冶金結(jié)合的不銹鋼的制作方法
【專利摘要】一種具有不銹鋼外部的鋼模；所述鋼模包括含有至少55重量%鐵的核心區(qū)域，所述核心區(qū)域冶金結(jié)合到由不銹鋼區(qū)域和結(jié)合區(qū)域構(gòu)成的不銹鋼涂層。所述不銹鋼區(qū)域可以具有約1微米至約250微米的厚度和跨越所述不銹鋼區(qū)域厚度的大約一致的不銹鋼組合物。所述不銹鋼組合物包括鐵和約10重量%至約30重量%鉻的摻合物。所述結(jié)合區(qū)域位于所述不銹鋼區(qū)域和所述核心區(qū)域之間，具有大于1微米并且小于所述不銹鋼區(qū)域厚度的厚度，并且具有結(jié)合組合物。所述結(jié)合組合物包括鐵和鉻的摻合物，具有大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近不銹鋼區(qū)域的鉻濃度，并且具有含有小于約5重量%鉻的、鄰近核心區(qū)域的鉻濃度。
【專利說明】冶金結(jié)合的不銹鋼
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及冶金結(jié)合到并負載不銹鋼外層的非不銹鋼產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼是世界上最普遍存在的結(jié)構(gòu)材料之一。遺憾的是，鋼易于氧化及因而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性和裝飾性失效。已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)以嘗試提供用于鋼的防護涂層，這些技術(shù)包括鍍鋅、鍍鋅退火(galvannealing)、鉻化處理(chromizing)、包層(cladding)、涂漆等。
[0003]一個保護鋼的好的方法是在鋼產(chǎn)品的外部提供不銹鋼組合物。鉻化處理是一種在鋼的表面生產(chǎn)鉻-鐵合金及由此形成的不銹鋼的常見方法。對鐵鉻化處理包括熱沉積-擴散法，鉻通過熱沉積-擴散法擴散到鋼中并在鋼基體中產(chǎn)生變化的鉻濃度。通常地，所述基體的表面具有最高的鉻濃度并且鉻濃度隨著進入基體的距離的增加而減小。鉻濃度通常遵循典型的擴散函數(shù)，也就是說，鉻濃度隨離開基體的距離而指數(shù)地降低。其它的鉻化處理產(chǎn)品，如描述于美國專利3，312，546中的那些，包括具有20%以上的鉻濃度的擴散涂層，該鉻濃度隨進入基體的距離而線性地降低(參見圖1)。這些高鉻含量的涂層看來是包含由主體基體(bulk substrate)負載的含鉻材料的箔或?qū)印?br> [0004]隨進入基體的深度而增長的鉻濃度可以影響材料的耐腐蝕性。也就是說，表面的磨損連續(xù)地產(chǎn)生具有更低的鉻濃度的新層，容易理解的是，所述新層具有比初始表面小的耐腐蝕性。由于鉻化的表面中可變的鉻濃度引起的這種不期望的效果，已經(jīng)由爆炸復(fù)合的出現(xiàn)克服了。
[0005]將不銹鋼爆炸焊接或爆炸復(fù)合到碳鋼上產(chǎn)生了冶金結(jié)合到碳鋼基體上的具有一致組合物的不銹鋼層。該技術(shù)克服了與鉻化處理相關(guān)的可變的濃度，但是其嚴重地受限于飛層(flying layer)的厚度、烈性炸藥的使用以及形成的冶金結(jié)合。在爆炸焊接的金屬中已經(jīng)觀察到了兩種類型的冶金結(jié)合:在烈性炸藥載荷下，橫截面由基層和飛層的波狀混合而組成，并且在較低的炸藥載荷下，橫截面包括飛層的顆粒向基層的注 \。例如，參見 Explosive welding of stainless steel-carbon steelcoaxial pipes, J.Mat.Sc1., 2012, 47-2, 685-695 ；和 Microstructure of Austeniticstainless Steel Explosively Bonded to low Carbon-Steel, J.Electron Microsc.(Tokyo), 1973，22-1, 13-18。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)沒有教導(dǎo)包括擴散結(jié)合到碳鋼基體的具有一致組合物的不銹鋼層的材料。理想地，這樣的材料將包括與爆炸焊接的不銹鋼相關(guān)的耐腐蝕性和在典型的鉻化處理應(yīng)用中觀察到的深度擴散結(jié)合。
