具有高強度和高延展性的新類型的非不銹鋼的制作方法
【專利摘要】本公開涉及提供非不銹鋼材合金的配方與方法，該合金具有相對高的強度與延展性。該合金可以以片材或壓制形式提供，其特征在于它們特有的合金化學(xué)和可識別的結(jié)晶晶粒尺寸形態(tài)。該合金使得它們包括硼化物釘扎相。其中稱為1類鋼的該合金顯示630至1100MPa的拉伸強度和10-40％的延伸率。2類鋼顯示875MPa至1590MPa的拉伸強度和5-30％的延伸率。2類鋼顯示1000MPa至1750MPa的拉伸強度和0.5-15％的延伸率。
【專利說明】具有高強度和高延展性的新類型的非不銹鋼
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年I月5日提交的美國臨時申請序列號61/583，261、2012年2月29日提交的美國臨時申請序列號61/604，837和2012年7月24日提交的美國申請序列號13/556,410的權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的性質(zhì)組合的新類型的非不銹鋼合金，其適用于通過方法例如冷硬表面處理的片材制備。

【背景技術(shù)】
[0004]鋼材已經(jīng)被人類使用了至少3000年，并且廣泛用于工業(yè)中，占工業(yè)用途的所有金屬性合金的超過80重量％?，F(xiàn)有的鋼技術(shù)基于控制共析轉(zhuǎn)變。第一步驟是將合金加熱至單相區(qū)(奧氏體)并隨后以各種冷卻速率將該鋼材冷卻或淬火以形成多相組織，該多相組織通常為鐵素體、奧氏體和滲碳體的組合。取決于鋼材在凝固或熱處理時的冷卻速率，可獲得具有寬范圍性質(zhì)的多種特性顯微組織(例如珠光體、貝氏體和馬氏體)?？刂乒簿мD(zhuǎn)變已導(dǎo)致多種現(xiàn)今可用的鋼材。
[0005]在本文中非不銹鋼可理解為包含小于10.5%的鉻并且通常由碳素鋼表示，所述碳素鋼是目前為止最廣泛使用的鋼。碳鋼的性質(zhì)主要取決于其包含的碳量。由于具有非常低的碳含量(低于0.05%的C)，這些鋼為相對有延展性的并且具有類似于純鐵的性質(zhì)。不能通過熱處理將它們改性 。它們是廉價的，但是工程應(yīng)用可限于不重要的部件和一般的嵌板工作(general panneling work)。
[0006]大多數(shù)合金鋼中的珠光體組織形成需要比碳素鋼中少的碳。大部分這些合金鋼是低碳材料并且用1.0重量％ -50重量％的總量的各種元素合金化以改善其機械性質(zhì)。將碳含量降低至0.10% -0.30%的范圍連同合金化元素的一些降低，增加了鋼材的可焊接性和可成形性同時維持其強度。將這樣的合金定級為表現(xiàn)出270-700MPa拉伸強度的高強度低合金鋼(HSLA)。
[0007]先進(jìn)的高強度鋼(AHSS)鋼可具有大于700MPa的拉伸強度并且包括諸如例如馬氏體鋼(MS)、雙相(DP)鋼、轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)相(CP)鋼的類型。隨著強度水平提高，鋼的延展性通常降低。例如，低強度鋼(LSS)、高強度鋼(HSS)和AHSS可分別顯示在25% -55%、10% -45%和4% -30%水平下的拉伸延伸率。
[0008]在馬氏體時效鋼中已獲得了顯著更高的強度(高達(dá)2500MPa)，所述馬氏體時效鋼是添加鈷、鑰、鈦和鋁的不含碳的鐵-鎳合金。術(shù)語馬氏體時效源自于強化機理，其用隨后的時效硬化將合金轉(zhuǎn)變成馬氏體。普通的非不銹鋼種的馬氏體時效鋼包含17% -18%的鎳、8%-12%的鈷、3%-5%的鑰和0.2%-1.6%的鈦。馬氏體時效鋼相對高的價格(它們比通過標(biāo)準(zhǔn)方法制備的高合金工具鋼貴幾倍)顯著限制了它們在很多領(lǐng)域(例如汽車工業(yè))的應(yīng)用。它們對非金屬性夾雜非常敏感，所述非金屬性夾雜充當(dāng)應(yīng)力集中部位并且促進(jìn)孔隙和微裂紋的形核，導(dǎo)致鋼的延展性和斷裂韌性的降低。為了是非金屬夾雜物的含量最小化，通常在真空下熔化馬氏體時效鋼，這導(dǎo)致高成本的加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開涉及用于制備金屬性合金的方法，該方法包括提供一種包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金。接著可將該合金熔融并凝固以提供500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm_500nm的硼化物晶粒尺寸。隨后可對所述合金施加機械應(yīng)力和/或加熱以形成以下的晶粒尺寸分布和機械性質(zhì)狀況的至少一種，其中硼化物顆粒提供抵抗所述基體晶粒粗化的釘扎相:(a) 500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸，25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中該合金顯示300MPa-840MPa的屈服強度、630MPa_l10MPa的拉伸強度和10-40%的拉伸延伸率；或(b) 100nm-2000nm的細(xì)化基體晶粒尺寸、lnm-200nm的析出晶粒尺寸、200nm-2，500nm的硼化物晶粒尺寸，其中該合金具有300MPa_600MPa的屈服強度?？蓪⒕哂屑?xì)化晶粒尺寸分布(b)的合金暴露于超過300MPa-600MPa的屈服強度的應(yīng)力，其中細(xì)化晶粒尺寸保持在100nm-2000nm，硼化物晶粒尺寸保持在200nm-2500nm，析出晶粒保持在lnm-200nm，其中所述合金顯示300MPa_1400MPa的屈服強度、875MPa_1590MPa的拉伸強度和5% -30%的延伸率。
