專利名稱：超高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高強(qiáng)度鋼，更具體地，涉及可在空氣中鑄造的超高強(qiáng)度鋼，其相比起傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼，具有改進(jìn)的強(qiáng)度、廷展性、韌度和耐腐蝕性方面的性質(zhì)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼存在許多缺陷。例如，大多數(shù)的馬氏體和馬氏體時(shí)效鋼不耐大氣腐蝕，尤其是在鑄造過(guò)程中。為了嚴(yán)格控制不需要的填隙和外來(lái)元素的存在，采用高純度的原材料，在真空條件下進(jìn)行傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼的熔融。
馬氏體時(shí)效鋼和其它類型的超高強(qiáng)度沉淀硬化鋼在惰性環(huán)境中于真空條件下進(jìn)行熔融和澆注(pour)，從而保護(hù)用于制造這類鋼的必需和很高活性的元素，如鈦和鋁，使其不暴露到大氣中。在熔融和澆注工藝中有目的地避免暴露到大氣，其目的是防止活性元素發(fā)生氧化反應(yīng)。已經(jīng)知道，氧化態(tài)的活性元素的存在嚴(yán)重降低了所得到的鋼的想要的機(jī)械性質(zhì)。
然而，這種真空熔融和澆注是昂貴的。此外，許多傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼必須進(jìn)行多次真空熔融和澆注，以獲得期望水平的純度。一旦完成了熔融和澆注工藝，鋼必須經(jīng)歷重要的鍛造加工而獲得期望的機(jī)械性質(zhì)。由于要求進(jìn)行鍛造加工，鋼制造商必須擁有和使用順序沖模以獲得期望的形狀和機(jī)械性質(zhì)，這進(jìn)一步增加了制造期望鋼產(chǎn)品所需的成本和時(shí)間。而且，許多傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼在大多數(shù)應(yīng)用中需要鍍鉻或鍍鎘，以提供一定水平的防腐蝕性保護(hù)，從而保護(hù)合金不生銹。
傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼通常包括以下表1中所列的合金元素(按重量百分比)
表1

鈦和鋁是制造馬氏體時(shí)效鋼中采用的必須成分，其目的是使得到的鋼具有增大的強(qiáng)度和硬度的性質(zhì)。然而，采用鈦和鋁制造的任何鋼都不能在空氣中熔融(如上所解釋的)，原因是它們易于形成脆化的化合物。因此，采用鈦和鋁形成的超高強(qiáng)度鋼必須進(jìn)行真空熔融和澆注。
而且，傳統(tǒng)的馬氏體超高強(qiáng)度鋼，如AISI 4340，H11和300M的韌度水平不足，對(duì)大氣元素的耐腐蝕性差，從而不能使用于許多既要求具有理想水平的韌度，又要求有一定程度耐腐蝕性的高強(qiáng)度鋼應(yīng)用場(chǎng)合中，例如不能使用在戶外暴露的應(yīng)用場(chǎng)合中。此外，為制造這些鋼而使用的合金通常使得到的鋼難以焊接(因?yàn)楦咛己恳灰话愠^(guò)0.25％)，所得的作為鑄件的鋼與鍛造的對(duì)應(yīng)物相比，機(jī)械性質(zhì)較差。
另一方面，已知超高強(qiáng)度的馬氏體時(shí)效鋼具有良好的韌度和可焊接性性質(zhì)。然而，如上所述，馬氏體時(shí)效鋼對(duì)大氣腐蝕和相關(guān)的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感。獲得這些鋼的代價(jià)也是非常昂貴的。
如上所簡(jiǎn)述的，制造超高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼的最常見(jiàn)工藝是通過(guò)兩或三道熔融工藝，其包括至少一個(gè)真空熔融/精練循環(huán)。熔融/精練循環(huán)之后通常進(jìn)行鍛造，并卷成片材或棒料。通過(guò)鍛造加工，馬氏體時(shí)效鋼獲得最佳性質(zhì)。盡管已經(jīng)知道對(duì)馬氏體時(shí)效鋼進(jìn)行鑄造獲得了具有相當(dāng)強(qiáng)度的鋼產(chǎn)品，但鑄造成為網(wǎng)狀導(dǎo)致延展性較差(與其鍛造的和機(jī)械加工的對(duì)應(yīng)物相比)，如下表2所示。