[0007]發(fā)明概沭
[0008]第一實施方案是冶金結(jié)合在鋼模(steel form)上的不銹鋼，所述鋼模包括含有至少55重量％鐵的核心區(qū)域并負載有不銹鋼涂層。所述不銹鋼涂層由不銹鋼區(qū)域和結(jié)合區(qū)域構(gòu)成。所述不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度，并具有跨越不銹鋼區(qū)域的厚度的大約一致的不銹鋼組合物。所述不銹鋼組合物包括鐵和鉻的摻合物，并且包括約10重量％至約30重量％的鉻濃度。所述結(jié)合區(qū)域位于所述不銹鋼區(qū)域和所述核心區(qū)域之間，具有大于I微米并且小于所述不銹鋼區(qū)域厚度的厚度，并具有結(jié)合組合物。所述結(jié)合組合物包括鐵和鉻的摻合物，并且所述結(jié)合組成具有大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近所述不銹鋼區(qū)域的鉻濃度，以及所述結(jié)合組合物具有含有小于約5重量％鉻的、鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度。
[0009]第二實施方案是鋼板，所述鋼板包括:第一不銹鋼區(qū)域，所述第一不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度；第一結(jié)合區(qū)域，所述第一結(jié)合區(qū)域位于所述第一不銹鋼區(qū)域和核心區(qū)域之間，所述第一結(jié)合區(qū)域具有大于I微米并且小于所述第一不銹鋼區(qū)域厚度的厚度；所述核心區(qū)域，所述核心區(qū)域具有約100微米至約4毫米的厚度，所述核心區(qū)域具有含有至少85重量％鐵的核心組合物；第二結(jié)合區(qū)域，所述第二結(jié)合區(qū)域位于所述核心區(qū)域和第二不銹鋼區(qū)域之間；以及所述第二不銹鋼區(qū)域，所述第二不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度。所述第二結(jié)合區(qū)域具有大于I微米并且小于所述第二不銹鋼區(qū)域厚度的厚度。所述第一和第二不銹鋼區(qū)域具有跨越各自的不銹鋼區(qū)域厚度的大約一致的不銹鋼組合物。獨立地，所述不銹鋼組合物包括鐵和鉻的摻合物，以及約10重量％至約30重量％的鉻濃度。所述第一和第二結(jié)合區(qū)域具有結(jié)合組合物，所述結(jié)合組合物獨立地包括鐵和鉻的摻合物，具有大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近所述不銹鋼區(qū)域的鉻濃度，并且具有含有小于約5重量％鉻的、鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度。
[0010]附圖的簡要i兌明
[0011]為了更完全地理解所述公開內(nèi)容，應(yīng)參考以下詳細說明和附圖，其中:
[0012]圖1是鉻濃度隨鉻化鋼(現(xiàn)有技術(shù))的深度而變化的曲線圖；
[0013]圖2是鉻濃度和鐵濃度隨300系列產(chǎn)品的前體的深度而變化的曲線圖；
[0014]圖3是300系列產(chǎn)品的前體的橫截面的SEM圖；
[0015]圖4是鉻濃度隨300系列產(chǎn)品的深度而變化的曲線圖，(實線)測得的能量-色散X射線光譜(EDX)數(shù)據(jù)，(虛線)為核心中的鉻濃度而標準化的EDX數(shù)據(jù)；
[0016]圖5是300系列產(chǎn)品的橫截面的SEM圖；
[0017]圖6是鉻濃度、鎳濃度和鐵濃度隨400系列產(chǎn)品的前體的深度而變化的曲線圖；
[0018]圖7是400系列產(chǎn)品的前體的橫截面的SEM圖；
[0019]圖8是鉻濃度和鎳濃度隨400系列產(chǎn)品的深度而變化的曲線圖；
