專利名稱：耐蝕耐磨合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫耐蝕耐磨的鐵基合金；特別是涉及一種用作閥座嵌入件的合金。
背景技術(shù)：
更為嚴(yán)格的柴油發(fā)動機(jī)廢氣排放法律已導(dǎo)致發(fā)動機(jī)設(shè)計發(fā)生變化，包括需要高壓電子燃料噴射系統(tǒng)。與先前設(shè)計相比，根據(jù)新設(shè)計建造的發(fā)動機(jī)使用更高的燃燒壓力、更高的工作溫度和較少的潤滑。新設(shè)計的組件包括閥座嵌入件(VSI)，其磨損率相當(dāng)高。排氣閥座嵌入件和閥門例如必須能夠以最低磨損(例如磨擦、粘著和腐蝕磨損)承受多次閥門沖擊過程和燃燒過程。這已促使材料的選擇轉(zhuǎn)向與柴油機(jī)工業(yè)通常使用的閥座嵌入件材料相比耐磨性更高的材料。
在柴油機(jī)發(fā)展中出現(xiàn)的另一個趨勢是使用EGR(排放氣體再流通)。采用EGR，排放氣被送回至送入的空氣流，以減少廢氣排放物中氮的氧化物(NOx)含量。在柴油機(jī)中采用EGR能夠提高閥座嵌入件的工作溫度。因此，需要在采用EGR的柴油機(jī)中使用具有良好高溫硬度且成本較低的閥座嵌入件。
此外，由于排放氣中含有可能形成酸的氮、硫、氯以及其它元素的化合物，因此，提高了對采用EGR的柴油機(jī)中排氣閥座嵌入件所用合金的耐腐蝕性要求。酸能夠攻擊閥座嵌入件和閥門，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)早期失效。早期曾嘗試通過使用馬氏體不銹鋼來改善耐腐蝕性。盡管所述鋼具有良好的耐腐蝕性，但是，傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼的耐磨性和高溫硬度不充分，無法滿足現(xiàn)代柴油機(jī)對閥座嵌入件的要求。
已知鈷基閥座嵌入件合金具有高溫耐磨性和壓縮強(qiáng)度。但是，鈷基合金的一個主要缺點是價格相對較高。而另一方面，鐵基VSI材料典型地隨著溫度升高，其基體強(qiáng)度和硬度下降，這會導(dǎo)致加速磨損和/或變形。美國專利5,674,449、4,035,159和2,064,155均公開了用于內(nèi)燃機(jī)閥座的鐵基合金。
美國專利6,340,377、6,214,080、6,200,688、6,138,351、5,949,003、5,859,376、5,784,681、5,462,573、5,312,475、4,724,000、4,546,737、4,116,684、2,147,122以及日本專利58-058,254、57-073,172和9-209,095均公開了鐵基合金組合物。
目前，需要改進(jìn)的閥座嵌入件用鐵基合金，該合金具有充分的高溫硬度、高溫強(qiáng)度和低成本，并且還具有適合于在采用EGR的柴油機(jī)閥座嵌入件場合應(yīng)用的耐蝕耐磨性能。
發(fā)明概述一種具有改善的耐腐蝕性、高溫硬度和/或耐磨性的鐵基合金。該合金適合用于例如采用EGR的柴油機(jī)的排氣閥座嵌入件應(yīng)用。
根據(jù)一個實施方案，該鐵基合金含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)約0.005-0.5％硼，約1.2-1.8％碳，約0.7-1.5％釩，約7-11％鉻，約1-3.5％鈮，約6-11％鉬，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)。
根據(jù)另一個實施方案，一種鐵基無鎢鑄造合金含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)約0.1-0.3％硼，約1.4-1.8％碳，約0.7-1.3％硅，約0.8-1.5％釩，約9-11％鉻，約0.2-0.7％錳，約0-4％鈷，約0-2％鎳，約1-2.5％鈮，約8-10％鉬，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)。如果需要，可以用銅部分或全部替代鈷。
