專利名稱：三相納米復(fù)合鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼合金，特別是那些具有高強度、高韌性、高抗腐蝕性和具有特殊物理和化學性質(zhì)的高冷成形性的鋼合金，還涉及加工鋼合金形成能使鋼顯微結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
以下一些美國專利介紹了高強度、高韌性且可冷成形的鋼合金，它們具有馬氏體和奧氏體復(fù)相顯微結(jié)構(gòu)，這些專利全部參考結(jié)合于此4170497(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，發(fā)布于1979年10月9日，申請?zhí)峤挥?977年8月24日；4170499(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，發(fā)布于1979年10月9日，申請?zhí)峤挥?978年9月14日，是提交于1977年8月24日的以上申請的部分續(xù)申請；4619714(Gareth Thomas，Jae-Hwan Ahn和Nack-Joon Kim)，發(fā)布于1986年10月28日，申請?zhí)峤挥?984年11月29日，是提交于1984年8月6日的申請的部分續(xù)申請；4671824(Gareth Thomas，Nack-Joon Kim和Ramamoorthy Ramesh)，發(fā)布于1987年6月9日，申請?zhí)峤挥?985年10月11日；6273968(Gareth Thomas)，發(fā)布于2001年8月14日，申請?zhí)峤挥?000年3月28日。
顯微結(jié)構(gòu)對于特殊鋼合金性質(zhì)的形成具有關(guān)鍵作用，因而合金強度和韌性不僅取決于對合金元素種類和用量的選擇，還取決于顯微結(jié)構(gòu)中存在的結(jié)晶相和它們的排列。用于某些環(huán)境的合金需要高強度和韌性，并且通常需要一些相互矛盾的性質(zhì)的組合，因為有利于一種性質(zhì)的某些合金元素可能不利于另一種性質(zhì)。
以上所列專利介紹的合金是碳鋼合金，它們的顯微結(jié)構(gòu)包含交替的馬氏體板條和奧氏體薄膜，專利4619714所介紹的合金是低碳兩相鋼合金。這些專利介紹的某些合金中，馬氏體中分散著自動回火產(chǎn)生的碳化物細晶粒。一種板條相為另一種薄膜相分隔的排列稱作“錯位板條”結(jié)構(gòu)，其形成過程是先將合金加熱到奧氏體范圍，然后將合金冷卻到低于相變溫度的一個溫度范圍，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時軋制或鍛造獲得所需產(chǎn)品形狀，并改善板條和薄膜交替的排列方式。此顯微結(jié)構(gòu)較之孿生馬氏體結(jié)構(gòu)較好，因為板條結(jié)構(gòu)具有較大的硬度。所述專利還介紹，板條區(qū)中的過剩碳在冷卻過程中發(fā)生所謂的“自動回火”現(xiàn)象形成滲碳體(碳化鐵，F(xiàn)e3C)而沉淀，據(jù)專利’968介紹，自動回火可通過限制合金元素的選擇使馬氏體起始溫度Ms即馬氏體相先開始形成的溫度為350℃或更高來加以避免。在某些合金中，乍動回火碳化物能提高鋼的硬度，而在其他合金中該碳化物則限制硬度。
錯位板條結(jié)構(gòu)形成高強度鋼，它又硬又脆，這些性質(zhì)正是阻止裂紋散布和由鋼成功制造工程部件的充分成形性能所需要的性質(zhì)。獲得所需強度和硬度的最有效途徑是控制馬氏體相，以便形成錯位板條結(jié)構(gòu)而不是孿生結(jié)構(gòu)，而殘余奧氏體的薄膜則能提高脆性和成形性能。要獲得這種錯位板條顯微結(jié)構(gòu)而非不太好的孿生結(jié)構(gòu)，可仔細挑選合金組成，而這又會影響Ms值。