表2

因此需要開(kāi)發(fā)出與上述那些傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼相比，在強(qiáng)度、韌度、延展性和耐大氣侵蝕性方面的綜合性質(zhì)有所改進(jìn)的新的超高強(qiáng)度鋼。也希望在無(wú)需昂貴的和耗時(shí)的真空熔融和澆注工藝的條件下，能以允許在空氣中鑄造的方式制造這類新的超高強(qiáng)度鋼。
優(yōu)選實(shí)施方案的概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種通過(guò)組合Si，Cr，Mo，Ni，Co，Cu，W和Fe而制造的，空氣中鑄造的(air-cast)超高強(qiáng)度不銹鋼，其中該鋼的屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，且伸長(zhǎng)率大于約6％。該空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼還可包括選自C，Mn，V和其混合物的一種或多種成分。在一種實(shí)施方案中，該空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼基本上不含Al和Ti。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明的超高強(qiáng)度不銹鋼可包括約0.3至1.5wt％的Si，約9至13wt％的Cr，約2.5至4.5wt％的Mo，約4至7wt％的Ni，約7至13wt％的Co，約0.3至3wt％的Cu，以及約0.2至2wt％的W。另外，C的含量可最高為約0.08wt％，Mn的含量可最高為約1.5wt％，而V的含量可最高為約0.5wt％。Fe以余量存在。在一種實(shí)施方案中，該鋼的屈服強(qiáng)度為約255,000到300,000psi范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度為255,000到320,000psi之間，且伸長(zhǎng)率為約10％到14％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的超高強(qiáng)度不銹鋼可包括約0.4至1.2wt％的Si，約10.5至13wt％的Cr，約2.75至4.25wt％的Mo，約4.5至6wt％的Ni，約8至12.5wt％的Co，約0.4至1.5wt％的Cu，以及約0.2至1wt％的W。另外，C的含量可最高為約0.05wt％，Mn的含量范圍為約0.2至1wt％，而V的含量可最高為約0.25wt％。Fe以余量存在。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供的超高強(qiáng)度不銹鋼包括約0.4至0.9wt％的Si，約10.5至12wt％的Cr，約3.5至4.1wt％的Mo，約4.5至5.5wt％的Ni，約8.3至10.6wt％的Co，約0.4至1wt％的Cu，約0.3至0.6wt％的W，余量為Fe。另外，C的含量可最高為約0.03wt％，Mn的含量范圍可為約0.2至0.6wt％，而V的含量可最高為約0.15wt％。Fe以余量存在。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了由不銹鋼制造的鑄件(casting)，其是按照下列步驟制備的熔融上述組合的成分以形成不銹鋼混合物，澆注該不銹鋼混合物而形成鑄造件(cast part)，熔融和澆注均可在開(kāi)放的空氣中進(jìn)行；在約2,100以上的溫度下對(duì)鑄造件進(jìn)行約1到6小時(shí)的均勻化處理；在約1,600到約2,100的溫度范圍內(nèi)對(duì)鑄造件進(jìn)行約1到4小時(shí)的固溶體熱處理(solution heat treating)，然后冷卻到室溫；通過(guò)冷凍使鑄造件在低于約-50的溫度下冷卻約1到8小時(shí)；以及在約800到約1,000的溫度范圍內(nèi)對(duì)鑄造件進(jìn)行約4到約5小時(shí)的老化處理；如果要求進(jìn)一步提高該合金的機(jī)械性質(zhì)，可在約1,900以上的溫度和高于約14,000psi的壓力下，對(duì)由該不銹鋼制成的鑄造件進(jìn)行約3到5小時(shí)的熱等靜壓制(hot isostatic pressing)處理。這一處理應(yīng)該在均勻化步驟之前進(jìn)行。