[0010]本公開還涉及一種包括提供金屬合金的方法，該金屬合金包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si。隨后可將該合金熔融并凝固以提供500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸。接著加熱該合金并形成包括10nm-1O, OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織，其中該合金具有300MPa-1400MPa的屈服強度、350MPa_1600MPa的拉伸強度和0-12%的延伸率。隨后可加熱前述的板條組織并且形成lOOnm-lO，OOOnm厚、0.1-5.0微米長和10nm-1OOOnm寬的薄片晶粒,連同100nm-2500nm的硼化物晶粒和Inm-1OOnm的析出晶粒，其中該合金顯示350MPa-1400MPa的屈服強度。前述的薄片組織可經(jīng)受應(yīng)力并形成具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒的合金，其中該合金具有350MPa-1400MPa的屈服強度、1000MPa-1750MPa的拉伸強度和0.5% -15.0%的延伸率。
[0011]本公開還涉及金屬性合金，該金屬性合金包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的Ni,3.5-5.9原子％的Β、4.4-8.6原子％的Si，其中該合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸。該合金在第一次暴露于熱時形成包括lOOnm-lO, OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織,其中該合金具有400MPa-1400MPa的屈服強度、350MPa_1600MPa的拉伸強度和0-12%的延伸率。在第二次暴露于熱接著施加應(yīng)力時，該合金具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒并且該合金具有350MPa_1400MPa的屈服強度、1000MPa_1750MPa的拉伸強度和0.5% -15.0 %的延伸率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]參考附圖可更好地理解以下的詳細(xì)描述，提供所述附圖用于說明的目的而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的任何方面。
[0013]圖1說明了示例性雙輥法。
[0014]圖2說明了示例性薄板坯連鑄法。
[0015]圖3A說明了關(guān)于形成本文中的I類鋼的組織和機理。
[0016]圖3B說明了關(guān)于形成本文中的2類鋼合金的組織和機理。
[0017]圖4A說明了包含模態(tài)相形成的材料的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0018]圖4B說明了所示組織和相關(guān)的形成機理的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0019]圖5說明了關(guān)于形成本文中的3類鋼的組織和機理。
[0020]圖6A說明了薄片組織。
[0021]圖6B說明了與2類鋼相比的3類鋼在室溫下拉伸時的機械響應(yīng)。
[0022]圖7說明了依賴于它們來自初始形成的模態(tài)組織的顯微組織發(fā)展的兩類合金。
[0023]圖8說明了具有1.8mm厚度的合金6板材的圖片(a)鑄態(tài)；(b)在1100°C下HIP循環(huán)I小時后。
[0024]圖9說明了所示出的鋼類型與雙相(DP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比。
[0025]圖10說明了所示出的鋼類型與復(fù)相(CP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比。
[0026]圖11說明了所示出的鋼類型與轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比。
[0027]圖12說明了所示出的鋼類型與馬氏體(MS)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比。
[0028]圖13說明了 2類合金板材樣品中顯微組織的背散射SEM顯微照片；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下經(jīng)HIP —小時，和C)在1100°C下HIP —小時和在700°C下熱處理一小時。