在某些應(yīng)用中，要求鋼合金能在非常寬的條件范圍(包括非常低的溫度)內(nèi)保持強度、脆性、硬度和抗腐蝕性。本發(fā)明介紹了能形成高強度、高硬度，能抗腐蝕的鋼的各個方面。
發(fā)明概述現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有三相晶體結(jié)構(gòu)的碳鋼合金在較寬的條件范圍內(nèi)能表現(xiàn)出高的性能和抗腐蝕性。三相晶體結(jié)構(gòu)是鐵素體、奧氏體和馬氏體結(jié)晶相的獨特組合，其中鐵素體晶體與包含以上專利所介紹的錯位板條結(jié)構(gòu)，即馬氏體板條與奧氏體薄膜交替之結(jié)構(gòu)的合金結(jié)合。此三相結(jié)構(gòu)可通過多種方法形成，可用組成廣泛，加工路徑多種多樣，包括各類鑄造、熱處理和軋制或鍛造過程。用于形成三相結(jié)構(gòu)的合金組合物的馬氏體起始溫度約為300℃或以上，宜為約350℃或以上。這可保證錯位板條馬氏體結(jié)構(gòu)成為整體顯微結(jié)構(gòu)中的一部分。為此，碳含量最多為0.35重量％。
形成此顯微結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方法涉及單碳鋼合金組合物的冶金過程，即從奧氏體相分段冷卻。此方法的第一個冷卻階段發(fā)生奧氏體相的部分再結(jié)晶，沉淀鐵素體，從而形成奧氏體和鐵素體組成的雙相晶體結(jié)構(gòu)。此第一個冷卻階段達到的溫度決定了奧氏體與鐵素體之比，這從具體合金的相圖中很容易看出來。一旦達到此溫度后，可對鋼進行熱加工，以進一步均勻化和尺寸減小，并根據(jù)所需成品進行成形。熱加工可以是進行受控軋制，形成圓的或平的成品，或者進行鍛造成為各種成形產(chǎn)品，如刀片、農(nóng)具、鋼盔、太陽椅等。在此中等溫度熱加工后，進行第二個階段的冷卻過程，大部分奧氏體在此階段轉(zhuǎn)變成馬氏體，剩余的奧氏體以薄膜形式與馬氏體板條交替存在，從而使奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)殄e位板條結(jié)構(gòu)。第二階段的冷卻過程要進行迅速，以防形成貝氏體相和珠光體相，并一般地防止沉淀中間相(即在分隔兩個相鄰相的邊界的沉淀物)。這里的最小冷卻速率隨合金組成而異，但一般從每個合金的轉(zhuǎn)變-溫度-時間相圖中很容易看出。這種相圖的一個例子見圖3，下面將加以討論。
所得三相晶體結(jié)構(gòu)能形成各種性質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)鋼的鋼合金，這些性質(zhì)包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、沖擊能量-溫度關(guān)系、抗腐蝕性能和疲勞斷裂硬度。借助以下描述，可更好地理解本發(fā)明的上述及其他目標、特點和優(yōu)點。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明合金顯微結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是顯示本發(fā)明一種具體碳鋼合金在不同溫度與碳含量時不同結(jié)晶相的相圖。
圖3是說明本發(fā)明一種具體Fe/Si/C鋼的處理過程和第二個冷卻階段的條件的動力學轉(zhuǎn)變-溫度-時間圖。
圖4是比較本發(fā)明合金與先有技術(shù)AISI鋼A706的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的圖。