在一種實(shí)施方案中，經(jīng)歷所述老化步驟之后，所述鑄造件的屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，且伸長(zhǎng)率大于約6％。在一種實(shí)施方案中，所述均勻化步驟在約2,150到2,220的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，所述固溶體熱處理步驟在約1,800到1,950的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，所述冷卻步驟在約-110到-75的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，以及所述老化步驟在約900到1,000的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在一種實(shí)施方案中，所述熱等靜壓制處理步驟在約2,000到2,240的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了由不銹鋼制造鑄造件的方法。該方法包括下列步驟組合最多為0.08wt％的C，約0.3至1.5wt％的Si，約9至13wt％的Cr，約0.3至3wt％的Cu，約2.5至4.5wt％的Mo，約4至7wt％的Ni，約7至13wt％的Co，約0.2至2wt％的W，以及余量的Fe；熔融所述組合的成分，形成不銹鋼混合物；以及澆注所述不銹鋼混合物，形成所述鑄造件。在一種實(shí)施方案中，在組合步驟期間，加入選自V，Mn和其混合物的一種或多種成分。在一種實(shí)施方案中，熔融和澆注均可在開(kāi)放的空氣中進(jìn)行。在一種實(shí)施方案中，經(jīng)歷所述老化步驟之后，所述鑄造件的屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，且伸長(zhǎng)率大于約6％。
根據(jù)本發(fā)明原理制備的超高強(qiáng)度鋼提供了可在空氣中鑄造的產(chǎn)品，當(dāng)與上文所述的那些傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼相比時(shí)，該產(chǎn)品表現(xiàn)出在強(qiáng)度、韌度、延展性和對(duì)大氣的耐腐蝕性方面有所改進(jìn)的綜合性質(zhì)。此外，本發(fā)明的這類新的超高強(qiáng)度不銹鋼可在開(kāi)放的空氣環(huán)境中制造，從而避免利用昂貴的和耗時(shí)的真空熔融和多道熔融及鑄造工藝。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述本發(fā)明涉及超高強(qiáng)度不銹鋼(以下成為“不銹鋼”)和其制造方法。本發(fā)明的不銹鋼通常包括硅、鉻、鉬、鎳、鈷、銅和鎢作為基本合金元素，在需要的情況下還包括少量添加物——碳、錳和釩，其余的成分則是鐵。用于形成本發(fā)明不銹鋼的合金成分的特定組成，以及用于加工該不銹鋼的熱處理，提供了可在空氣中鑄造的，比起傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼在強(qiáng)度、延展性、韌度和耐大氣腐蝕性方面具有改進(jìn)的綜合性質(zhì)的鋼，且獲得了占主導(dǎo)的馬氏體微結(jié)構(gòu)，該馬氏體微結(jié)構(gòu)隨后被金屬互化物硬化。如果需要，本發(fā)明的不銹鋼可進(jìn)行真空熔融并直接澆注到模具中(熔模鑄造)或制成鑄錠，其隨后被鍛造，以進(jìn)一步提高其韌度和疲勞特性。
本發(fā)明不銹鋼的關(guān)鍵特征在于實(shí)現(xiàn)這些性能改進(jìn)的同時(shí)有目的地避免采用活性元素如鈦和/或鋁的能力。在為了獲得硬度而制造典型馬氏體時(shí)效鋼中，對(duì)這些元素的使用很常見(jiàn)。因此，提供具有高硬度的不銹鋼的同時(shí)有目的地避免采用這些元素的能力是意想不到的和令人驚奇的，且在以前認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。
為了使不銹鋼能在空氣中熔融，有意地避免使用這些活性元素。判斷性地選擇其它的合金元素和/或?qū)τ糜谥圃觳讳P鋼的合金成分的整體平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得期望的綜合機(jī)械性質(zhì)。對(duì)這些元素進(jìn)行有策略的替代，這避免了必須在非活性的環(huán)境中進(jìn)行多個(gè)熔融和澆注循環(huán)，從而能在開(kāi)放的空氣環(huán)境下，以既是成本較低的，又更有時(shí)間效率的方式形成不銹鋼。