[0020]圖9是400系列產(chǎn)品的橫截面的SEM圖；和
[0021]圖10是本文中描述的一個實施方案的示意圖。
[0022]雖然附圖中說明了具體的實施方案，應(yīng)當理解所述公開內(nèi)容是說明性的，這些實施方案并非意在用來限制本文中描述和說明的發(fā)明。
[0023]發(fā)明詳沭
[0024]術(shù)語“摻合物”涉及多種金屬，優(yōu)選為過渡金屬，是指所述金屬在給定區(qū)域中是混合的。摻合物可以進一步描述為固溶體、合金、均質(zhì)摻合物、異質(zhì)摻合物、金屬相或還包括金屬間的或不溶的結(jié)構(gòu)、晶體或微晶的前述中的一個。重要地，本文中使用的術(shù)語“摻合物”清楚地排除了混合的顆?；蚓w或互溶的材料。也就是說，本文中描述的摻合物不包括可區(qū)分的組合物顆粒，該組合物顆粒例如通過將所述摻合物加熱到組合物顆?？梢韵嗷U散的溫度下，可以形成固溶體、單一金屬相等。顯著地，摻合物可包括金屬間的種類，因為這些金屬間的種類在“溶質(zhì)”或主體金屬相中是不可溶的。另外，混合的-互溶材料的排除沒有限制樣品的同質(zhì)性；異質(zhì)的摻合物可以包括摻合物中的至少一種金屬的濃度梯度，但不包括一種相或組合物的可區(qū)分的顆粒或晶體，所述可區(qū)分的顆?；蚓w與具有第二相的組合物的顆?；蚓w混合，或混合在具有第二相的組合物的溶質(zhì)中，所述第一相的組合物在所述第二相的組合物中是可溶的。
[0025]名詞“合金”涉及金屬摻合物，是指金屬，優(yōu)選為過渡金屬的特定組合物，在整個摻合物中具有窄的金屬濃度變化。合金的一個實例為304不銹鋼，其具有包括約18-20重量％Cr、約8-10.5重量％Ni和約2重量％Mn的鐵組合物。如本文中使用的，占比容的合金不包括濃度梯度。包括濃度梯度的比容將包括諸如摻合物，多個或一系列合金。
[0026]本文中術(shù)語“濃度梯度”指的是摻合物中的至少一種元素濃度的有規(guī)律的增加或減少。通常地，濃度梯度是在摻合物中觀察到的，其中摻合物中的至少一種元素從設(shè)定值增加或減小到更高/更低的設(shè)定值。所述增加或減少可以是線性的、拋物線的、高斯的或它們的混合。通常地，濃度梯度不是階梯函數(shù)。階梯函數(shù)變化更好地描述為多個相鄰的摻合物。
[0027]本文中描述的材料的層和/或區(qū)域被提及為“冶金結(jié)合的”。也就是說，提供所述層和/或區(qū)域的組合物的金屬、合金或摻合物是通過晶格結(jié)構(gòu)的一致性(a conformance oflattice structures)連接的。不包含如粘合劑或釬縫金屬(braze metal)的中間層。結(jié)合區(qū)域是這樣的區(qū)域:其中的兩種或多種金屬、合金或摻合物之間的冶金結(jié)合顯示出晶格結(jié)構(gòu)的一致性。所述晶格結(jié)構(gòu)的一致性是從一種金屬、合金或摻合物的晶格向冶金結(jié)合的金屬、合金或摻合物的晶格的逐漸變化。
[0028]雖然本文中使用的術(shù)語對于鋼工業(yè)是典型的，但是本文中所公開的組合物或區(qū)域可以由一種或多種元素組成或基本上由一種或多種元素組成。顯著地，認為鋼是碳鋼，所述碳鋼是至少鐵和碳的混合物，并且通常含有最高達2%的總的合金元素，包括碳、鉻、鈷、鈮、鑰、鎳、鈦、鎢、釩、鋯或其它金屬。因此，鋼或碳鋼不是由一種或多種元素組成的，也不是基本上由一種或多種元素組成的，但可以是在鐵中受支持(supported)的多種元素的任意組合物。當組合物或區(qū)域描述為由一種或多種元素組成或基本上由一種或多種元素組成時，所述組合物或區(qū)域中的未公開的元素的濃度不能通過能量-色散X射線光譜(EDX)(例如，EDX具有低至約0.5至I原子百分率的水平的典型靈敏度)檢測的。當組合物或區(qū)域描述為由一種或多種元素組成時，所述組合物或區(qū)域中未公開的元素的濃度是不可檢測的或在例如通過IPC直接元素分析的計量誤差之內(nèi)。