圖5是本發(fā)明合金的charpy擺錘式?jīng)_擊能量-溫度曲線，顯示出異常的低溫硬度。
具體實施例方式
詳述本發(fā)明的三相晶體結(jié)構(gòu)包含兩類晶粒——鐵素體晶粒和馬氏體-奧氏體晶粒，它們連貫地結(jié)合在一起，其中馬氏體-奧氏體晶粒包含具有錯位板條結(jié)構(gòu)的馬氏體板條。單個晶粒尺寸不是關(guān)鍵因素，可有很大變化。但為獲得最佳結(jié)果，粒徑(或其他合適的線性尺寸特征)一般在約2-100微米范圍內(nèi)，宜在約5-30微米范圍內(nèi)。在馬氏體-奧氏體晶粒中，馬氏體板條一般寬約0.01-0.3微米(奧氏體薄膜隔開的相鄰板條寬度)，宜寬約0.05-0.2微米。鐵素體相相對于馬氏體-奧氏體的量可有很大變化，也不是本發(fā)明的關(guān)鍵因素。但多數(shù)情況下，當馬氏體-奧氏體晶粒占三相晶體結(jié)構(gòu)約5-95重量％，宜為約15-60重量％，最好為約20-40重量％時，能獲得最佳結(jié)果。
碳含量也可在0.35重量％的限制內(nèi)變化。多數(shù)情況下，碳含量約為0.01-0.35％，宜約為0.03-0.3％，最好約為0.05-0.2％時，可獲得最佳結(jié)果。如上所述，板條內(nèi)碳化物或碳氮化物可能沉淀，即沉淀物存在于馬氏體板條內(nèi)而不是沿著板條邊界，這就有利地避免了中間相(沿邊界)沉淀物。本發(fā)明的某些實施方式中還存在其他合金元素。一個例子是硅，其在優(yōu)選實施方式中的含量約為0.1-3％，宜約為1-2.5％。另一個例子是鉻，它可以完全不存在(如在無鉻Fe/Si/C鋼中)，如果存在的話，其含量約為1-13wt％，宜約為6-12wt％，更宜約為8-10重量％。本發(fā)明各實施方式中可包含的其他合金元素有錳、鎳、鈷、鋁和氮等，它們可以單獨存在，也可以混合存在。也可以存在微量合金元素，如鉬、鈮、鈦和礬。這里所有的百分數(shù)均為重量百分數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)選三相晶體結(jié)構(gòu)也可以基本上不含碳化物。如上所述，碳化物和其他沉淀物是在自動回火過程中產(chǎn)生的。沉淀物對鋼硬度的影響取決于沉淀物在鋼顯微結(jié)構(gòu)中的形貌。如果沉淀物位于兩相邊界，則結(jié)果將降低硬度和抗腐蝕性。位于相內(nèi)的沉淀物只要直徑不大于500，就不會損害硬度。實際上，這些相內(nèi)沉淀物能夠提高硬度。但是，沉淀物一般都會削弱抗腐蝕性。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，只要沉淀物不是在不同結(jié)晶相的界面上形成，自動回火是允許發(fā)生的。這里所用術(shù)語“基本上沒有碳化物”是指，如果實際存在碳化物的話，則其含量很小，不會對最后所得合金的性能造成不利影響，特別是抗腐蝕性。
本發(fā)明的三相合金可這樣制備先混合所需的各合適組分形成具有預(yù)定組成的合金，然后在足夠高的溫度下進行均勻化(即“均熱處理”)該組合物足夠長的時間，形成均勻奧氏體結(jié)構(gòu)，此時所有元素和組分呈固溶體。這種均勻化的條件對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的；典型的溫度范圍是1050-1200℃。按照本領(lǐng)域常用做法，均熱處理之后往往要進行軋制，使尺寸縮小10％或更大，許多情況下縮小約30-60％。這有利于合金元素的擴散，形成均勻的奧氏體結(jié)晶相。