根據(jù)又一個實施方案，所述合金含有約0.005-0.5％硼，約1.2-1.8％碳，約0.7-1.5％釩，約7-11％鉻，約6-11％鉬，至少一種選自于分別由Ti，Zr，Nb，Hf和Ta表示的鈦、鋯、鈮、鉿和鉭的元素，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)，使得1％＜(Ti+Zr+Nb+Hf+Ta)＜3.5％。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，所述合金不含鎢，其含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)最高達(dá)1.6％硅和/或最高達(dá)約2％錳。優(yōu)選地，所述合金可以包含約0.1-0.3％硼，約1.4-1.8％碳，約0.8-1.5％釩，約9-11％鉻，約1-2.5％鈮，最多約4％鈷，更優(yōu)選約1.5-2.5％鈷，最多約2％鎳，更優(yōu)選約0.7-1.2％鎳，和/或約8-10％鉬。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，硼、釩和鈮的含量(以重量百分?jǐn)?shù)計)滿足條件1.9％＜(B+V+Nb)＜4.3％，其中，B，V和Nb分別代表硼、釩和鈮的重量百分含量。
優(yōu)選地，合金處于淬硬并回火狀態(tài)，并且合金具有包括一次和二次碳化物的馬氏體顯微組織。優(yōu)選地，合金中一次碳化物的寬度小于約10微米，更優(yōu)選小于約5微米，合金中二次碳化物小于約1微米。合金優(yōu)選為鑄件形式。淬硬并回火的合金的硬度優(yōu)選至少約42Rockwell C。在800°F下，淬硬并回火的合金的高溫維氏硬度優(yōu)選至少約475，壓縮屈服強(qiáng)度至少約100ksi。在1200°F下保持20小時之后，合金的尺寸穩(wěn)定性低于約0.5×10-3英寸。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，合金包括一種內(nèi)燃機(jī)部件，例如采用EGR的柴油機(jī)閥座嵌入件。閥座嵌入件可以是鑄件形式，或者壓制或燒結(jié)密實體形式?；蛘?，合金可以是閥座嵌入件面上和/或閥座面上的涂層。合金也可以用于耐磨場合，例如滾珠軸承。
根據(jù)制備鑄造合金的一種優(yōu)選方法，將合金從溫度為約2800-3000°F，優(yōu)選約2850-2925°F的熔體鑄造。合金的熱處理工藝可以為加熱至約1550-2100°F的溫度、淬火并且在約1200-1400°F的溫度下回火。
附圖簡述下面參照附圖詳細(xì)介紹優(yōu)選實施方案，所述附圖中

圖1-2示出了處于鑄態(tài)的本發(fā)明合金的一個實施方案的光學(xué)顯微照片。
圖3-4示出了處于淬硬并回火態(tài)的本發(fā)明合金的一個實施方案的光學(xué)顯微照片。
圖5是閥門組合件的橫截面視圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明涉及一種鐵基合金。合金的高溫硬度、高溫強(qiáng)度和耐磨性使其能夠應(yīng)用于各種高溫場合。該合金的一個優(yōu)選應(yīng)用是內(nèi)燃機(jī)中的閥座嵌入件。優(yōu)選地，控制合金組成和/或?qū)辖疬M(jìn)行處理，以獲得應(yīng)用場合如閥座嵌入件所需的改善的高溫硬度、改善的高溫壓縮強(qiáng)度和/或改善的耐磨性。合金的其它應(yīng)用場合包括滾珠軸承、涂層等。
合金優(yōu)選含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)0.005-0.5％B，1.2-1.8％C，0.7-1.5％V，7-11％Cr，1-3.5％Nb，6-11％Mo，余量包括Fe和附帶雜質(zhì)。合金還可以含有最多約1.6％Si，最多約2％Mn，最多約2％鎳，優(yōu)選約0.7-1.2％鎳和/或最多約4％鈷，優(yōu)選約1.2-2.5％鈷。任選地，可以用Cu部分或全部替代Co。合金可以不含W。對于鑄件場合，合金優(yōu)選含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)0.1-0.3％B，1.4-1.8％C，0.7-1.3％Si，0.8-1.5％V，9-11％Cr，0.2-0.7％Mn，0-4％Co，0-2％Ni，1-2.5％Nb，8-10％Mo，余量包括Fe和附帶雜質(zhì)。