不銹鋼可由以下的原子元素形成Fe，Si，Cr，Mo，Ni，Co，Cu和W。如上所述，本發(fā)明的不銹鋼區(qū)別于傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼如馬氏體時(shí)效鋼等的關(guān)鍵特征在于有意地避免使用活性元素鈦和鋁。
本發(fā)明的不銹鋼包括下表3中所列的，以各自重量百分比范圍表示的合金元素。應(yīng)該理解的是，所有的值都是近似值。
表3

本發(fā)明的不銹鋼可包括商業(yè)級(jí)馬氏體時(shí)效鋼中常見(jiàn)的雜質(zhì)。例如，如表3所示，本發(fā)明的不銹鋼中可存在痕量元素，如最多約0.01wt％的S，最多約0.03wt％的P，以及最多0.05wt％的N。
采用硅的目的是在鋼的加工過(guò)程中提供可鑄造性和流動(dòng)性方面的改進(jìn)性質(zhì)。本發(fā)明的不銹鋼可包括約0.3至1.5wt％的Si。采用鉻的目的是提供耐腐蝕性、強(qiáng)度和可硬化性方面的改進(jìn)性質(zhì)。本發(fā)明的不銹鋼包括約9至13wt％的Cr。采用銅的目的是為最終的鋼產(chǎn)品提供改進(jìn)的耐腐蝕性和耐氣候性。它與Cr，Ni和Mo一起提供了預(yù)期程度的耐腐蝕性。本發(fā)明的不銹鋼包括約0.3至3wt％的Cu。
采用鉬的目的是提高本發(fā)明不銹鋼的可硬化性。因此，本發(fā)明的不銹鋼包括約2.5至4.5wt％的Mo。采用鎳的目的是增大合金的強(qiáng)度和韌度。本發(fā)明的不銹鋼包括約4至7wt％的Ni。采用鈷的目的是提高強(qiáng)度。因此，本發(fā)明的不銹鋼包括約7至13wt％的Co。采用鎢的目的是提供強(qiáng)度和硬度方面的改進(jìn)性質(zhì)。本發(fā)明的不銹鋼包括約0.2至2wt％的W。
C，Mn和V的采用應(yīng)該理解為是任選的。采用碳的目的是通過(guò)熱處理而提高合金的強(qiáng)度和可硬化性。因此，本發(fā)明的不銹鋼可包括最多達(dá)約0.08wt％的C。采用錳是為了可鑄造性目的。本發(fā)明的不銹鋼可包括最多達(dá)1.5wt％的Mn。采用釩的目的是提高硬度，或在給定的硬度水平下提高韌度。本發(fā)明的不銹鋼可包括最多達(dá)約0.5wt％的V。
通過(guò)采用更良性(benign)的元素取代具有高度活性的元素，如傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼或其它超高強(qiáng)度沉淀硬化合金中含有的鋁和/或鈦，因此本發(fā)明的不銹鋼被賦予了更強(qiáng)的抗大氣腐蝕性。采用活性較低的元素有目的地取代具有高度活性的元素，從而生成了能在空氣中進(jìn)行單次熔融和澆注的，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性和可鑄造性(流動(dòng)性)的合金。
在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的不銹鋼被熔模鑄造為想要的形式。優(yōu)選地，在單次操作中熔融和澆注不銹鋼，與傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼所不同的是，這一操作無(wú)需在非活性的環(huán)境中進(jìn)行。應(yīng)該理解的是，根據(jù)本發(fā)明原理制備的不銹鋼能夠容易地在空氣中鑄造成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解的是，盡管優(yōu)選采用在空氣中進(jìn)行熔融，但也可采用保護(hù)性的氣體。例如，為提高可鑄造性，可在熔融期間將液態(tài)或氣態(tài)的氬覆蓋到電荷材料(charge material)的表面上。另外，在鑄件固化的開(kāi)始十分鐘左右，如果通過(guò)放置罐體蓋在冷卻殼體上而除去冷卻殼體周圍的空氣，則可得到較好的鑄體表面。然而，這并不是對(duì)本發(fā)明的限制。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的不銹鋼顯示出下列期望的綜合機(jī)械性質(zhì)(i)屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，優(yōu)選為約230,000到260,000psi的范圍內(nèi)；(ii)拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi；優(yōu)選為約250,000到280,000psi的范圍內(nèi)；以及(iii)伸長(zhǎng)率超過(guò)約6％，優(yōu)選為8到14％。除了這些機(jī)械性質(zhì)之外，本發(fā)明的不銹鋼也顯示出可鑄造性、流動(dòng)性、可焊接性以及耐大氣腐蝕性方面的良好性質(zhì)。