奧氏體相一旦形成，合金組合物的溫度就冷卻到中間臨界區(qū)，該區(qū)定義為奧氏體和鐵素體相平衡共存的區(qū)域。這樣，該冷卻過程就引起部分奧氏體再結(jié)晶，形成鐵素體晶粒，余下的仍為奧氏體。處于平衡的兩相的相對含量隨著該階段組合物冷卻到的溫度而變，也隨著各合金元素含量而變。碳在兩相(再次處于平衡)之中的分布也隨著溫度變化。如上所述，兩相的相對含量不是本發(fā)明的關(guān)鍵因素，是可以變化的，但宜在一定范圍內(nèi)變化。為獲得雙相鐵素體-奧氏體結(jié)構(gòu)，根據(jù)合金組成，奧氏體要冷卻到的溫度宜約為750-950℃，更宜約為775-900℃。
雙相鐵素體-奧氏體結(jié)構(gòu)一旦形成后(即一旦中間臨界相在選定溫度下達到平衡后)，對合金快速冷卻淬火，使之通過奧氏體過渡區(qū)，將奧氏體晶體轉(zhuǎn)變?yōu)殄e位板條顯微結(jié)構(gòu)。冷卻速率要足夠大，以基本上變化成為鐵素體相。但除此之外，在本發(fā)明優(yōu)選實施方式中，冷卻速率要足夠大，以避免形成貝氏體和珠光體以及氮化物和碳氮化物沉淀物(具體情況取決于合金組成)，還要避免任何沉淀物沿相的邊界形成。這里所用術(shù)語“中間相沉淀”和“中間相沉淀物”指沿著相邊界的沉淀，在馬氏體和奧氏體相之間，即板條和隔離板條的薄膜之間的某些位置形成小的化合物沉積物?！爸虚g相沉淀物”不包括奧氏體膜本身。所有這些不同沉淀物的形成過程在這里均統(tǒng)稱“自動回火”，所述沉淀物包括貝氏體、珠光體、氮化物和碳氮化物沉淀物。避免自動回火所需最低冷卻速率從合金的轉(zhuǎn)變-溫度-時間圖上可以看出。圖中縱軸表示溫度，橫軸表示時間，圖中曲線表示每個相單獨存在或與其他相共存的區(qū)域。這種圖的典型例子見Thomas的美國專利6273968 B1(上面曾引用過)，另一個例子是本發(fā)明的圖3，下面將要討論。在這些圖中，最低冷卻速率是溫度隨時間下降的斜線，它靠近C形曲線的左邊。曲線右邊的區(qū)域代表碳化物的存在，因此，可接受的冷卻速率是曲線左邊的線所代表的速率，最低速率的斜率最小，靠近曲線。
根據(jù)合金組成，足夠大的能滿足此要求的冷卻速率可以通過水冷卻或空氣冷卻得到。一般地，如果降低合金組合物中某些合金元素的含量，該組合物可通過空氣冷卻，并且仍有足夠高的冷卻速率，則需要提高其他合金元素的含量，以保證能夠用空氣冷卻。例如，降低碳、鉻或硅等中一種或多種合金元素，可通過提高錳等元素的含量來加以補償。
滿足本發(fā)明目的的優(yōu)選合金組合物包含約0.05-0.1重量％碳，約0.3-5wt％鎳，約2wt％硅，其他為鐵。鎳可被錳取代，其含量至少約為0.5重量％，較好為1-2重量％；鎳和錳也可以同時存在。優(yōu)選淬火方法是通過水冷卻。優(yōu)選合金組合物也可以是含有馬氏體起始溫度約為300℃或更高的合金組合物。
本發(fā)明可采用上面引用的美國專利中所述的處理過程和條件，特別是熱處理、晶粒細化、在線鍛造和形成圓形、平面形和其他形狀所用的軋制機，將合金組合物加熱到奧氏體相，將合金從奧氏體相冷卻到中間臨界相，然后冷卻通過馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。軋制以受控方式在奧氏體化和第一階段冷卻過程中一步或分步進行，例如幫助合金元素擴散形成均勻奧氏體結(jié)晶相，然后使晶體晶粒變形，并在晶粒中存儲應(yīng)變能，而在第二個冷卻階段，可通過軋制使新形成的馬氏體相進入為殘余奧氏體薄膜所分隔的錯位奧氏體板條結(jié)構(gòu)中。軋制的尺寸縮小程度可以變化，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。在馬氏體-奧氏體錯位板條晶體中，殘余奧氏體膜占整個顯微結(jié)構(gòu)體積約0.5-15％，宜約為3-10％，最好約為5％的最大值。奧氏體占整個三相顯微結(jié)構(gòu)的比例最大可達約5％。單片殘余奧氏體膜的實際寬度宜在約50-250范圍內(nèi)，宜為約100。一般地，奧氏體占整個三相顯微結(jié)構(gòu)的比例最多約為5％。
