專利名稱：納米復(fù)合馬氏體鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼合金，特別是那些具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗腐蝕性和高冷成形性的鋼合金，還涉及能形成使鋼顯微結(jié)構(gòu)，對鋼合金加工技術(shù)。
背景技術(shù)：
以下一些美國專利介紹了高強(qiáng)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(qiáng)度和韌性不僅取決于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)晶相及其排列。用于某些環(huán)境的合金需要高的強(qiáng)度和韌性，并且通常需要一些相互矛盾的性質(zhì)的組合，因?yàn)橛欣谝环N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。有些情況下，馬氏體中分散著自動回火產(chǎn)生的碳化物細(xì)晶粒。一種板條相為另一種薄膜相分隔的排列稱作“錯(cuò)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馬氏體起始溫度Ms的一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛神R氏體板條被未轉(zhuǎn)變而穩(wěn)定化的奧氏體薄膜相隔的結(jié)構(gòu)，所述馬氏體起始溫度是馬氏體相開始形成的溫度。此時(shí)進(jìn)行著標(biāo)準(zhǔn)的冶金加工，如鑄造、熱處理、軋制和鍛造獲得所需產(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?yàn)榘鍡l結(jié)構(gòu)具有較大的韌性。這些專利還介紹，在冷卻過程中板條區(qū)中的過剩碳會發(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為350℃或更高來加以避免。在某些合金中，自動回火產(chǎn)生的碳化物能提高鋼的韌性，而在其他合金中該碳化物卻限制韌性。
錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)形成高強(qiáng)度鋼，它又韌又有延展性，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(qiáng)度和韌性的最有效途徑之一是控制馬氏體相，以便形成錯(cuò)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延展性和成形性能。要獲得這種錯(cuò)位板條顯微結(jié)構(gòu)而非不太好的孿生結(jié)構(gòu)，可仔細(xì)選擇合金組成，而這又會影響Ms值。
錯(cuò)位板條顯微結(jié)構(gòu)中奧氏體的穩(wěn)定性是合金保持其韌性的能力中的一個(gè)因素，尤其是當(dāng)合金暴露在苛刻的機(jī)械和環(huán)境條件下。在某些條件下，奧氏體在300℃以上的溫度不穩(wěn)定，會轉(zhuǎn)變形成碳化物沉淀，使合金相對較脆，不大能耐受機(jī)械應(yīng)力。這種不穩(wěn)定性是本發(fā)明要著手解決的問題之一。
發(fā)明概述現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有上述錯(cuò)位板條顯微結(jié)構(gòu)的碳鋼合金晶粒容易單個(gè)晶粒結(jié)構(gòu)中形成在奧氏體薄膜取向方向不同的多個(gè)區(qū)域。在伴隨形成錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)變應(yīng)變形成的過程中，所述奧氏體結(jié)晶結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域在面心立方排列(是奧氏體的特征)的不同平面上發(fā)生剪切作用。