可設(shè)計(jì)本發(fā)明的不銹鋼的配方，以根據(jù)需要而提供落在上述范圍內(nèi)的預(yù)期水平的強(qiáng)度、韌度、伸長(zhǎng)率和耐腐蝕性，從而適應(yīng)特定的鋼應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)選擇性地采用合金成分和/或通過(guò)改變這些合金成分的用量，可得到在這些范圍內(nèi)不同水平的性能。
如上所述，本發(fā)明的不銹鋼可在空氣環(huán)境中被熔融和澆注，即可在空氣中熔融、澆注并可在空氣中鑄造成為期望的結(jié)構(gòu)。在鑄造件被鑄造后，加工不銹鋼的典型工藝包括下列步驟(a)均勻化處理；(b)固溶體熱處理；(c)冷卻；(d)需要時(shí)可進(jìn)行高溫/高壓固結(jié)(consolidation)，但應(yīng)在均勻化處理步驟之前進(jìn)行。
高溫/高壓固結(jié)的步驟優(yōu)選采用熱等靜壓制方式進(jìn)行。在熱等靜壓制步驟期間，將熔模鑄造產(chǎn)品放置于特定壓力容器中，該特定壓力容器能在超過(guò)約14,000psi的惰性氣體壓力下將該產(chǎn)品加熱至特定的溫度。該工藝中所采用的高溫和高壓導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)的內(nèi)在鑄造間斷(internal castingdiscontinuities)，如孔隙、氣體或收縮孔發(fā)生崩塌，從而獲得內(nèi)部缺陷大大降低，而機(jī)械性質(zhì)較好的鑄件。
鑄造產(chǎn)品優(yōu)選在約15,000psi的壓力和高于約1,900的溫度下，更優(yōu)選在約1,900到2,250的溫度范圍內(nèi)，于惰性氣體，如氬氣填充的室(chamber)中進(jìn)行熱等靜壓制。被加熱之前，在壓力室中填充或裝載氬氣達(dá)到某一特定的壓力范圍。使室內(nèi)的溫度升高到預(yù)期溫度，這導(dǎo)致室內(nèi)的壓力增加至期望的水平。維持該預(yù)期溫度約3-5小時(shí)，然后將鑄件冷卻到室溫。熱等靜壓制之后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行正常的檢測(cè)，以評(píng)價(jià)孔隙的封閉情況。
均勻化處理步驟在中性氣體中，于約2,000到約2,225溫度范圍內(nèi)進(jìn)行約1到6小時(shí)。均勻化處理用于逆轉(zhuǎn)和/或中和熱等靜壓制循環(huán)期間產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)變化，并最小化鑄造期間引起的任何化學(xué)分離(segregation)。
固溶體加熱步驟在中性氣體中于約1,600到約2,100溫度范圍內(nèi)進(jìn)行約1到4小時(shí)，然后采用快速氣體鼓風(fēng)(rapid gas fan)而冷卻到室溫。固溶體加熱步驟的作用是使微結(jié)構(gòu)處于奧氏體條件下，并通過(guò)快速冷卻而將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為馬氏體。
冷卻步驟是通過(guò)在完成為時(shí)約1到4小時(shí)的固溶體熱處理之后的24小時(shí)內(nèi)，在約-50以下(優(yōu)選-90到-100)冷凍處于室溫的鑄造產(chǎn)品，從而完成奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)化。老化步驟在約800到1,000的溫度范圍下進(jìn)行約1到6小時(shí)，以獲得期望的上述綜合機(jī)械性質(zhì)。
下表4列出了根據(jù)本發(fā)明的原理，用于制造不銹鋼而采用的優(yōu)選的、更優(yōu)選的和最優(yōu)選的工藝參數(shù)。應(yīng)該理解的是，所有的值都是近似值。