[0029]圖14說明了處于鑄態(tài)條件下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2Θ)；a)測量圖案，b)Rietveld計算圖案。
[0030]圖15說明了處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)一小時)下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ ) ;a)測量圖案，b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0031]圖16說明了處于經(jīng)HIP(100(TC持續(xù)一小時)和經(jīng)熱處理的條件(350°C持續(xù)20分鐘)下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ ) ;a)測量圖案，b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0032]圖17說明了 2類合金板材樣品的TEM顯微照片；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下經(jīng)HIP一小時，和c)在1100°C下經(jīng)HIP—小時和在700°C下熱處理一小時。
[0033]圖18說明了鑄態(tài)合金6板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0034]圖19說明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時后3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0035]圖20說明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時和熱處理至700°C持續(xù)60分鐘并相對緩慢爐冷后的3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0036]圖21說明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時和在700°C下熱處理60分鐘并相對緩慢爐冷后的3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0037]圖22說明了處于鑄態(tài)條件下的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ )，a)測量圖案；b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0038]圖23說明了處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)一小時)下的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ ) ;a)測量圖案，b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0039]圖24說明了處于經(jīng)HIP(1100°C下持續(xù)一小時)和熱處理的條件(700°C緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時間))的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ ) ;a)測量圖案，b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0040]圖25說明了鑄態(tài)3類合金板材樣品的TEM顯微照片:(a)鑄態(tài)樣品中晶間區(qū)域處的顯微組織(對應(yīng)于圖6中的區(qū)域B) ；(b)晶間區(qū)域處顯示析出物的詳細(xì)組織的放大圖像；(C)基體晶粒的顯微組織，其在由箭頭指示的一個方向排列。
[0041 ] 圖26說明了在1100°C下持續(xù)I小時的3類合金板材樣品的TEM顯微照片:(a)具有板條組織的基體中均勻形成和分布的多個析出物；(b)在析出物附近的板條顯微組織的詳細(xì)顯微組織；(c)顯示具有板條組織的晶粒的暗場TEM圖像。
[0042]圖27說明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時和在700°C下熱處理60分鐘并相對緩慢爐冷后的3類合金板材樣品中的顯微組織的TEM顯微照片:(a)析出物略微生長，但是基體中的板條組織發(fā)展成薄片組織。(b)在更高的放大倍數(shù)下的基體組織。
[0043]圖28說明了處于各種條件下的2類合金板材的拉伸性質(zhì)；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下HIP循環(huán)一小時后，和c)在1100°C下HIP循環(huán)一小時和在700°C下熱處理I小時后。
[0044]圖29說明了來自在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理I小時以及在室溫下變形后的2類合金板材的拉伸試樣中顯微組織的SEM圖像(a)夾持區(qū)域(gripsect1n)和(b)標(biāo)記區(qū)域(gage sect1n)。