在鑄態(tài)條件下，合金包含細(xì)胞狀枝晶亞結(jié)構(gòu)。為了獲得耐腐蝕性、高溫硬度和耐磨性，優(yōu)選對合金進(jìn)行熱處理，以獲得包括一次和二次碳化物的馬氏體顯微組織。優(yōu)選地，在淬硬并回火狀態(tài)，合金包括以回火馬氏體為主的顯微組織。圖1-2示出了鑄態(tài)合金的一個實施方案的顯微組織形貌。鑄態(tài)合金優(yōu)選具有細(xì)小且均勻分布的細(xì)胞狀枝晶凝固亞結(jié)構(gòu)。圖3-4示出了淬硬并回火態(tài)合金的一個實施方案的顯微組織形貌。圖3-4中示出的合金的淬硬并回火的條件是1700°F下加熱2.5小時、淬火并且在1300°F加熱3.5小時。熱處理之后，細(xì)胞狀枝晶區(qū)域轉(zhuǎn)變成以回火馬氏體為主的顯微組織。在淬硬期間通過固態(tài)相變形成馬氏體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，可以對本發(fā)明的合金進(jìn)行處理，使其在淬硬并回火狀態(tài)獲得良好的耐磨性、良好的耐腐蝕性和良好的高溫硬度。合金可以采用包括粉末冶金、鑄造、熱/等離子噴涂、堆焊等的傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行處理。
合金可以通過包括球磨組元粉末或霧化形成預(yù)合金化粉末的各種技術(shù)來形成粉末材料?？梢詫⒎勰┎牧蠅褐瞥梢笮螤畈Y(jié)。可以使用燒結(jié)工藝以使部件獲得要求性能。
部件例如閥座嵌入件和滾珠軸承優(yōu)選通過鑄造進(jìn)行制造，鑄造是一種眾所周知的方法，包括熔煉合金組元和將熔融的混合物澆注至鑄型中。優(yōu)選地，在加工成最終形狀之前，對合金進(jìn)行淬硬和回火。
在一個優(yōu)選實施方案中，使用所述合金制造閥座嵌入件，所述閥座嵌入件包括在柴油機(jī)，例如采用或沒有采用EGR的柴油機(jī)中使用的排氣閥座嵌入件。合金可以應(yīng)用在其它場合，包括但不限于，為汽油、天然氣或者替代燃料內(nèi)燃機(jī)制造的閥座嵌入件。所述閥座嵌入件可以采用傳統(tǒng)技術(shù)制造。此外，合金可以應(yīng)用在高溫性能為優(yōu)勢的其它場合，例如，耐磨涂層、內(nèi)燃機(jī)組件和柴油機(jī)組件。
可以對合金進(jìn)行熱處理，以便在保持細(xì)晶粒馬氏體顯微組織的同時，獲得改善的耐腐蝕性，所述細(xì)晶粒馬氏體顯微組織尤其能夠在高溫下提供優(yōu)異的耐磨性和硬度。
硼，在鐵中的溶解度極低(例如約0.01wt.％)，它可以用來獲得高的高溫硬度。小含量的硼能夠通過析出硬化(例如硼的碳化物、硼的氮化物、硼的碳氮化物)改善合金的強(qiáng)度，并且能夠提高晶粒細(xì)化。硼可以在晶內(nèi)(晶粒內(nèi)部)和晶間(沿晶界)分布。但是，過多的硼會向晶界偏聚，降低鋼的韌性。通過控制硼與其它合金添加劑的添加量，能夠使硼在晶內(nèi)飽和，促進(jìn)硼的化合物在晶界形成。這些硼的化合物能夠有效提高晶界強(qiáng)度。合金中硼含量優(yōu)選約0.005-0.5wt.％，更優(yōu)選約0.1-0.3wt.％。不希望受到理論限制，可以認(rèn)為不論是在固溶體中還是通過形成硼的化合物(例如，與C，N，F(xiàn)e，Cr和/或Mo的化合物)，硼都有利于通過固溶硬化和優(yōu)選沿凝固結(jié)晶亞結(jié)構(gòu)邊界和原奧氏體晶界析出硬化來強(qiáng)化鋼。
據(jù)認(rèn)為碳含量和鉻含量有助于合金具有有益性能。合金中碳含量優(yōu)選約1.2-1.8wt.％，更優(yōu)選約1.4-1.8wt.％，最優(yōu)選約1.5-1.7wt.％。
耐磨性的提高可以歸因于合金的顯微組織和硬度。合金的化學(xué)組成(如碳濃度)能夠影響一次碳化物的形成并且促進(jìn)二次碳化物的形成。一次碳化物典型地在塊狀材料凝固期間形成。相反，二次碳化物在塊狀材料凝固之后，例如熱處理期間形成。另外的因素例如熱處理溫度和淬火/冷卻速度能夠影響一次和二次碳化物的相對形成。碳能夠與B，V，Cr，Nb，Mo和Fe形成一次和二次碳化物，這會有助于合金的強(qiáng)度。如果存在，其它元素如Ti，Zr，Hf，Ta和W，也會與碳形成碳化物。優(yōu)選合金中一次碳化物的寬度小于約10微米，更優(yōu)選小于約5微米。合金中的二次碳化物優(yōu)選小于約1微米。