表4

為了更好地理解根據(jù)本發(fā)明原理的不銹鋼和其制造方法，提供了以下實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的實(shí)踐方法制備本發(fā)明不銹鋼的多個(gè)示例性實(shí)施方案。這些實(shí)施例被稱為下表5中所列舉的MR04-1、MR04-2、MR04B、MR04C、MR04D、MR04E、MR04L、MR06C、MR08A、MR08B。這些實(shí)施例是通過(guò)組合含量范圍如表5所示的各種合金成分，在空氣中進(jìn)行熔融、澆注，并將組合的合金混合物鑄造成期望的鑄件而制備得到的。
表5

對(duì)本發(fā)明的示例性不銹鋼進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明其具有可與傳統(tǒng)的真空熔融鍛造的超高強(qiáng)度不銹鋼合金相媲美的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度性質(zhì)。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不銹鋼鋼以空氣中熔融和在空氣中鑄造的熔模鑄件形式提供。
下表6示出了按照上述方法制備的示例性不銹鋼的物理性質(zhì)以及每個(gè)樣品的熱處理過(guò)程的數(shù)據(jù)。鑄造件在2,100到約溫度下2,220的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行約4小時(shí)的均勻化處理(參見(jiàn)針對(duì)每個(gè)樣品的表格)，然后在約1,900溫度下進(jìn)行約1.5小時(shí)的固溶體熱處理。然后通過(guò)快速氣體鼓風(fēng)使經(jīng)過(guò)固溶體熱處理后的鑄造件冷卻到室溫，并隨后在約-100的溫度下冷凍約4到約6小時(shí)(參見(jiàn)針對(duì)每個(gè)樣品的表格)，從而將殘留的奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體。然后使該鑄造件在約950的溫度下老化4到6小時(shí)，以獲得期望的機(jī)械性質(zhì)。
在表6的熱處理列中，第一個(gè)時(shí)間和溫度數(shù)字代表均勻化數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)間和溫度數(shù)字代表固溶體熱處理的數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)間和溫度數(shù)字代表冷凍數(shù)據(jù)，而第四個(gè)時(shí)間和溫度數(shù)字則代表老化數(shù)據(jù)。
表6

下表7提供了按照上述方法制備的示例性不銹鋼的物理/機(jī)械性質(zhì)與其他傳統(tǒng)鋼相比較的數(shù)據(jù)
表7


根據(jù)如上所述的性能數(shù)據(jù)，本發(fā)明的不銹鋼顯示出屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于其它用于比較的傳統(tǒng)鋼的綜合性質(zhì)，同時(shí)還具有伸長(zhǎng)百分率和耐腐蝕性可與其它用于比較的傳統(tǒng)鋼相媲美的性質(zhì)。
因此，本發(fā)明提供的不銹鋼是可在空氣中鑄造的，并且被特別設(shè)計(jì)用于克服上述傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼的所述缺點(diǎn)。與它們的馬氏體和馬氏體時(shí)效鋼等同物相比，本發(fā)明的不銹鋼的耐大氣腐蝕性更高，且具有比多數(shù)鍛造硬化的和沉淀硬化的不銹鋼更好的綜合機(jī)械性質(zhì)，屈服強(qiáng)度超過(guò)約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，伸長(zhǎng)率大于6％，而面積減小則為20％。