圖1是本發(fā)明三相晶體結(jié)構(gòu)的示意圖。該結(jié)構(gòu)包含結(jié)合在一起的鐵素體晶粒11和馬氏體-奧氏體晶粒12，每個馬氏體-奧氏體晶粒12具有錯位板條結(jié)構(gòu)，含有由馬氏體相晶體組成的彼此基本平行的板條13，所述板條為殘余奧氏體相薄膜14所分隔。
圖2是一類碳鋼的相圖，所示為它們在各冷卻階段的轉(zhuǎn)變過程和不同碳濃度的影響。此具體相圖表示含2％硅的碳鋼的相圖。右上面標記為“γ”的區(qū)域表示奧氏體相；標記為“α”的所有其他區(qū)域代表鐵素體相。在奧氏體化階段，合金加熱到右上全γ區(qū)。碳含量為0.1％的垂直虛線是0.1％碳鋼合金(含2％硅)自奧氏體相冷卻時形成的相。如果冷卻在900℃(“T-1”)停止，碳在兩相中的濃度是T-1線與兩條曲線相交的地方所指示的濃度。在圖2所示情況下，兩相冷卻到T-1后，鐵素體相中的碳含量約為0.001％，奧氏體相中為0.14％。兩相的比例也由選定溫度決定。雖然從相圖中看不出這個比例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員不難確定。在圖2所示情況中，T-1處的比例為60％奧氏體和40％碳素體。如果將鋼冷卻到800℃(“T-2”)，兩相中的碳濃度為T-2線與兩條曲線相交的地方所指示的濃度，這些濃度與900℃所對應(yīng)的濃度不同，而相的比例也同樣不同。在此情況中，鐵素體相中的碳含量約為0.03％，奧氏體相中的碳含量約為0.3％。兩相的相對量約為25％奧氏體，75％鐵素體。這種比例的選擇可通過選擇第一個階段發(fā)生冷卻的溫度，并將奧氏體的Ms溫度保持在300℃以上來實現(xiàn)。
一旦第一個冷卻階段完成后，可利用本領(lǐng)域已知方法對鋼進行受控軋制，以控制晶粒尺寸，并針對最終用途使鋼成形。
然后進行第二個冷卻階段，使馬氏體相形成錯位板條結(jié)構(gòu)。如上所述，這個階段的冷卻速率要足夠快，防止形成貝氏體和珠光體以及任何中間相沉淀物。圖3是第二個冷卻階段的動力學轉(zhuǎn)變-溫度-時間圖，相應(yīng)合金含0.079％C、0.57％Mn和1.902％Si。所用符號含義如下“A”奧氏體“M”馬氏體“F”鐵素體“B”貝氏體“UB”上貝氏體“LB”下貝氏體“P”珠光體“Ms”馬氏體起始溫度(420℃)“Mf”馬氏體終止溫度(200℃)圖3中的斜虛線表示一般能避免貝氏體或珠光體及中間相沉淀物形成的最慢冷卻速率，因此可采用該冷卻速率或更陡峭的線所代表的冷卻速率。
圖4是應(yīng)力-應(yīng)變曲線，比較了本發(fā)明具有三相晶體結(jié)構(gòu)的碳鋼合金和傳統(tǒng)AISI A706鋼合金，具有三相晶體結(jié)構(gòu)的碳鋼合金中馬氏體-奧氏體相占整個顯微結(jié)構(gòu)的40％，板條間奧氏體占整個顯微結(jié)構(gòu)的2％。拉伸強度與屈服強度之比大于1.5，該圖顯示了本發(fā)明合金的優(yōu)越性。
圖5是與圖4所示相同的本發(fā)明碳鋼合金的擺錘式?jīng)_擊能量-溫度圖。
本發(fā)明的鋼合金特別適合用來制造需要高拉伸強度的產(chǎn)品，尤是是要在鹽湖/海洋環(huán)境中使用的產(chǎn)品。
以上所述僅為了說明的目的。可以改變合金組成、處理程序和條件等參數(shù)，只要體現(xiàn)出本發(fā)明的基本思路和新穎思想。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易做出這些變化，它們包含在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包含鐵和最多0.35重量％碳的合金碳鋼，其特征在于，所述合金碳鋼具有鐵素體與馬氏體-奧氏體結(jié)合形成的三相顯微結(jié)構(gòu)，所述馬氏體-奧氏體包含和奧氏體薄膜交替排列的馬氏體板條。