雖然并不拘泥于這一解釋，但是本發(fā)明人認(rèn)為，這就導(dǎo)致在整個(gè)晶粒中的不同方向上因此剪切作用而形成馬氏體相，由此形成如下所述的多個(gè)區(qū)域各區(qū)域內(nèi)部各奧氏體薄膜呈一共同的角度排列，但是在相鄰區(qū)域之間則呈互相不同的角度。由于所述奧氏體結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)果可以多達(dá)四個(gè)區(qū)域，各自具有不同的角度。這些區(qū)域的這種匯合形成了奧氏體薄膜的穩(wěn)定性有限的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。注意到所述晶粒本身被其晶粒邊界處的奧氏體殼所包住，而不同奧氏體薄膜取向的晶粒之間的區(qū)域并不會包在奧氏體中。
還發(fā)現(xiàn)所述具有單一取向奧氏體膜的錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)的馬氏體-奧氏體晶粒，可以通過將晶粒度限制在10微米或以下來獲得，并且還發(fā)現(xiàn)具有所述晶粒的碳鋼合金暴露在高溫和大的機(jī)械應(yīng)變下時(shí)，其穩(wěn)定性更高。因此，本發(fā)明涉及包含錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)晶粒的碳鋼合金，各晶粒含有單一取向的奧氏體薄膜，即各晶粒是錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)的單一變量。
本發(fā)明還涉及通過如下步驟制備這種顯微結(jié)構(gòu)的方法將合金組合物在能使鐵完全處于奧氏體相，并使所有合金元素固溶其中的溫度進(jìn)行保溫(奧氏體化)，然后使該相保持在恰高于其奧氏體結(jié)晶溫度的某個(gè)溫度，形成直徑為10微米或更小的小晶粒。之后，將奧氏體相迅速冷卻至馬氏體起始溫度，并通過馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)將部分奧氏體轉(zhuǎn)化成錯(cuò)位板條排列的馬氏體相。這個(gè)最后的冷卻步驟應(yīng)以足夠快的速度進(jìn)行，以免形成貝氏體、珠光體以及沿相間邊界形成沉淀。所得顯微結(jié)構(gòu)由以奧氏體殼為界的許多個(gè)晶粒組成，各晶粒具有單變量錯(cuò)位板條取向，而不是會限制奧氏體穩(wěn)定性的多變量取向。本發(fā)明適用的合金組合物是能通過這種加工類型而形成所述錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)的那些組合物。這些組合物含有合金元素，含量選擇能使馬氏體起始溫度Ms至少約為300℃，較好至少約為350℃。
附圖簡要說明

圖1是已有技術(shù)合金顯微結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是本發(fā)明合金顯微結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
詳述為了能形成所述錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)，合金組合物必須是其Ms約為300℃或以上，較好是350℃或以上的合金組合物。雖然合金元素通常會影響Ms，但是對Ms影響最大的合金元素是碳，所以將合金中碳含量限制于最大0.35重量％，可以容易地將Ms限制在所需的范圍內(nèi)。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，碳含量約為0.03-0.35％，在更加優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述范圍約為0.05-0.33％，均以重量計(jì)。