合金中鉻含量優(yōu)選約7-11wt.％，更優(yōu)選約9-11wt.％。鉻含量優(yōu)選提供所希望的耐腐蝕性、淬透性、耐磨性及抗氧化性的組合。不希望受理論所限，據(jù)認(rèn)為合金中的鉻在合金表面形成致密的保護(hù)性氧化鉻層，其抑止高溫氧化并使磨損和腐蝕程度最小。
合金中可以存在鎳，其量為對合金的要求性能無不利影響。鎳有利于提高抗氧化性和耐鉛(Pb)腐蝕性能，并且還能夠通過第二相強(qiáng)化提高合金的硬度和強(qiáng)度。但是，過多的鎳會加大鐵-鉻-鎳體系中的奧氏體區(qū)的尺寸，這會增大合金的熱膨脹系數(shù)并降低低溫耐磨性。當(dāng)用作尺寸穩(wěn)定性部件時，合金優(yōu)選具有低的熱膨脹系數(shù)。對于承受溫度波動的尺寸穩(wěn)定性部件而言，不希望熱膨脹系數(shù)大。鎳也會增加低溫磨損并增加合金的成本。因此，優(yōu)選限制鎳含量低于2wt.％，更優(yōu)選約0.7-1.2wt.％。
合金中的鉬含量優(yōu)選約6-11wt.％，更優(yōu)選約8-10wt.％。鉬的添加量應(yīng)能夠有效促進(jìn)合金的固溶硬化，并且在合金暴露在高溫下時提供抗蠕變性。鉬也能夠與碳結(jié)合形成一次和二次碳化物。
合金中可以添加鈷以改善高溫硬度。合金中的鈷含量優(yōu)選低于約4wt.％，更優(yōu)選約1.5-2.5wt.％。雖然鈷可以改善性能如高溫硬度，但是添加鈷會加大成本。
合金中的銅含量優(yōu)選低于約4wt.％，如不使用鈷時更優(yōu)選低于約2wt.％。銅可以部分或者全部替代鈷。銅可以溶解在Fe基體中，并且改善合金的尺寸穩(wěn)定性。但是，銅含量過高，如高于約4wt.％，會降低合金的機(jī)械強(qiáng)度。
合金中的鈮含量優(yōu)選約1-3.5wt.％，更優(yōu)選約1-2.5wt.％。當(dāng)合金作為鑄件凝固和/或?qū)辖疬M(jìn)行熱處理時，鈮可以在合金基體中及晶界處形成細(xì)小的二次碳化物。二次碳化物的存在能夠提高高溫蠕變斷裂強(qiáng)度。
合金中的釩含量優(yōu)選約0.7-1.5wt.％，更優(yōu)選約0.8-1.5wt.％。同鈮一樣，釩可以形成二次碳化物，這能夠提高高溫耐磨性。但是，釩含量過高會降低韌性。
硼、釩、鉻、鈮和鉬均為碳化物形成元素。一次和二次碳化物相能夠在鐵固溶體基體中形成，并且能夠控制晶粒大小和通過析出硬化改善合金的強(qiáng)度。釩、鈮和鉬的添加量優(yōu)選能夠提供顯微組織細(xì)化。例如，據(jù)認(rèn)為，鈮能夠提供細(xì)小的二次碳化物分布。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，硼、釩和鈮的含量(wt.％)滿足條件1.9％＜(B+V+Nb)＜4.3％。雖然優(yōu)選硼、釩、鈮和鉬，但是合金中可以存在其它的碳化物形成元素(例如鈦、鋯、鉿、鉭和鎢)。根據(jù)又一個實施方案，合金含有約約0.005-0.5％硼，約1.2-1.8％碳，約0.7-1.5％釩，約7-11％鉻，約6-11％鉬，至少一種選自于分別由Ti，Zr，Nb，Hf和Ta表示的鈦、鋯、鈮、鉿和鉭的元素，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)，使1％＜(Ti+Zr+Nb+Hf+Ta)＜3.5％。
可以調(diào)整碳及碳化物形成元素的量，以使碳化物的形成量能夠有效控制合金在高溫暴露期間發(fā)生晶粒長大。可以選擇碳及碳化物形成元素的量，以獲得碳與碳化物形成元素之間的化學(xué)計量比或近化學(xué)計量比，使得可以獲得處于固溶體中的要求量的碳。但是，過量的碳化物形成元素可能有益。例如，過量的鈮能夠在空氣中在高溫?zé)嵫h(huán)期間形成抗剝落的氧化鈮。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，合金不含鎢。如果需要，合金可以含有鎢，以改善合金的高溫耐磨性。但是，過高的鎢含量會使合金脆化、降低可鑄造性和/或降低韌性。
就鑄造合金而言，硅含量可以最高達(dá)約1.6wt.％，優(yōu)選約0.7-1.6wt.％，更優(yōu)選約0.7-1.3wt.％，并且合金中的錳含量可以最高達(dá)約2wt.％，優(yōu)選約0.2-0.8wt.％，更優(yōu)選約0.2-0.7wt.％。