[0029]本文中描述的材料包括多種冶金結(jié)合的金屬、合金或摻合物。所述金屬、合金或摻合物中過渡金屬的組合物或濃度是本文中描述的材料的重要特征。所述組合物或濃度隨著穿過所述材料的深度或距離而產(chǎn)生的變化是同樣重要的。因此，在本文中，所描述的金屬、合金或摻合物中的成分金屬的組合物或濃度是通過EDX測定的。另外，在本文中，當組合物被稱為越過一段距離內(nèi)、在層中或在區(qū)域中是“大約一致的”時，術(shù)語“大約一致的”是指在該距離、層或區(qū)域內(nèi)的金屬的相對百分率在通過EDX測量的標準誤差內(nèi)是一致的。優(yōu)選地，當標繪成濃度(y-軸)相對于距離(X-軸)的函數(shù)時，移動平均數(shù)在越過“大約一致的”距離、層或區(qū)域上具有約為零的斜率。更優(yōu)選地，所述組合物中的單個元素的濃度(或相對百分率)在越過所述距離上的變化小于約5重量%、4重量％、3重量％、2重量％或I重量％。
[0030]第一實施方案是鋼模，所述鋼模具有不銹鋼外部。所述鋼模包括核心區(qū)域，所述核心區(qū)域負載有不銹鋼涂層；也就是說，所述鋼模包括核心區(qū)域、結(jié)合區(qū)域和不銹鋼區(qū)域，其中所述結(jié)合區(qū)域?qū)⑺龊诵膮^(qū)域冶金結(jié)合到所述不銹鋼區(qū)域。本文中，所述鋼模是由包括至少55重量％鐵的層或區(qū)域限定的，顯著地，所述鋼模可以由諸如有機或無機涂層涂覆，但是，這些涂層在本文中不是所述鋼模的部分。所述鋼模的核心區(qū)域包括鐵，優(yōu)選地包括至少55重量％的鐵。更優(yōu)選地，所述核心區(qū)域中的鐵濃度大于98重量％、99重量％或99.5重量％。甚至更優(yōu)選地，所述核心區(qū)域是具有小于約0.5重量％的碳濃度的碳鋼。又優(yōu)選地，所述核心區(qū)域是具有小于約0.25重量％的碳濃度的碳鋼。甚至又優(yōu)選地，所述核心區(qū)域基本不含鉻和/或基本不含鎳。
[0031]所述核心區(qū)域負載的不銹鋼涂層由不銹鋼區(qū)域和結(jié)合區(qū)域構(gòu)成，所述結(jié)合區(qū)域鄰近于所述核心區(qū)域和包括所述不銹鋼外部的所述不銹鋼區(qū)域。所述不銹鋼區(qū)域，優(yōu)選地，具有約I微米至約250微米、約5微米至約250微米、約10微米至約250微米、約25微米至約250微米、約50至約250微米、約10微米至約200微米或約10至約100微米的厚度。
[0032]所述不銹鋼區(qū)域具有不銹鋼組合物。本文中，不銹鋼組合物是指所述不銹鋼區(qū)域包括鐵和鉻的摻合物，特別地，所述不銹鋼組合物包括約10重量％至約30重量％的鉻濃度，例如，所述鉻濃度可以為約10重量％、約12重量％、約14重量％、約16重量％、約18重量％、約20重量％、約22重量％、約24重量％、約26重量％、約28重量％或約30重量％。優(yōu)選地，所述不銹鋼組合物在跨越所述不銹鋼區(qū)域的厚度上是大約一致的。
[0033]所述不銹鋼組合物包括鐵和鉻的摻合物，并且還可以包括選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物的過渡金屬。在一個實例中，所述不銹鋼組合物包括鐵、鉻和鎳的摻合物，并且包括約5重量％至約20重量％的鎳濃度。在該實例中，所述結(jié)合組合物(如以下描述的)基本上由鐵、鉻和鎳組成。
[0034]在一個優(yōu)選實例中，所述不銹鋼組合物具有約16重量％至約25重量％的鉻濃度和約6重量％至約14重量％的鎳濃度。在另一優(yōu)選實例中，所述不銹鋼組合物基本上由鐵、鉻和鎳組成。
[0035]在另一實例中，所述不銹鋼組合物可以具有約10.5重量％至約18重量％的鉻濃度。在又一優(yōu)選的實例中，所述不銹鋼組合物基本上由鐵和鉻組成，并且所述結(jié)合組合物基本上由鐵和鉻組成。
[0036]如上所述的，所述不銹鋼涂層包括所述不銹鋼區(qū)域和位于所述不銹鋼區(qū)域和所述核心區(qū)域之間的所述結(jié)合區(qū)域。所述結(jié)合區(qū)域，優(yōu)選地，具有大于I微米并且小于所述不銹鋼區(qū)域厚度的厚度。更優(yōu)選地，所述結(jié)合區(qū)域具有約5微米至約200微米、約5至約100微米或約10微米至約50微米的厚度。