還優(yōu)選選擇如下所述的合金組合物它能避免在合金從奧氏體相最初冷卻的過程中形成鐵素體，即避免在進(jìn)一步冷卻奧氏體來形成錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)之前形成鐵素體晶粒。也優(yōu)選包含一種或多種奧氏體穩(wěn)定元素類的合金元素，它們是碳(如上所述可能已經(jīng)包含)、氮、錳、鎳、銅和鋅。尤其優(yōu)選的奧氏體穩(wěn)定元素是錳和鎳。當(dāng)存在鎳時(shí)，其濃度較好約為0.25-5％，當(dāng)存在錳時(shí)，其濃度較好約為0.25-6％。在本發(fā)明許多實(shí)施方式中也可以包含鉻，當(dāng)存在時(shí)，其濃度較好約為0.5-12％。本文所述所有濃度均以重量計(jì)。各合金元素存在與否及其含量會影響合金的馬氏體起始溫度，如上所述，本發(fā)明所用合金是其馬氏體起始溫度至少約為350℃的合金。因此，必須在這一限制條件下選擇合金元素及其量。對馬氏體起始溫度影響最大的合金元素是碳，并且將碳含量限制于最大0.35％，通常能確保所述馬氏體起始溫度在所需的范圍內(nèi)。也可以存在其它合金元素，如鉬、鈦、鈮和鋁，其量足以起到形成細(xì)晶粒所需的成核位點(diǎn)，并且其濃度要足夠低，使其存在不會影響最終合金的性質(zhì)。
本發(fā)明優(yōu)選的合金還基本上不含碳化物。術(shù)語“基本上不含碳化物”是指若實(shí)際存在碳化物的話，沉淀的分布和量會使碳化物對最終合金的性能，尤其是腐蝕性能幾乎不產(chǎn)生消極影響。當(dāng)存在碳化物時(shí)，它們作為包埋在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的沉淀存在，若沉淀直徑小于500，其對合金性能的不利影響極小。在相界處不要有沉淀是很重要的。
如上所述，將晶粒度降至10微米或更小，可以得到單變量錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)的馬氏體-奧氏體晶粒，即在各晶粒內(nèi)部馬氏體板條和奧氏體薄膜都是同一取向的。所述晶粒度較好約為1-10微米，最好是約為5-9微米。
雖然本發(fā)明能延伸到具有上述顯微結(jié)構(gòu)的合金，而不論用來獲得所述顯微結(jié)構(gòu)的具體冶金方法，但是優(yōu)選某些特定的加工步驟。這些優(yōu)選的步驟，開始是獲得想要組成比例的合金，然后在足夠的溫度下將所述合金組合物均勻化(保溫)一段時(shí)間，獲得具有所有元素和組分都固溶的均勻奧氏體結(jié)構(gòu)。保溫溫度要高于奧氏體結(jié)晶溫度，這隨合金組合物而變化，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說通常是顯而易見的。在多數(shù)情況下，在1050-1200℃的溫度保溫能獲得最佳的效果。也可以在這一溫度對合金進(jìn)行軋制或煅造或進(jìn)行輥制和煅造。
完成了均勻化后，將合金冷卻，并將晶粒細(xì)化到所需的晶粒度，如上所述，例如為10微米或以下，并且優(yōu)選晶粒度范圍較窄。所述晶粒細(xì)化可以多階段進(jìn)行，但是最終晶粒細(xì)化通常是在高于但接近奧氏體結(jié)晶溫度的中間溫度下進(jìn)行。在這種優(yōu)選的方法中，合金首先在均勻化溫度進(jìn)行軋制(即，進(jìn)行動態(tài)再結(jié)晶)，然后冷卻至所述中間溫度，并再次軋制，進(jìn)一步動態(tài)再結(jié)晶。對于本發(fā)明的碳鋼合金來說，這種中間溫度在奧氏體再結(jié)晶溫度到奧氏體再結(jié)晶溫度以上約50℃的溫度之間。對于上述優(yōu)選的合金組合物，所述奧氏體再結(jié)晶溫度約為900℃，因此，這一階段合金所冷卻到的溫度較好約為900-950℃，最好約為900-925℃。通過常規(guī)方法如控制的軋制、煅造或這兩者組合可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶。通過軋制得到的尺寸減小為10％或以上，在許多情況下，所述尺寸減小約為30-60％。
一旦得到所需的晶粒度，將溫度從奧氏體再結(jié)晶溫度以上冷卻至Ms并通過馬氏體過渡區(qū)來將合金迅速淬火，將奧氏體結(jié)晶轉(zhuǎn)化成所述錯(cuò)位的包套板條顯微結(jié)構(gòu)。所得包套的尺寸和軋制階段中所得奧氏體晶粒大小基本相同，但是這些晶粒中殘留的奧氏體在薄膜中，在各晶粒周圍的殼中。如上所述，晶粒尺寸小確保晶粒僅在奧氏體薄膜取向方面是單變量的。