硅和錳能夠與鐵形成固溶體，并且通過固溶強(qiáng)化提高合金強(qiáng)度，并提高抗氧化性。當(dāng)通過鑄造將合金成型為部件時，添加硅和錳能夠有助于合金的脫氧和/或脫氣。硅還能夠改善材料的鑄造性能。但是，優(yōu)選限制硅與錳含量分別低于1.6wt.％和0.8wt.％，以便減少合金的脆化。對于非鑄造的部件而言，可以降低硅與錳的含量，或者將它們從合金中除掉。
合金的余量優(yōu)選是鐵(Fe)和附帶雜質(zhì)。合金可以含有痕量(例如每種最多約0.1wt.％)的硫、氮、磷和/或氧。合金中可以添加對合金的腐蝕、磨損和/或硬度性能無不利影響的其它合金添加元素。
本發(fā)明的鐵基合金優(yōu)選通過對具有選定合金組分的粉末和/或固體塊進(jìn)行電弧熔煉、空氣感應(yīng)熔煉、或真空感應(yīng)熔煉形成，熔煉在合適的坩堝，如ZrO2坩堝中，在例如約2800-3000°F，優(yōu)選約2850-2925°F的溫度下進(jìn)行。熔融合金優(yōu)選澆注至具有所需部件構(gòu)形的鑄型，例如砂型、石墨型等中。
可以對鑄態(tài)合金進(jìn)行熱處理。例如，鑄態(tài)合金可以在約1550-2100°F，優(yōu)選約1550-1750°F的溫度下加熱約2-4小時，在適當(dāng)介質(zhì)如空氣、油、水或鹽浴中淬火，之后，在約1200-1400°F，優(yōu)選約1200-1350°F的溫度下回火約2-4小時。熱處理可以在惰性、氧化性或還原性氣氛(如氮?dú)?、氬氣、空氣或氮?dú)浠旌蠚怏w)中、真空中、或鹽浴中進(jìn)行。優(yōu)選熱處理能夠最大程度地減少合金中的殘余奧氏體的量。
圖5示出了一個示例性發(fā)動機(jī)閥門組件2。閥門組件2包括滑動支撐在閥門導(dǎo)向桿6內(nèi)孔中的閥門4。閥門導(dǎo)向桿6具有管狀結(jié)構(gòu)，其安裝在汽缸蓋8內(nèi)。箭頭示出了閥門4的運(yùn)動方向。
閥門4包括介于閥門4的帽12與閥頸14之間的閥座面10。閥桿16位于閥頸14上方，并且處于閥門導(dǎo)向桿6內(nèi)。具有閥座嵌入件面10′的閥座嵌入件18例如通過壓力裝配固定在發(fā)動機(jī)的汽缸蓋8內(nèi)。汽缸蓋通常包括鑄鐵、鋁或鋁合金的鑄件。優(yōu)選，嵌入件18(以橫截面形式示出)為環(huán)狀，閥座嵌入件面10′在閥門4運(yùn)動期間與閥座面10嚙合。
實施例根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鑄造技術(shù)鑄造具有如表I所示組成的合金。采用標(biāo)準(zhǔn)澆注頭(直徑3/4″)，以及SiMn(2盎司/100磅)，F(xiàn)eV(3盎司/100磅)和/或CeLa(1盎司/100磅)孕育劑，將合金鑄造成50磅每批(爐次)。試驗性爐次A在2882°F下鑄造。在淬硬并回火的條件下，爐次A的顯微組織包括馬氏體和珠光體。爐次A在1600°F下淬硬處理約3小時，在流動空氣中淬火并且在1200°F下回火約3.5小時。為了改善爐次A的抗氧化性能，制備了C和Mo含量較低的試驗性爐次B(在2850°F下澆注)。爐次B還含有B和Nb，以便提高淬硬并回火后的硬度。為了獲得韌性比爐次B好的合金，制備了第三種合金，即本發(fā)明的爐次C(在2850°F下澆注)。爐次C表現(xiàn)出改善的硬度和改善的韌性。爐次C的特征在于它是一種低B、高Cr、高M(jìn)o的Fe基合金。爐次C的鑄造性能優(yōu)異，可在含氧氣氛(例如空氣)中，高達(dá)1850°F的溫度下進(jìn)行熱處理，產(chǎn)生可接受量的氧化。具有良好的韌性和尺寸穩(wěn)定性，并且展示出有利的耐磨性和高溫硬度。
通過系統(tǒng)地改變本發(fā)明爐次C的組成，探討了組成變化的影響，以便制備本發(fā)明爐次1-11。例如，參照表I，爐次2的C含量相對較低，而爐次3的B含量相對較高。
下面討論合金的性能。未測量爐次C的硅含量。
表I
na＝未測得表II將本發(fā)明合金的組合物(總起來說指J130)與其它鋼進(jìn)行了比較，所述其它鋼包括J125(一種鑄造馬氏體不銹鋼)、J120V(一種鑄造高速鉬工具鋼)和J3(一種鑄造鈷基合金)，每種鋼均由本申請的受讓人L.E.Jones Co.提供。
表II