[0037]所述結(jié)合區(qū)域具有結(jié)合組合物，所述結(jié)合組合物包括鐵和鉻的摻合物。所述結(jié)合組合物還包括大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近所述不銹鋼區(qū)域的鉻濃度，并且具有含有小于約5重量％、約4重量％、約3重量％、約2重量％、約I重量％或約0.5重量％鉻的、所述鄰近核心區(qū)域的鉻濃度。也就是說，穿過所述結(jié)合區(qū)，所述鉻濃度下降到小于所述不銹鋼區(qū)域的濃度一半的濃度，優(yōu)選地下降到大約等于所述核心區(qū)域中的鉻濃度的濃度。所述結(jié)合區(qū)域內(nèi)的鉻濃度梯度可以包括鉻濃度的線性降低或鉻濃度的反曲線降低(sigmoidaldecrease ),優(yōu)選為反曲線降低。
[0038]另一實施方案是鋼板，所述鋼板包括多個區(qū)域，包括第一不銹鋼區(qū)域、位于所述第一不銹鋼區(qū)域和核心區(qū)域之間的第一結(jié)合區(qū)域、所述核心區(qū)域、位于所述核心區(qū)域和第二不銹鋼區(qū)域之間的第二結(jié)合區(qū)域和所述第二不銹鋼區(qū)域(例如，參見圖10)。在該實施方案中，所述第一不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度；所述第一結(jié)合區(qū)域具有大于I微米并且小于所述第一不銹鋼區(qū)域厚度的厚度；所述核心區(qū)域具有約100微米至約4毫米的厚度；所述第二不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度；以及所述第二結(jié)合區(qū)域具有大于I微米并且小于所述第二不銹鋼區(qū)域厚度的厚度。
[0039]優(yōu)選地，所述核心區(qū)域具有包括至少85重量％鐵的核心組合物。更優(yōu)選地，所述核心區(qū)域中的鐵濃度大于98重量％、99重量％或99.5重量％。甚至更優(yōu)選地,所述核心區(qū)域為具有小于約0.5重量％的碳濃度的碳鋼。又優(yōu)選地，所述核心區(qū)域是具有小于約0.25重量％的碳濃度的碳鋼。甚至又優(yōu)選地，所述核心區(qū)域基本不含鉻。
[0040]所述第一和第二不銹鋼區(qū)域具有跨越各自的不銹鋼區(qū)域的厚度的大約一致的不銹鋼組合物。這些不銹鋼組合物，獨立地，包括鐵和鉻的摻合物，其具有約10重量％至約30重量％的鉻濃度,例如,所述鉻濃度可以為約10重量％、約12重量％、約14重量％、約16重量％、約18重量％、約20重量％、約22重量％、約24重量％、約26重量％、約28重量％或約30重量％。
[0041]所述第一和第二結(jié)合區(qū)域具有包括鐵和鉻的摻合物的結(jié)合組合物。獨立地，所述結(jié)合區(qū)域具有大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近各自的不銹鋼區(qū)域的鉻濃度，并且具有含有小于約5重量％、約4重量％、約3重量％、約2重量％、約I重量％或約0.5重量％鉻的、鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度，優(yōu)選地，鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度大約等于所述核心區(qū)域的鉻濃度。也就是說，單獨的結(jié)合區(qū)域各自具有鉻濃度梯度。所述結(jié)合區(qū)域中的鉻濃度梯度可以包括鉻濃度的線性降低或鉻濃度的反曲線降低(sigmoidal decrease),優(yōu)選反曲線降低。
[0042]在一個實例中，所述第一和第二不銹鋼組合物，獨立地，包括鐵、鉻和鎳的摻合物，具有約5重量％至約20重量％的鎳濃度。在該實例中，各自的第一和第二結(jié)合組合物也包括鎳。
[0043]在另一實例中，所述第一和第二不銹鋼組合物獨立地包括鐵、鉻和選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物的過渡金屬的摻合物。在該實例中，各自的結(jié)合組合物也將包括所選擇的過渡金屬。
[0044]優(yōu)選地，包括以上所述區(qū)域的鋼板具有約0.1毫米至約4毫米的厚度。所述厚度是材料的高度、長度或?qū)挾戎休^小的。對于典型的板，長度和寬度比高度(或厚度)大多個數(shù)量級。例如，所述鋼板可以是具有約I米至約4米的寬度和大于50米的寬度的鋼卷。