作為代替動態(tài)再結(jié)晶的一種方式，晶粒細(xì)化可以通過兩次熱處理來進(jìn)行，其中，單獨(dú)通過熱處理來獲得所需的晶粒度。在此方式中，如上一段所述，將合金淬火，然后再加熱到奧氏體再結(jié)晶溫度附近或者稍低，然后再次淬火，得到或回復(fù)所述錯(cuò)位板條顯微結(jié)構(gòu)。所述再次加熱的溫度較好約為奧氏體再結(jié)晶溫度以上的50℃范圍內(nèi)，例如約為870℃。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，上述各工藝的淬火步驟應(yīng)以足夠高的冷卻速度進(jìn)行，避免形成碳化物沉淀，如貝氏體和珠光體，以及氮化物和碳氮化物沉淀(取決于所述合金組合物)，并且避免在相界處形成任何沉淀物。術(shù)語“相間沉淀”和“相間沉淀物”是指相界處的沉淀，并且是指在馬氏體和奧氏體相之間(即板條和分隔所述板條的奧氏體膜之間)形成化合物的小沉積物?！跋嚅g沉淀物”并不是指奧氏體薄膜本身。本文中，所有這些類型的沉淀物(包括貝氏體、珠光體、氮化物和碳氮化物沉淀物以及相間沉淀物)的形成統(tǒng)稱為“自回火”。
從合金的變形-溫度-時(shí)間圖顯然可知避免自回火所需的最小冷卻速度。該圖的縱軸表示溫度，橫軸表示時(shí)間，圖中曲線表示各相本身或和其它相混合存在的區(qū)域。在上面引述的Thomas美國專利No.6,273,968B1中有該圖。在該圖中，最小冷卻速度是溫度相對于時(shí)間下降的斜線，鄰近一條C形曲線的左側(cè)。曲線的右側(cè)區(qū)域表示存在碳化物，因此，所述曲線左側(cè)的斜線表示可接受的冷卻速度，最慢的速度具有最小的斜率，并且鄰接所述曲線。
根據(jù)所述合金組合物，足以滿足這一要求的冷卻速度可能是需要水冷的，或者可以通過風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)的冷卻速度。通常，可風(fēng)冷并仍舊具有足夠高冷卻速度的合金組合物中的某種合金元素含量如果降低，則必須升高其它合金元素的含量，以保持適用風(fēng)冷的能力。例如，一種或多種合金元素如碳、鉻或硅的降低可以通過升高元素如錳的含量來補(bǔ)償。但是，不論如何調(diào)整各個(gè)合金元素，最終合金組合物必須是其Ms大于約300℃，較好是大于約350℃的合金組合物。
上述美國專利中所述的工藝步驟和條件可以用在本發(fā)明的如下步驟中將合金組合物加熱成奧氏體相，冷卻所述合金，并受控地進(jìn)行軋制或煅造，獲得所需的尺寸減小和晶粒度，并通過馬氏體過渡區(qū)淬火所述奧氏體晶粒，獲得所述錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)。這些步驟包括鑄造、合金的熱處理以及熱加工，如為了最佳的晶粒細(xì)化在受控溫度下進(jìn)行煅造或軋制、精加工。受控軋制起到各種作用，包括有助于合金元素的擴(kuò)散，形成均勻的奧氏體結(jié)晶相；以及有助于晶粒中應(yīng)變能的儲存。在工藝的淬火階段，受控軋制將剛形成的馬氏體相轉(zhuǎn)變成被殘留奧氏體薄膜分隔的馬氏體板條錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)。軋制的減薄度各不相同，對本領(lǐng)域那些技術(shù)人員來說顯而易見。淬火要足夠快，要能避免形成貝氏體、珠光體以及相間沉淀物。在馬氏體-奧氏體錯(cuò)位板條結(jié)晶中，殘留的奧氏體薄膜占顯微結(jié)構(gòu)的大約0.5-15體積％，較好是約3-10％，最好是最大約5％。
比較圖1和2，可以看出本發(fā)明和已有技術(shù)之間的差異。圖1表示已有技術(shù)，顯示具有錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)的單個(gè)晶粒11。所述晶粒包含四個(gè)內(nèi)部區(qū)域12、13、14和15，各區(qū)域由被奧氏體薄膜17分隔的馬氏體錯(cuò)位板條16組成，各區(qū)域中奧氏體薄膜的取向和其余區(qū)域中的取向不同(即是不同的變量)。因此，相鄰區(qū)域在錯(cuò)位板條微結(jié)構(gòu)方面不連續(xù)。晶粒的外部是奧氏體殼18，雖然區(qū)域19之間的邊界(虛線表示)并未被任何沉淀物離散結(jié)晶結(jié)構(gòu)占據(jù)，但是這僅表示一個(gè)變量終止，同時(shí)另一個(gè)變量開始。
