氏體時效處理、深冷處理和時效處理，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，而且簡化了熱處理工藝，降低了生產總成本。本發明通過連續熱處理使得到的馬氏體時效鋼合金中形成了富銅相和ni3ti核殼結構，實現軟、硬納米粒子的復合強化，且不損失馬氏體時效鋼的韌性。

　　實施例結果表明，本發明提供的馬氏體時效鋼的抗拉強度＞3000mpa，屈服強度＞2700mpa，延伸率＞10％，本發明實現了降本增效，滿足了紡織鉤針和射釘槍撞針等耗材的需求。

　　具體實施方式

　　本發明提供了一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，按質量含量計，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分為：ni：18.0-20.0％，co：15.0-18.0％，mo：7.0-8.0％，ti：1.5-2.5％，cu：4.0-6.0％，c＜0.005％，o＜0.001％，n＜0.002％，p＜0.001％，s＜0.001％，余量為fe；所述c、o、n、p、s的總含量＜0.01％。

　　本發明的設計思想為：在現有的馬氏體時效鋼體系中添加銅元素，優化馬氏體時效鋼中其它合金元素的質量配比，結合鍛造、熱處理的連續實施達到成本降低的目的；在本發明中，cu在馬氏體時效鋼中是奧氏體形成元素，降低馬氏體開始轉變溫度，在馬氏體中的固溶度極小，因此在馬氏體時效鋼時效處理后具有極高的強化效果，而且不損失韌性。同時，cu在時效處理過程中優先析出，能為金屬間化合物ni3ti起到形核質點的作用，形成富銅相和ni3ti核殼結構，實現“軟”、“硬”納米粒子的復合強化，具有更高的強化效果。發明人發現，cu作為形核質點這種作用，加入量不宜過少，過少的cu含量與ni3ti同時析出，不能形成核殼結構，強化效果不理想；但過量的cu容易造成該鋼在鍛造過程中發生“熱脆”開裂現象，影響成材率。

　　在本發明中，以質量含量計，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分包括ni：18.0-20.0％，優選為18.5-19.5％，更優選為19％；

　　以質量含量計，本發明所述馬氏體時效鋼的化學組成成分還包括co：15.0-18.0％，優選為15.5-16.5％，更優選為16％；

　　以質量含量計，本發明所述馬氏體時效鋼的化學組成成分還包括mo：7.0-8.0％，優選為7.0-7.5％，更優選為7.3％；

　　以質量含量計，本發明所述馬氏體時效鋼的化學組成成分還包括ti：1.5-2.5％，優選為1.5-1.8％，更優選為1.6％；

　　以質量含量計，本發明所述馬氏體時效鋼的化學組成成分還包括cu：4.0-6.0％，優選為4.0-6.0％，更優選為5％；

　　在本發明中，所述馬氏體時效鋼的配料采用超純金屬原材料(fe、ni、co、cu、ti、mo)進行配料，以得到高純極低雜質馬氏體時效鋼，所述超純金屬原材料的純度均大于99.99％，更有利于在馬氏體時效鋼的熔煉和連續鍛造過程中對c、o、n、p、s含量的控制。本發明對所述超純金屬原材料(fe、ni、co、cu、ti、mo)的來源沒有特殊限定，采用本領域技術人員熟知的市售超純金屬原材料即可。

　　本發明提供了上述方案所述的超高強度高韌性馬氏體時效鋼的制備方法，包括如下步驟：

　　(1)將超純金屬原材料在真空下依次進行初次真空感應熔煉和二次精煉，得到鋼錠；

　　(2)將所述步驟(1)中的鋼錠進行均勻化熱處理；

　　(3)將所述步驟(2)中均勻化熱處理后的鋼錠直接進行鍛造，得到坯料；

　　(4)將所述步驟(3)中的坯料進行連續熱處理，所述連續熱處理是將鍛造后的坯料直接進行奧氏體時效處理、深冷處理和時效處理，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　本發明將超純金屬原材料在真空下依次進行初次真空感應熔煉和二次精煉，得到鋼錠。