[0045]圖30說明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理I小時后的2類合金板材的X射線數(shù)據(jù)之間的對比:1)拉伸測試后的試樣標(biāo)記部分(上部曲線)和2)試樣夾持部分 (下部曲線)。
[0046]圖31說明了來自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時)和在700°C下熱處理I小時的2類合金板材的拉伸測試試樣的標(biāo)記部分的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2 Θ ) ;a)測量圖案，b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0047]圖32說明了在1100°C下經(jīng)HIP —小時和在700°C下熱處理一小時的2類合金板材的TEM顯微照片；a)拉伸測試前；b)拉伸測試后。
[0048]圖33說明了在1100°C下經(jīng)HIP —小時和在700°C下熱處理一小時的2類合金板材的TEM顯微照片；a)拉伸測試前，在熱處理后觀察到納米析出物；b)拉伸測試后，觀察由納米析出物的位錯釘扎。
[0049]圖34是顯示處于各種條件下的3類合金板材的拉伸性質(zhì)的應(yīng)力對應(yīng)變曲線:(a)鑄態(tài)；(b)在1000°C下HIP循環(huán)I小時；和(c)在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理60分鐘并相對緩慢爐冷。
[0050]圖35是在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理并緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時間)后的3類合金板材的X射線數(shù)據(jù)的對比:(1)拉伸測試后的板材標(biāo)記部分(上部曲線)；和(2)拉伸測試前的板材(下部曲線)。
[0051]圖36是來自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時)的3類合金板材的拉伸測試試樣的標(biāo)記部分的X射線衍射數(shù)據(jù)(強度對2Θ):(a)測量圖案，(b)采用識別的峰的Rietveld計算圖案。
[0052]圖37是在來自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時)和在700°C下熱處理，緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時間)條件下的3類合金板材的拉伸測試試樣的標(biāo)記部分中發(fā)現(xiàn)的新識別的六方相(空間群#190)的計算X射線衍射圖案(強度對2Θ)。請注意在括號中列出了衍射面。
[0053]圖38是在來自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時)和在700°C下熱處理，緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時間)條件下的3類合金板材的拉伸測試試樣的標(biāo)記部分中發(fā)現(xiàn)的新識別的六方相(空間群#186)的計算X射線衍射圖案(強度對2 Θ)。請注意在括號中列出了衍射面。
[0054]圖39是來自在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理60分鐘并相對緩慢爐冷后的3類合金板材的拉伸試樣中的顯微組織的TEM顯微照片:(a)拉伸測試前；(b)拉伸測試后。
[0055]圖40是在相同的熱機械處理后的合金17和合金27在室溫下測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0056]圖41是在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理I小時后(變形前)的合金17板材中的顯微組織的SEM圖像。
[0057]圖42是在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理I小時后(變形前)的合金27板材中的顯微組織的SEM圖像。
[0058]圖43是在HIP循環(huán)和在700°C下熱處理I小時并且(a)在空氣中和(b)用爐冷卻后的合金2板材試樣的拉伸測試時記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0059]圖44是在HIP循環(huán)C和在700°C下熱處理I小時并且(a)在空氣中和(b)用爐冷卻后的合金5板材試樣的拉伸測試時記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0060] 圖45是在HIP循環(huán)和(a)在850°C下I小時并在空氣中冷卻和(b)在700°C下I小時用爐冷卻的熱處理后的合金52板材試樣的拉伸測試時記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0061]圖46說明了 2類合金中的應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。