圖2描述了本發(fā)明的兩個(gè)晶粒21和22，各晶粒由奧氏體薄膜24分隔的馬氏體錯(cuò)位板條23組成，就奧氏體薄膜取向而言僅有單一變量，所述晶粒仍舊具有奧氏體外殼25。一個(gè)晶粒21的變量不同于另一個(gè)晶粒22的變量，但是，在各晶粒內(nèi)部僅是單變量的。
以上所述主要用于說明的目的?？梢詫辖鸾M成、工藝步驟和條件的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改或改動，只要仍舊屬于本發(fā)明基本的和新穎的概念。這些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見，并且包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種馬氏體起始溫度至少約為300℃的合金碳鋼，它包含直徑為10微米或更小的馬氏體-奧氏體晶粒，各晶粒以奧氏體殼分界，并具有在所述整個(gè)晶粒中包含與奧氏體薄膜交替分布的馬氏體板條的均勻取向顯微結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述的合金碳鋼，其特征在于，所述馬氏體起始溫度至少約為350℃。
3.權(quán)利要求1所述的合金碳鋼，其特征在于，所述合金碳鋼最多含有0.35重量％碳。
4.權(quán)利要求1所述的合金碳鋼，其特征在于，所述馬氏體-奧氏體晶粒直徑約為1-10微米。
5.權(quán)利要求1所述的合金碳鋼，其特征在于，所述合金碳鋼還包含1-6％選自鎳和錳的元素。
6.權(quán)利要求1所述的合金碳鋼，其特征在于，均以重量計(jì)，所述合金碳鋼包含約0.05-0.33％碳、約0.5-12％鉻、約0.25-5％鎳、約0.26-6％錳以及1％以下的硅。
7.一種制造高強(qiáng)度、高抗腐蝕性的韌性合金碳鋼的方法，所述方法包括(a)形成馬氏體起始溫度至少約為300℃的合金碳鋼；(b)將所述碳鋼合金組合物加熱到足夠高的溫度，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)當(dāng)所述奧氏體相在其奧氏體再結(jié)晶溫度以上時(shí)，對所述均勻的奧氏體相進(jìn)行處理，使晶粒度約為10微米或更??；(d)使所述奧氏體相冷卻通過所述馬氏體過渡區(qū)，將所述奧氏體相轉(zhuǎn)化成結(jié)合晶粒的微結(jié)構(gòu)，各晶粒的直徑約為10微米或更小，并在所述晶粒中以均勻取向的方式包含與殘余奧氏體膜交替存在的馬氏體板條。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括在約1050-1200℃的范圍內(nèi)加熱所述碳鋼合金組合物，所述方法還包括在步驟(b)之后將所述均勻的奧氏體相冷卻至大約900-950℃范圍內(nèi)的一個(gè)中間溫度，在所述中間溫度進(jìn)行所述步驟(c)軋制的一部分。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)的晶粒度約為直徑1-10微米。
10.權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，均以重量計(jì)，所述合金碳鋼包含約0.05-0.33％碳、約2-12％鉻、約0.25-5％鎳、約0.26-6％錳以及1％以下的硅。
全文摘要
介紹了一種高性能碳鋼，它包含板條結(jié)構(gòu)，其中，馬氏體板條與奧氏體薄膜交替分布，但是所述錯(cuò)位板條結(jié)構(gòu)的各晶粒限于通過在相同方向上對所有奧氏體薄膜取向形成的單個(gè)顯微結(jié)構(gòu)變量。這可以通過小心地將晶粒度控制為小于10微米來實(shí)現(xiàn)。通過用以避免形成貝氏體、珠光體和相間沉淀的方式加工所述鋼可以進(jìn)一步提高鋼的性能。
文檔編號C22C38/00GK1617942SQ02827965
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