硬度測試了具有如表I所示組成的合金在鑄態(tài)、淬硬態(tài)以及淬硬并回火態(tài)條件下的顯微硬度和整體硬度(bulk hardness)。對于爐次A，淬硬和回火的溫度分別為1600°F和1200°F。爐次B在1600-1750°F的溫度下淬硬，在約1350°F下回火。對于爐次C，淬硬和回火的溫度分別為1750°和1350°F。爐次1-11在約1550°F下加熱，空氣中淬火，并且在1350°F下回火。爐次A-C以及1-11的加熱氣氛均為空氣。硬度結(jié)果匯總在表III中?？梢钥闯鲈诖阌膊⒒鼗馉顟B(tài)，含有最少量碳的爐次2的顯微硬度最低，而硼含量最高的爐次3具有最高的顯微硬度。
表IV示出了硼對淬透性的影響。給出了處于鑄態(tài)、淬硬態(tài)以及淬硬并回火態(tài)的一系列試樣的平均整體硬度結(jié)果。除了硼含量根據(jù)表III中所示數(shù)值變化之外，試樣還具有如下標(biāo)稱組成(以wt.％計)1.6％C，1％Si，1.3％V，9.75％Cr，0.45％Mn，1％Ni，1.9％Nb，9％Mo，余量包括Fe和附帶雜質(zhì)。每個爐次的澆注溫度均為約2865-2885°F，采用0.5盎司的SiMn和0.5盎司的FeV孕育。試樣在1700°F下淬硬并且在1300°F下回火。表IV的數(shù)據(jù)表明J130合金的淬透性和硬度是硼含量的函數(shù)。
表III
表IV
所測試合金展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫硬度，其值相當(dāng)于或者超過所測試的工具鋼在所有高溫下的值。參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)實驗方法E92-72，在各種溫度增量下，進(jìn)行了爐次8合金試樣在氬氣中各溫度保持30分鐘之后的高溫硬度測試。硬度測量采用棱錐型壓頭、10kg載荷下進(jìn)行，所用壓頭具有136度的Vickers金剛石面角，每個試樣至少進(jìn)行3次壓入。表V示出了各溫度下高溫硬度的平均結(jié)果以及J125，J120V和J3的對照數(shù)據(jù)。
表V
如表V所示，在所測量的整個溫度范圍內(nèi)，爐次8合金顯示出的高溫硬度比J125和J120V鋼高，并且與J3鈷基合金相當(dāng)。
表VI-VIII比較了爐次1合金與J125，J120V和J3材料的室溫及高溫性能。
壓縮屈服強(qiáng)度壓縮試驗由Westmoreland Mechanical Testing&Research(Youngstown，PA)進(jìn)行。壓縮屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表VI所示。
表VI
高溫耐腐蝕性能通常，鈷基合金具有非常好的耐腐蝕性。例如，合金J3展示出優(yōu)異的耐腐蝕性。此外，合金J125展示出與Co基合金相當(dāng)?shù)哪透g性。硫化(sulfidation)實驗包括將試樣(0.5英寸直徑×0.5英寸長)暴露在由10份CaSO4、6份BaSO4、2份Na2SO4、2份NaCl和1份石墨構(gòu)成的混合物中。測量于815°F下浸泡在上述混合物中的試樣的失重與時間的關(guān)系。爐次8經(jīng)過10、50和100小時實驗時的歸一化失重(試樣試驗之前的單位面積的失重)分別為約0.2、0.9和2.3mg/mm2。與其它鐵基材料相比，爐次8所代表的J130合金有利。
磨損試驗室溫下采用銷盤式(pin-on-disk)磨損試驗固定裝置實施單一運(yùn)動磨損試驗3個小時。單一運(yùn)動磨損試驗?zāi)MVSI場合的滑動磨損機(jī)制。單一運(yùn)動磨損試驗使用3/8″寬的靜止合金板材，其位于直徑1/2″的Sil1材料制成的旋轉(zhuǎn)的圓柱體上。實驗速度為1725轉(zhuǎn)/分。板材損失(爐次8，J125和J120V材料)以及總材料損失(板材+柱體)用失重表示，單位為毫克。不同施加載荷時的結(jié)果如表VII所示。
表VII
磨損結(jié)果表明與柴油機(jī)工業(yè)中通常使用的不銹鋼例如J125相比，爐次8合金具有改善的耐磨性。
尺寸穩(wěn)定性采用尺寸穩(wěn)定性實驗條件(1200°F時效20小時)測試了爐次C以及1-9的多個試樣的尺寸穩(wěn)定性。爐次1-9處于淬硬并回火的狀態(tài)(1550°F下淬硬處理，流動空氣中淬火，并在1350°F下回火)。表VIII示出了尺寸穩(wěn)定性試驗的平均結(jié)果，其單位為千分之一英寸。