[0062]圖47說明了 3類合金中的應(yīng)變硬化與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。
[0063]圖48說明了用增量應(yīng)變對2類合金進(jìn)行拉伸測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0064]圖49說明了用增量應(yīng)變對3類合金進(jìn)行拉伸測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0065]圖50說明了 2類合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至10%并測試至失效后。
[0066]圖51說明了來自在預(yù)應(yīng)變至10%前后的2類合金的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0067]圖52說明了 3類合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至3%并測試至失效后。
[0068]圖53說明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時后的2類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至10%和隨后在1100°C下退火I小時后。
[0069]圖54說明了來自在預(yù)應(yīng)變至10%和隨后在1100°C下退火I小時后的2類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0070]圖55說明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時后的3類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并且在(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至3%和隨后在1100°C下退火I小時后進(jìn)行測試。
[0071]圖56說明了來自在預(yù)應(yīng)變至3%和隨后在1100°C下退火I小時后的3類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0072]圖57說明了 2類合金板材試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，該試樣經(jīng)受3個回合的拉伸測試至10%變形，接著在步驟之間退火并測試至失效。
[0073]圖58說明了來自在3個回合的變形至10% (在回合之間退火)前后的2類合金板材的拉伸測試試樣。
[0074]圖59說明了來自在3個回合的變形至10% (在回合之間退火)前后的2類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記中的顯微組織的SEM圖像。
[0075]圖60說明了來自在循環(huán)變形至10%和在1100°C下退火I小時(3次)后的2類合金板材的拉伸試樣中的顯微組織的TEM圖像，然后a)在夾持區(qū)域中和b)在標(biāo)記中測試至失效。
[0076]圖61說明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時和在700°C下熱處理I小時并相對緩慢爐冷后的3類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,該板材經(jīng)受3個回合的拉伸測試至3%變形，接著在步驟之間退火并測試至失效。
[0077]圖62說明了在700°C下合金20(3類)的顯著拉伸延伸率。
[0078]圖63是在700°C下拉伸后具有88.5%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0079]圖64是在850°C下拉伸后具有23%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0080]圖65是在700°C下拉伸后具有34.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0081]圖66是在850°C下拉伸后具有13.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0082]圖67是在700°C下拉伸后具有88.5%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0083]圖68是在850°C下拉伸后具有23%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0084]圖69說明了在提高的溫度下變形后的合金20中納米析出物的Cu富集。
[0085]圖70是在700°C下拉伸后具有34.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0086]圖71是在850°C下拉伸后具有13.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0087]圖72是㈧具有I英寸厚度的鑄態(tài)板材，⑶從該板材切割的薄板，和(C)來自合金6的拉伸試樣的圖片。