　　在本發明的具體實施例中，優選先將fe、ni、co、cu、ti、mo超純金屬原材料進行配料，所述配料是按照設計的各金屬元素的優選用量范圍進行預配置，后期冶煉處理過程中的損耗忽略不計。

　　本發明優選將配置好的超純金屬原材料混合后置于真空感應爐中進行初次真空感應熔煉，所述初次真空感應熔煉的溫度優選為1450～1550℃，更優選為1500℃～1550℃，進一步優選為1550℃；所述真空感應爐內的真空度優選＜1×10-4pa。

　　本發明優選將熔煉后的鋼水澆鑄鋼錠并加工成自耗電極，然后進行二次精煉，本發明采用真空自耗爐進行二次精煉，所述真空自耗爐內的真空度優選＜1×10-4pa。本發明將二次精煉后得到的鋼錠進行均勻化熱處理。在本發明中，所述均勻化熱處理是將鋼錠加熱后進行保溫，所述保溫的溫度優選為1170～1230℃，更優選為1190～1210℃，進一步優選為1200℃，所述保溫的時間優選為24～30h，更優選為25～27h，進一步優選為26h。本發明通過均勻化熱處理，使鋼錠內部的金屬元素達到均勻化，消除澆鑄過程中存在的缺陷。

　　本發明將均勻化熱處理后的鋼錠直接進行鍛造，得到坯料。在本發明中，所述鍛造優選采用連續多次熱鍛工藝，所述連續多次熱鍛工藝是將均勻化熱處理后的坯料直接在合適溫度下進行多次鍛造，而不必再重新加熱，且每次鍛造的變形量逐步增加，鍛造完成后鋼錠不能低于設定溫度，具體為：鋼錠在鍛造的初鍛溫度優選為1100～1200℃，終鍛溫度優選不低于850℃；所述鍛造的變形量優選滿足：第1次鍛造變形量＜5％，第2次鍛造變形量＜10％，第3次鍛造變形量＜15％，終鍛后的總變形量≥90％，鍛造比＞12。本發明采用將均勻化熱處理后的坯料直接進行連續多次的熱鍛的方式，不僅可以防止鋼錠發生開裂，保證了鋼錠內部元素的致密和均勻性能，而且可以節省二次加熱，降低生產成本。

　　本發明將鍛造得到的坯料進行連續熱處理，所述連續熱處理是將鍛造后的坯料直接進行奧氏體時效處理、深冷處理和時效處理。本發明優選將鍛造得到的坯料直接進行奧氏體時效處理，而不必進行重新加熱，然后依次進行深冷處理和時效處理，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　在本發明的具體實施例中，所述奧氏體時效處理的溫度優選為680～720℃，更優選為700℃，時間優選為2～4h，更優選為3h；所述奧氏體時效處理優選在熱處理爐中進行。

　　奧氏體時效處理完成后，本發明優選將處理后的坯料進行深冷處理。本發明優選將奧氏體時效處理后的坯料空冷至室溫，然后再進行深冷處理；所述深冷處理優選為將坯料放入液氮中保持2h以上。

　　深冷處理完成后，本發明將處理后的坯料進行時效處理。本發明優選將深冷處理后的坯料空冷至室溫，然后再進行時效處理；所述時效處理的溫度優選為480～520℃，更優選為500℃，時間為1～3h，更優選為2h。

　　時效處理完成后，本發明優選將時效處理后的坯料空冷至室溫，即得到本發明的超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　本發明上述方案所述超高強度高韌性馬氏體時效鋼的抗拉強度＞3000mpa，屈服強度＞2700mpa，延伸率＞10％。在本發明中，關鍵在于調整馬氏體時效鋼中的銅含量并輔以合理的連續交替的熱處理手段組合，需要說明的是：傳統馬氏體時效鋼的時效熱處理通常是在鍛造后重新加熱到高于800℃進行至少2h固溶處理，空冷至室溫，然后在液氮中保持較長時間(大于5h)才可獲得全馬氏體基體，最后再進行時效熱處理獲得強化效果。而本發明終鍛溫度不低于850℃，終鍛后直接進行680～720℃的熱處理進行奧氏體時效，一方面省去了重新加熱固溶處理，節省了電能和制備環節，達到了降本增效的目的；另一方面，在680～720℃熱處理進行奧氏體時效使其從奧氏體中析出金屬間化合物和富銅相，如ni3ti、富cu相。于是奧氏體合金含量降低，馬氏體開始轉變點(ms)和馬氏體結束轉變點(mf)上升，隨后冷卻時奧氏體大部分轉化為馬氏體。這樣在時效硬化處理只進行較短時間的冷處理，即可保證獲得完全的馬氏體轉變，達到馬氏體強化和析出強化的雙重目的。