表VIII
參看表VIII，爐次1-9中的每種合金均通過了尺寸試驗判據(jù)(最大尺寸變化量小于0.0005英寸)。尺寸穩(wěn)定性試驗確保熱循環(huán)不會例如通過冶金相變引起部件出現(xiàn)不可接受的尺寸變化。只有爐次6(高Si，低Cr+Mo)的尺寸變化大于0.0001英寸。
盡管已結(jié)合其優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，本領(lǐng)域的專業(yè)人員將會意識到只要不偏離附后權(quán)利要求中規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍，可以進(jìn)行未專門介紹的添加、刪除、修正和替換。
權(quán)利要求
1.一種鐵基合金，其以重量百分?jǐn)?shù)計含有約0.005-0.5％硼，約1.2-1.8％碳，約0.7-1.5％釩，約7-11％鉻，約1-3.5％鈮，約6-11％鉬，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，所述合金不含鎢。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其還含有最多約1.6％Si和/或最多約2％Mn。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，硼含量約0.1-0.3％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，碳含量約1.4-1.8％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，釩含量約0.8-1.5％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，鉻含量約9-11％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，鈮含量約1-2.5％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其還含有最多約2％鎳。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其還含有約0.7-1.2％鎳。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，鉬含量約8-10％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其還含有最多約4％鈷。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其還含有約1.5-2.5％鈷。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的鐵基合金，其中，銅部分或者全部替代鈷。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，硼、釩和鈮以重量百分?jǐn)?shù)計的含量分別用B，V和Nb代表，且滿足下述條件1.9％＜(B+V+Nb)＜4.3％。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金處于淬硬并回火狀態(tài)，并且合金具有包括一次和二次碳化物的馬氏體顯微組織。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的鐵基合金，其中，一次碳化物的寬度小于約10微米，且二次碳化物小于約1微米。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金為鑄件形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金處于淬硬并回火狀態(tài)，其硬度至少約42 Rockwell C。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金處于淬硬并回火狀態(tài)，其在800°F下的高溫維氏硬度至少約475。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金處于淬硬并回火狀態(tài)，其在800°F下的高溫壓縮屈服強(qiáng)度至少約100ksi。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金，其中，合金的尺寸穩(wěn)定性為在1200°F下20小時之后低于約0.5×10-3英寸。