[0045]所述單獨的不銹鋼區(qū)域可以具有相同或不同的厚度，優(yōu)選地，所述第一和第二不銹鋼區(qū)域具有大約相同的厚度(例如，±5%)。在一個實例中，所述第一不銹鋼區(qū)域具有約10微米至約100微米的厚度。在另一實例中，所述第二不銹鋼區(qū)域具有約10微米至約100微米的厚度。單獨的結(jié)合區(qū)域可以具有相同或不同的厚度，優(yōu)選地，所述第一和第二結(jié)合區(qū)域具有大約相同的厚度(例如，±5%)。在另一實例中，所述第一結(jié)合區(qū)域具有約5微米至約100微米的厚度。在又一實例中，所述第二結(jié)合區(qū)域具有約5微米至約100微米的厚度。
[0046]又一實施方案是包括由不銹鋼區(qū)域負載的拉絲不銹鋼(brushed stainlesssteel)表面的鋼模。在該實施方案中，所述不銹鋼區(qū)域可以具有約5微米至約200微米的厚度，具有包括鐵和鉻的摻合物的大約一致的不銹鋼組合物，并且可以具有約10重量％至約30重量％的鉻濃度。所述不銹鋼區(qū)域是由結(jié)合區(qū)域負載的。優(yōu)選地，所述結(jié)合區(qū)域具有約5微米至約200微米，但是小于所述不銹鋼區(qū)域厚度的厚度。所述結(jié)合區(qū)域?qū)⑺霾讳P鋼區(qū)域冶金結(jié)合到核心區(qū)域。所述核心區(qū)域具有包括至少85重量％鐵的核心組合物。所述結(jié)合區(qū)域還包括結(jié)合組合物，所述結(jié)合組合物包括鐵和鉻的摻合物，和結(jié)合區(qū)域濃度梯度，該濃度梯度從大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近所述不銹鋼區(qū)域的鉻濃度向小于約I重量％的、鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度降低。
[0047]除了以上提供的實施方式方案的描述，本文中描述的產(chǎn)品優(yōu)選地沒有塑性應(yīng)變。塑性應(yīng)變是由金屬或摻合物的變形形變帶來引起的所述金屬或摻合物中顆粒的伸長或拉伸。例如，冷軋鋼將在軋制的方向上顯示出塑性形變應(yīng)變。鋼中的塑性形變應(yīng)變是通過研究所述鋼的橫截面是容易觀察和計量的。本文中，所述產(chǎn)品優(yōu)選地基本上沒有塑性形變應(yīng)變，也就是說，所述產(chǎn)品包括小于15%、10%或5%的塑性應(yīng)變塑性形變。更優(yōu)選地，本文中描述的產(chǎn)品基本上沒有塑性形變，也就是說，所述產(chǎn)品包括小于1%的塑性形變。甚至更優(yōu)選地，本文中描述的產(chǎn)品沒有塑性應(yīng)變形變，也就是說，所描述的產(chǎn)品的塑性形變是不可通過研究產(chǎn)品的橫截面是不可觀察的。
[0048]本文描述的包括由鋼或碳鋼基體或核心負載的不銹鋼層或區(qū)域的產(chǎn)品可以通過鉻到起始基體上的低溫沉積制備，所述起始基體成為核心區(qū)域。用于鉻到所述起始基體上的沉積的可用技術(shù)包括但不限于:物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、金屬-有機化學(xué)氣相沉積、濺射、離子注入、電鍍、化學(xué)鍍、包埋滲、ONERA法、鹽浴法、鉻-冰晶石法(chromium-cryolite processes)、Alphatising法等。在一個優(yōu)選實例中，鉻沉積在所述起始基體上的非致密層中。在另一優(yōu)選實例中，鉻沉積為基本上由鉻組成的層。圖2和3顯示了在所述碳鋼基體上所沉積的鉻層的EDX和掃描電子顯微鏡(SEM)數(shù)據(jù)。圖2顯示了在所述碳鋼基體中所沉積的鉻和鐵的近似重量百分率。圖3顯示了沉積在所述碳鋼基體上的鉻的橫截面SEM圖。在又一優(yōu)選實例中，鉻沉積為鐵和鉻的摻合物。在再一優(yōu)選實例中，鉻沉積為鉻和選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物的元素的摻合物。在又另一優(yōu)選實例中，鉻和選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物的元素的多個層沉積到所述起始基體上。圖6和7顯示了在所述碳鋼基體上所沉積的鎳和鉻層的EDX和SEM數(shù)據(jù)。圖6顯示了在所述碳鋼基體中所沉積的鉻、所沉積的鎳和鐵的近似重量百分率。圖7顯示了由所述碳鋼基體負載的鉻和鎳的橫截面SEM圖。