本發(fā)明的不銹鋼具有優(yōu)異的流動(dòng)性和可鑄造性，這使得它們可被用于鑄造成復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)。不銹鋼的活性低于其它馬氏體時(shí)效鋼，這使得能進(jìn)行空氣中熔融和澆注，并獲得期望的綜合機(jī)械性質(zhì)，而無(wú)需進(jìn)行多次真空熔融和鍛造加工。這類鋼活性較小的性質(zhì)導(dǎo)致了金屬-模反應(yīng)和多孔性較少。此外，通過(guò)熔模鑄造可將本發(fā)明的不銹鋼直接制成近似網(wǎng)的形狀。與傳統(tǒng)的馬氏體時(shí)效合金相比，這些合金的價(jià)格更便宜，更易于獲得。無(wú)需采用高純度的原材料，這些合金就能達(dá)到期望的機(jī)械性質(zhì)。這些合金易于被回收，從而降低了成本，并有利于環(huán)境。與低合金馬氏體類似物(4140或300M合金)相比，本發(fā)明的合金表現(xiàn)出更好的可焊接性。與傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度鋼相比，它們?cè)诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中并不需要鍍鉻或鍍鎘，因此它們對(duì)環(huán)境更為友好。
本發(fā)明的不銹鋼可被單次熔融，因而顯著地降低了加工成本。它們可在空氣中熔融和空氣中澆注成為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而降低了真空鑄造爐所需要的資本支出。作為空氣中鑄造的合金，產(chǎn)率(每小時(shí)的產(chǎn)量)明顯高于采用真空熔融的合金的產(chǎn)率。不銹鋼所要求的采購(gòu)交付周期(acquisition lead-times)降低，生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間更快，以及制造成本更低。由于加工更簡(jiǎn)單，整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間和周期(準(zhǔn)備和操作時(shí)間)更快，因此需要較少的存貨。由于本發(fā)明的不銹鋼在無(wú)需進(jìn)行鍛造加工的情況下就能獲得其性質(zhì)，因此不需要順序沖模來(lái)獲得期望的形狀和機(jī)械性質(zhì)。在花費(fèi)采購(gòu)和加工成本的情況下，鍛造加工和真空熔融能改善它們的特性，以用于特定應(yīng)用。
盡管已經(jīng)公開(kāi)和闡釋了特定的實(shí)施例，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的不銹鋼可根據(jù)最終產(chǎn)品的特定應(yīng)用而具有許多不同化學(xué)構(gòu)成中的其中一種化學(xué)構(gòu)成。而且，應(yīng)該理解的是，為制造這些鋼而所述的溫度、時(shí)間、壓力等都只是示例性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠在不背離本發(fā)明精神的情況下設(shè)計(jì)出不同于所公開(kāi)和闡釋的工藝過(guò)程和化學(xué)性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼，其通過(guò)組合Si，Cr，Mo，Ni，Co，Cu，W和Fe而制造，其中，所述鋼的屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，且伸長(zhǎng)率大于約6％。
2.如權(quán)利要求1所述的空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼，還包括選自C，Mn，V和其混合物的至少一種成分。
3.如權(quán)利要求1所述的空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼，其中，Si的含量為約0.3至1.5wt％，Cr的含量為約9至13wt％，Mo的含量為約2.5至4.5wt％，Ni的含量為約4至7wt％，Co的含量為約7至13wt％，以及W的含量為約0.2至2wt％，F(xiàn)e以余量存在。
4.一種超高強(qiáng)度不銹鋼，基本由下列物質(zhì)組成約0.3至1.5wt％范圍內(nèi)的Si，約9至13wt％范圍內(nèi)的Cr，約2.5至4.5wt％范圍內(nèi)的Mo，約4至7wt％范圍內(nèi)的Ni，約7至13wt％范圍內(nèi)的Co，約0.3至3wt％范圍內(nèi)的Cu，約0.2至2wt％范圍內(nèi)的W，以及余量的Fe。