　　本發明還提供了上述方案所述超高強度高韌性馬氏體時效鋼或上述技術方案所述制備方法制備得到的超高強度高韌性馬氏體時效鋼作為紡織鉤針或射釘槍撞針的應用。

　　下面結合實施例對本發明提供的超高強度高韌性的馬氏體時效鋼及其制備方法進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發明保護范圍的限定。

　　實施例1

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼的制備方法：包括步驟如下：

　　(1)將fe、ni、co、cu、ti、mo超純金屬原材料進行配料，混合后置于真空感應爐中進行初次真空感應熔煉，熔煉溫度為1550℃，澆鑄鋼錠并加工成自耗電極，在真空自耗爐中進行二次精煉；

　　(2)將精煉以后澆鑄成的鋼錠置于熱處理爐中均勻化熱處理，升溫至1200℃，保溫26h；

　　(3)將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造加工得到坯料：初鍛溫度為1150℃，鋼錠第1次鍛打變形量為4％，第2次鍛打變形量為8％，第3次鍛打變形量為12％，終鍛后的總變形量為92％，終鍛溫度為900℃，鍛造比14。

　　(4)將坯料進行奧氏體時效處理：放進700℃熱處理爐中保溫3h，隨后空冷至室溫；

　　將奧氏體時效后的坯料進行深冷處理：在液氮中保持3h，空冷至室溫；

　　將液氮處理后的坯料進行時效處理：在500℃熱處理爐中保溫2h，空冷至室溫，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　測得的實施例1制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：19.2％，co：16.3％，mo：7.3％，ti：1.6％，cu：5.5％，c：0.003％，o：0.0008％，n：0.001％，p：0.0009％，s：0.0007％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3054mpa，屈服強度為2832mpa，延伸率為11.5％。

　　實施例2

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其制備方法同實施例1，但原材料配比略微調整，測得的實施例2制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：18.2％，co：15.7％，mo：7.4％，ti：1.6％，cu：5.1％，c：0.002％，o：0.0008％，n：0.001％，p：0.0008％，s：0.0006％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3014mpa，屈服強度為2722mpa，延伸率為10.5％。

　　實施例3

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其制備方法同實施例1，但原材料配比略微調整，測得的實施例3制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：19.0％，co：17.5％，mo：7.2％，ti：1.5％，cu：5.2％，c：0.001％，o：0.0008％，n：0.0015％，p：0.0008％，s：0.0007％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3025mpa，屈服強度為2713mpa，延伸率為10.5％。

　　實施例4

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其制備方法同實施例1，但原材料配比略微調整，測得的實施例4制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：18.9％，co：16.1％，mo：7.2％，ti：1.6％，cu：4.1％，c：0.002％，o：0.0008％，n：0.0016％，p：0.0009％，s：0.0006％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3005mpa，屈服強度為2703mpa，延伸率為10.2％。

　　實施例5

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其制備方法同實施例1，但原材料配比略微調整，測得的實施例5制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：18.7％，co：16.2％，mo：7.7％，ti：2.3％，cu：5.6％，c：0.001％，o：0.0005％，n：0.0009％，p：0.0008％，s：0.0005％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3033mpa，屈服強度為2721mpa，延伸率為10.1％。

　　由本發明實施例1-5可以看出，通過控制ni、co、cu、ti、mo金屬原料的配比，在本發明技術方案提供的優選用量范圍內的金屬元素制備得到的馬氏體時效鋼都能夠獲得更好的強韌性能匹配。

　　對比例1

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其制備方法同實施例1，但其原材料未使用銅，其它原材料及配比同實施例1，測得的對比例1制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：19.4％，co：16.0％，mo：7.2％，ti：1.7％，c：0.004％，o：0.0009％，n：0.001％，p：0.0008％，s：0.0005％。