[0049]鉻沉積到所述起始基體上之后，將沉積的鉻和任何其它沉積的金屬加熱到約800°C至約1200°C或約1000°C的溫度。圖4和5顯示了通過加熱例如圖2和3中所示的沉積的鉻制備的由碳鋼核心負載的400系列不銹鋼的EDX和SEM數(shù)據(jù)。圖4顯示了隨深度而變化的(所測量和標準化的)鉻的近似重量百分率。所述不銹鋼區(qū)域可以與選自403SS、405SS、409SS、410SS、414SS、416SS、420SS和422SS的不銹鋼組合物牌號相媲美。所述不銹鋼層的組合物牌號可以受到所述碳鋼基體中微量元素的濃度(例如，鎳、碳、錳、硅、磷、硫和氮)，一種或多種微量元素向所沉積的鉻中的添加，或通過所沉積的鉻的后處理(例如，通過溶液、沉積或離子注入的方法)的一種或多種微量元素的添加的影響。圖5顯示了顯著地省略了各自區(qū)域之間的任何可觀察到的區(qū)別(例如，界面)的所述不銹鋼區(qū)域、結(jié)合區(qū)域和核心區(qū)域的SEM橫截面。[0050]圖8和9顯示了通過加熱例如圖6和7中所示的沉積的鉻制備的由碳鋼核心負載的300系列不銹鋼的EDX和SEM數(shù)據(jù)。圖8顯示了作為隨深度而變化的的函數(shù)的鉻和鎳的近似大約的重量百分率。所述不銹鋼區(qū)域可以與選自301SS、302SS、303SS和304SS的不銹鋼組合物牌號相媲美比較。另外，所述不銹鋼層組成的組合物牌號可以受到所述碳鋼基體中微量元素的濃度的影響(例如，碳、錳、硅、磷、硫和氮)，受到一種或多種微量元素向所述沉積后的鉻中的添加的影響，或受到通過所述沉積后的鉻的后處理(例如，通過溶液、沉積或離子注入)的添加一種或多種微量元素的添加的影響。此外，所述不銹鋼組合物的牌號受到所述不銹鋼層中的鉻和鎳的濃度影響，這些濃度可以獨立地增加或降低。圖9顯示了顯著地省略了各自區(qū)域之間的任何可觀察到的區(qū)別(例如，界面)的所述不銹鋼區(qū)域、結(jié)合區(qū)域和核心區(qū)域的SEM橫截面。
[0051]所述不銹鋼區(qū)域、結(jié)合區(qū)域和任選地所述核心區(qū)域的厚度和組合物的測定是通過本文中描述的產(chǎn)品的樣品的橫截面分析測定的。優(yōu)選地，所述樣品是由產(chǎn)品表面的I厘米X I厘米區(qū)域限定的。然后，穿過所述I厘米X I厘米區(qū)域的中心切割樣品，將切割暴露的表面在Buehler EcoMet 250磨削拋光機(ginder-polisher)上拋光。5步拋光工藝包括:使用Buehler 180Grit盤在61bs.的力下的5分鐘,使用Hercules S盤和6微米的拋光懸浮液(polishing suspension)在61bs.的力下的4分鐘,使用Trident3/6微米盤和6微米的拋光懸浮液在61bs.的力下的3分鐘,使用Trident3/6微米盤和3微米的拋光懸浮液在61bs.的力下的2分鐘，以及然后使用微布盤(microcloth disk)和0.05微米的拋光懸浮液在61bs.的力下的1.5分鐘。然后將切割并拋光的表面放入有能量-色散X射線光譜(EDX)功能的設(shè)備中。以上提供的磨削拋光工藝(grinding-polishing procedure)可能交叉污染不同的層，不出所料的是所述污染跨越拋光的表面可以是一致的。因此，不含第一元素的區(qū)域的基線測量可能顯示出比EDX測得的所述第一元素的基線濃度更大的值(參見，例如圖4)?；€的提高依賴于拋光區(qū)域的面積和在拋光表面中各自元素的濃度。
【權(quán)利要求】