23.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的內(nèi)燃機(jī)部件。
24.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的閥門座嵌入件。
25.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的柴油機(jī)閥門座嵌入件。
26.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的采用EGR的柴油機(jī)的閥門座嵌入件。
27.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的閥門座嵌入件，其中，所述閥門座嵌入件為鑄件形式。
28.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的閥門座嵌入件，其中，所述閥門座嵌入件為壓制并燒結(jié)的密實體形式。
29.一種具有根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金涂層的閥門座嵌入件。
30.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的閥門座嵌入件，其在800°F下的維氏硬度至少約475，壓縮屈服強(qiáng)度至少約100ksi。
31.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的合金的滾珠軸承。
32.一種鐵基無鎢鑄造合金，其以重量百分?jǐn)?shù)計含有約0.1-0.3％硼，約1.4-1.8％碳，約0.7-1.3％硅，約0.8-1.5％釩，約9-11％鉻，約0.2-0.7％錳，約0-4％鈷，約0-2％鎳，約1-2.5％鈮，約8-10％鉬，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)。
33.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的方法，其中，由在約2800-3000°F下的熔體鑄造所述合金。
34.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的方法，其中，由在約2850-2925°F下的熔體鑄造所述合金。
35.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1的鐵基合金的方法，其中，將所述合金加熱至約1550-2100°F，淬火并且在約1200-1400°F下回火。
36.一種鐵基合金，其以重量百分?jǐn)?shù)計含有約0.005-0.5％硼，約1.2-1.8％碳，約0.7-1.5％釩，約7-11％鉻，約6-11％鉬，至少一種選自于分別由Ti，Zr，Nb，Hf和Ta表示的鈦、鋯、鈮、鉿和鉭的元素，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)，使得1％＜(Ti+Zr+Nb+Hf+Ta)＜3.5％。
全文摘要
一種耐蝕耐磨鐵基合金。該合金可以含有(以重量百分?jǐn)?shù)計)0.005－0.5％硼，1.2－1.8％碳，0.7－1.5％釩，7－11％鉻，1－3.5％鈮，6－11％鉬，余者包括鐵和附帶雜質(zhì)?；蛘撸鯪b含量可以用Ti，Zr，Hf和/或Ta替代或者與上述各元素組合，使得1％＜(Ti+Zr+Nb+Hf+Ta)≤3.5％。所述合金具有改善的高溫硬度和高溫壓縮強(qiáng)度，適合應(yīng)用于高溫場合例如柴油機(jī)閥座嵌入件。
文檔編號C22C38/26GK1745184SQ200480003217
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者喬從躍, T·特魯?shù)蠆W 申請人:L·E·瓊斯公司