2.權(quán)利要求1所述合金碳鋼，其特征在于所述馬氏體-奧氏體晶體在相界面上不形成碳化物沉淀物。
3.權(quán)利要求1所述合金碳鋼，其特征在于所述馬氏體-奧氏體晶體占所述三相顯微結(jié)構(gòu)的大約20-40重量％。
4.權(quán)利要求1所述合金碳鋼，其特征在于所述碳占所述三相顯微結(jié)構(gòu)的量約為0.05-0.2重量％。
5.權(quán)利要求1所述合金碳鋼，其特征在于它還包含硅，其濃度約占所述合金組合物的1-2.5重量％。
6.權(quán)利要求1所述合金碳鋼，其特征在于所述碳約占所述三相顯微結(jié)構(gòu)的0.05-0.2重量％，還包含硅，其濃度約占所述合金組合物的1-2.5重量％，且基本上不含碳化物。
7.制造高強度、高抗腐蝕性的韌性合金碳鋼的方法，所述方法包括(a)形成包含鐵和至少一種合金元素的合金組合物，所述合金元素最多約含0.35重量％的碳，使所述合金組合物在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中的馬氏體起始溫度至少約為300℃；(b)將所述合金組合物加熱到足夠高的溫度，引起奧氏體化，所用條件能使合金組合物形成均勻的奧氏體相，所有合金元素都在固溶體中；(c)充分冷卻所述均勻奧氏體相，使所述奧氏體相的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，從而形成兩相顯微結(jié)構(gòu)，其中鐵素體與奧氏體結(jié)合在一起；(d)冷卻所述兩相顯微結(jié)構(gòu)，通過所述馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，所用條件使所述奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體板條與殘余奧氏體膜交替存在的顯微結(jié)構(gòu)。
8.權(quán)利要求7所述方法，其特征在于步驟(d)是以足夠快的速度冷卻所述兩相顯微結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)自動回火。
9.權(quán)利要求7所述方法，其特征在于步驟(c)是將所述均勻奧氏體相冷卻到約775-900℃之間的溫度。
10.權(quán)利要求7所述方法，其特征在于所述碳約占所述合金組合物重量的0.05-0.2重量％，所述合金組合物還包含約1-2.5重量％的硅。
全文摘要
介紹了一種高性能碳鋼，它包含鐵素體(11)晶粒與含錯位板條結(jié)構(gòu)的晶粒結(jié)合而成的三相顯微結(jié)構(gòu)，所述錯位板條結(jié)構(gòu)中馬氏體(13)板條與奧氏體(14)膜交替分布。該結(jié)構(gòu)包含與馬氏體－奧氏體晶粒(12)結(jié)合的鐵素體晶粒(11)，每個馬氏體－奧氏體晶粒(12)具有錯位板條結(jié)構(gòu)，它包含由馬氏體相晶粒組成的基本平行的板條(13)，所述板條為殘余奧氏體相薄膜(14)所分隔。所述顯微結(jié)構(gòu)可通過一種獨特的奧氏體化方法形成，它采用分步冷卻方式，避免形成貝氏體和珠光體，同時避免在相界面上形成沉淀物。所述顯微結(jié)構(gòu)可通過鑄造、熱處理、在線軋制、鍛造和其他常用冶金處理方法獲得，產(chǎn)生優(yōu)越的機械性能和抗腐蝕性能。
文檔編號C22C38/02GK1617941SQ02827964
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者G·J·庫辛斯基, D·伯拉克, G·托馬斯 申請人:Mmfx技術(shù)股份有限公司