5.一種超高強(qiáng)度不銹鋼，包括最多為約0.08wt％的C，約0.3至1.5wt％范圍內(nèi)的Si，約9至13wt％范圍內(nèi)的Cr，約0.3至3wt％范圍內(nèi)的Cu，約2.5至4.5wt％范圍內(nèi)的Mo，約4至7wt％范圍內(nèi)的Ni，約7至13wt％范圍內(nèi)的Co，約0.2至2wt％范圍內(nèi)的W，最多為約0.5wt％的V，最多為約1.5wt％的Mn，以及余量的Fe。
6.一種由不銹鋼制造的鑄件，其是按照下列步驟制備的在約2,000以上的溫度下，對(duì)由不銹鋼制造的鑄造件進(jìn)行約1到6小時(shí)的均勻化處理；在約1,600到約2,100的溫度范圍內(nèi)，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約1到4小時(shí)的固溶體熱處理，然后冷卻到室溫；通過(guò)冷凍使所述鑄造件在低于約-50的溫度下冷卻約1到8小時(shí)；和在約800到約1,000的溫度之間，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約4到約5小時(shí)的老化處理。
7.如權(quán)利要求6所述的鑄件，其中，在所述均勻化步驟之前進(jìn)行下列的步驟在約1,900以上的溫度和高于約14,000psi的壓力下，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約3到5小時(shí)的熱等靜壓制處理。
8.如權(quán)利要求6所述的鑄件，其中，在所述壓制步驟之前，所述鑄件由下列步驟形成組合約0.3至1.5wt％的Si，約9至13wt％的Cr，約0.3至3wt％的Cu，約2.5至4.5wt％的Mo，約4至7wt％的Ni，約7至13wt％的Co，約0.2至2wt％的W，以及余量的Fe；熔融所述組合的成分，以形成不銹鋼混合物；以及澆注所述不銹鋼混合物而形成所述鑄造件。
9.一種由不銹鋼制造鑄造件的方法，包括下列步驟組合最多為0.08wt％的C，約0.3至1.5wt％的Si，約9至13wt％的Cr，約0.3至3wt％的Cu，約2.5至4.5wt％的Mo，約4至7wt％的Ni，約7至13wt％的Co，約0.2至2wt％的W，以及余量的Fe；熔融所述組合的成分，形成不銹鋼混合物；以及澆注所述不銹鋼混合物，形成所述鑄造件。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括下列步驟在約2,100以上的溫度下，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約1到6小時(shí)的均勻化處理；在約1,600到約2,100的溫度范圍內(nèi)，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約1到4小時(shí)的固溶體熱處理，然后冷卻到室溫；通過(guò)冷凍使所述鑄造件在低于約-50的溫度下，冷卻約1到4小時(shí)；和在約800到約1,000的溫度下，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約4到約5小時(shí)的老化處理。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括下列步驟在所述均勻化步驟之前，于約1,900以上的溫度和高于約14,000psi的壓力下，對(duì)所述鑄造件進(jìn)行約3到5小時(shí)的熱等靜壓制處理。
全文摘要
通過(guò)組合Si、Cr、Cu、Mo、Ni、Co、W和Fe而制造的，空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼，其中該鋼的屈服強(qiáng)度大于約215,000psi，拉伸強(qiáng)度大于約240,000psi，且伸長(zhǎng)率大于約6％。在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，該空氣中鑄造的超高強(qiáng)度不銹鋼包括選自C，V，Mn和其混合物的至少一種成分。該鋼可包括最多為0.08wt％的C，約0.3至1.5wt％的Si，約9至13wt％的Cr，約0.3至3wt％的Cu，約2.5至4.5wt％的Mo，約4至7wt％的Ni，約7至13wt％的Co，約0.2至2wt％的W，最多為約0.5wt％的V，以及余量的Fe。
文檔編號(hào)C21C5/00GK1869271SQ20051007306
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者R·納瑟－拉菲, M·懷特 申請(qǐng)人:蓋恩斯馬特有限公司