　　其力學性能為抗拉強度2913mpa，屈服強度為2786mpa，延伸率為9.2％。

　　對比本發明實施例1和對比例1可發現，本發明實施例1在馬氏體時效鋼中加入cu后，其拉伸強度、屈服強度和延伸率均有提升，可見，本發明加入銅元素并調整優選范圍的cu含量，能夠顯著提升馬氏體時效鋼的強韌性。

　　對比例2

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，其原材料及配比與實施例1相同，不同之處在于，將制備方法中步驟(3)的鍛造參數調整如下：

　　(3)將均勻化處理后的鋼錠進行鍛造加工得到坯料：初鍛溫度為1150℃，鋼錠第1次鍛打變形量為10％，第2次鍛打變形量為15％，第3次鍛打變形量為20％，鍛造過程中鋼坯出現開裂現象，導致坯料制備失敗。

　　對比本發明實施例1和對比例2可發現，鍛造過程中鋼錠第1-3次鍛打變形量不宜過大，否則將會出現開裂現象，影響坯料性能。

　　對比例3

　　一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼的制備方法：包括步驟如下：

　　(1)不使用超純金屬原料，將雜質含量較高的fe、ni、co、cu、ti、mo金屬原材料進行配料，混合置于真空感應爐中進行初次真空感應熔煉，澆鑄鋼錠并加工成自耗電極，在真空自耗爐中進行二次精煉；

　　(2)將精煉以后澆鑄成的鋼錠置于熱處理爐中均勻化熱處理，升溫至1180℃，保溫26h；

　　(3)將均勻化熱處理后的鋼錠進行鍛造加工得到坯料：初鍛溫度為1120℃，鋼錠第1次鍛打變形量為4％，第2次鍛打變形量為7％，第3次鍛打變形量為14％，終鍛后的總變形量為91％，終鍛溫度為870℃，鍛造比13。

　　(4)將坯料進行奧氏體時效處理：放進680℃熱處理爐中保溫3h，隨后空冷至室溫；

　　將奧氏體時效后的坯料進行深冷處理：在液氮中保持3h，空冷至室溫；

　　將液氮處理后的坯料進行時效處理：在500℃熱處理爐中保溫2h，空冷至室溫，得到超高強度高韌性的馬氏體時效鋼。

　　測得的對比例3制備的產品化學成分(重量百分比)如下：ni：19.1％，co：15.7％，mo：7.3％，ti：1.7％，cu：5.4％，c：0.01％，o：0.003％，n：0.02％，p：0.005％，s：0.005％。

　　經測定其力學性能為抗拉強度3012mpa，屈服強度為2792mpa，延伸率為6.5％。

　　對比本發明實施例1和對比例3可發現，若不控制金屬原料的純度，熔煉鍛造的過程中雜質元素c、o、n、p、s得不到嚴格的限制，雖然抗拉強度可達到3000mpa，但延伸率急劇下降。

　　以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

　　技術特征：

　　技術總結

　　本發明提供了一種超高強度高韌性的馬氏體時效鋼，按質量含量計，所述馬氏體時效鋼的化學組成成分為：Ni：18.0?20.0％，Co：15.0?18.0％，Mo：7.0?8.0％，Ti：1.5?2.5％，Cu：4.0?6.0％，C＜0.005％，O＜0.001％，N＜0.002％，P＜0.001％，S＜0.001％，余量為Fe；所述C、O、N、P、S的總含量＜0.01％。本發明超高強度高韌性的馬氏體時效鋼中形成了富銅相和Ni3Ti核殼結構，實現軟、硬納米粒子的復合強化，且不損失韌性，其抗拉強度＞3000Mpa，屈服強度＞2700Mpa，延伸率＞10％，滿足了紡織鉤針和射釘槍撞針等耗材降本增效的需求。

　　技術研發人員：胡光;王威;馬天龍;史顯波;郭亮

　　受保護的技術使用者：沈陽融榮科技有限公司

　　技術研發日：2018.11.12

　　技術公布日：2019.01.01