1.一種具有不銹鋼外部的鋼模，所述鋼模包括: 核心區(qū)域、第一結(jié)合區(qū)域和第一不銹鋼區(qū)域； 所述核心區(qū)域通過所述第一結(jié)合區(qū)域冶金結(jié)合到所述第一不銹鋼區(qū)域；所述核心區(qū)域包括至少55重量％鐵,優(yōu)選地,至少85重量％鐵； 所述第一不銹鋼區(qū)域具有約I微米至約250微米的厚度，具有不銹鋼組合物，并且包括所述不銹鋼外部，所述不銹鋼組合物跨越所述不銹鋼區(qū)域的厚度是大約一致的，所述不銹鋼組合物包括鐵和鉻的摻合物，并且所述不銹鋼組合物包括約10重量％至約30重量％的鉻濃度；以及 所述第一結(jié)合區(qū)域位于所述不銹鋼區(qū)域和所述核心區(qū)域之間，所述結(jié)合區(qū)域具有大于I微米并且小于所述不銹鋼區(qū)域厚度的厚度，并具有結(jié)合組合物，所述結(jié)合組合物包括鐵和鉻的摻合物，并且所述結(jié)合組合物具有大約等于所述不銹鋼區(qū)域鉻濃度的、鄰近所述不銹鋼區(qū)域的鉻濃度并且具有含有小于約5重量％鉻的、鄰近所述核心區(qū)域的鉻濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼模，其中所述鋼模是具有約100微米至約4毫米的厚度的鋼板，并且其中所述核心區(qū)域具有約100微米至約4毫米的厚度。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，所述鋼模還包括通過第二結(jié)合區(qū)域冶金結(jié)合到所述核心區(qū)域的第二不銹鋼區(qū)域。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述核心區(qū)域基本上不含鉻。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述核心區(qū)域為具有小于約0.5重量％的碳濃度，優(yōu)選地為小于約0.25重量％的碳濃度的碳鋼。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述不銹鋼區(qū)域具有約10微米至約100微米的厚度。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述結(jié)合區(qū)域具有約5微米至約100微米的厚度，優(yōu)選地，約10微米至約50微米的厚度。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物包括鐵、鉻和過渡金屬的摻合物，所述過渡金屬選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物包括鐵、鉻和鎳的摻合物；其中所述不銹鋼組合物包括約5重量％至約20重量％的鎳濃度；并且其中所述結(jié)合組合物基本上由鐵、鉻和鎳組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物包括約16重量％至約25重量％的鉻濃度和約6重量％至約14重量％的鎳濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物基本上由鐵、鉻和鎳組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物包括約10.5重量％至約18重量％的鉻濃度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鋼模，其中所述不銹鋼組合物基本上由鐵和鉻組成；并且其中所述結(jié)合組合物基本上由鐵和鉻組成。
14.制備前述權(quán)利要求中任一項所述的鋼模的方法，所述方法基本上由以下步驟構(gòu)成: 提供碳鋼基體； 沉積鉻和任選地選自鎳、鑰、鈦、鈮、鉭、釩、鎢、銅和它們的混合物的過渡金屬作為沉積層；以及然后 加熱所述碳鋼基體到約800°C至約1200°C的溫度，從而通過將鐵從所述碳鋼基體擴散入所述沉積層和將鉻擴散入所述碳鋼基體而形成所述核心區(qū)域、所述第一結(jié)合區(qū)域和所述第一不銹鋼 區(qū)域。
【文檔編號】C23C10/12GK103764388SQ201280041804
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日
【發(fā)明者】D·E·布拉德, J·麥克德莫特 申請人:奧秘合金設(shè)計有限公司