[0088]圖73說明了來自合金6的I英寸厚板的拉伸性質(zhì)。

【具體實施方式】
[0089]鋼帶材/鋼片材尺寸
[0090]如本申請中所描述的，通過冷硬表面處理，可制備具有100-5000mm寬度、0.3mm-150mm厚度的鋼片材?？梢砸?.1mm的增量在這些范圍內(nèi)調(diào)整這些厚度范圍和寬度范圍。優(yōu)選地，可使用雙輥鑄造，其可制備厚度為0.3-5mm和寬度為100mm-5000mm的片材。優(yōu)選地，還可利用薄板還連鑄，其可制備厚度為0.5_150mm和寬度為100mm-5000mm的片材。片材的冷卻速率會取決于方法，但可為11X103-4X10_2K/s不等。在本文中還設(shè)想通過各種冷硬表面法的具有最高150mm或lmm-150mm的厚度的燒鑄部件來自各種方法,包括永久型鑄造、熔模鑄造、加壓鑄造、離心鑄造等。此外，通過常規(guī)的壓制和燒結(jié)或通過HIP/鍛造的粉末冶金法是制備利用本申請中描述的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和機理的部分或完全致密的部件和裝置(即本文中所描述的2類或3類鋼)的預(yù)期路線。
[0091]制備途徑
[0092]雙輥澆鑄描述
[0093]通過冷硬表面處理制備鋼材的一個實例是制備鋼片材的雙輥法。在圖1中顯示了Nucor/Castrip法的示意圖。如所示的，可將該方法分成三個階段:階段1_鑄造，階段2-熱車L，和階段3-帶材卷繞。在階段I期間，當(dāng)凝固中的金屬在通常由銅或銅合金制成的輥之間的棍隙(roll nip)中會聚時形成該片材。在這個階段鋼材的典型厚度為1.7-1.8mm,但是通過改變輥分隔距離，厚度可為0.8-3.0mm不等。在階段2期間，通常在700-1200°C下將該制備狀態(tài)的片材熱軋以便從制備方法消除宏觀缺陷例如孔隙、分散縮孔、氣孔、針孔、夾渣等等的形成，并允許關(guān)鍵合金化元素的固溶化、奧氏體化等。取決于目標(biāo)市場，熱軋片材的厚度可變化，但通常為0.3-2.0_。在階段3期間，可通過在卷繞前增加水冷和改變片材的輸出(run-out)長度來控制片材的溫度和通常在300-700°C的溫度下的時間。除了熱軋以外，還可通過交替的熱機械處理策略例如熱等靜壓、鍛造、燒結(jié)等來進(jìn)行階段2。除了在帶材卷繞過程期間控制熱條件以外，還可通過后處理熱處理來進(jìn)行階段3以便控制片材中的最終顯微組織。
[0094]薄板坯連鑄描述
[0095] 通過冷硬表面處理制備鋼材的另一個實例是制備鋼片材的薄板坯連鑄法。在圖2中顯示了 Arvedi ESP法的示意圖。以與雙輥法類似的方式，可將薄板坯連鑄法分成三個階段。在階段I中，以幾乎同時的方式鑄造和軋制液體鋼材。通過迫使液體熔體穿過銅或銅合金模具來開始凝固過程以制備通常為50-110mm的初始厚度，但這可基于液體金屬可加工性和制備速度而改變(即20-150mm)。幾乎在剛剛離開模具后并且當(dāng)鋼片材的內(nèi)芯仍為液體時，使用多級輥軋臺使片材經(jīng)受壓縮，取決于最終的片材厚度目標(biāo)，使厚度顯著降低至10mm。在階段2中，通過穿過一個或兩個感應(yīng)爐來加熱鋼片材并且在該階段期間使溫度分布和金相組織均勻化。在階段3中，將片材進(jìn)一步軋制到最終測量厚度目標(biāo)，該目標(biāo)可為0.5-15mm厚度。在軋制后立即在輸出輥道上冷卻該帶材以在卷繞成鋼卷之前控制該片材的最終顯微組織的發(fā)展。
[0096]雖然在雙輥澆鑄或薄板坯連鑄中形成片材的三個階段過程是本方法的一部分，但是基于本文所描述的機理和組織類型以及所得的性質(zhì)的新組合，本文中的合金對這些階段的響應(yīng)是特有的。
[0097]新類型的非不銹鋼
[0098]本文中的非不銹鋼合金使得它們能夠形成本文中描述的I類、2類和3類鋼，這些鋼優(yōu)選為晶態(tài)(非玻璃態(tài)的)，具有可識別的晶態(tài)晶粒尺寸形態(tài)。在本文中詳細(xì)描述了該合金形成本文中的2類或3類鋼的能力。然而，首先考慮描述I類、2類和3類鋼的一般特征是有用的，下面提供該描述。
[0099]I 類鋼
[0100]在圖3A中顯示了本文中的I類鋼(非不銹)的形成。在本文中非不銹鋼可理解為包含小于10.5%的鉻。如其中所示,初始形成模態(tài)組織,該模態(tài)組織是由合金的液體熔體開始并經(jīng)冷卻凝固的結(jié)果，這提供了具有特定晶粒尺寸的特定相的成核與生長。因此在本文中提到模態(tài)可理解為一種具有至少兩種晶粒尺寸分布的組織。本文中的晶粒尺寸可理解為優(yōu)選可通過諸如掃描電子顯微鏡法或透射電子顯微鏡法識別的具體特定相的單個晶體的尺寸。因此，可以優(yōu)選通過經(jīng)所示實驗室規(guī)模程序和/或經(jīng)涉及冷硬表面處理方法的諸如雙輥處理或薄板坯連鑄的工業(yè)規(guī)模方法進(jìn)行加工來實現(xiàn)I類鋼的組織I。
[0101]因此I類鋼的模態(tài)組織在由熔體冷卻時將初始顯示下列晶粒尺寸:(l)500nm至20，OOOnm的基體晶粒尺寸，其含有奧氏體和/或鐵素體；(2) 25nm至500nm的硼化物晶粒尺寸(即非金屬性晶粒，例如M2B，其中M是金屬并共價鍵合到B上)。該硼化物晶粒還優(yōu)選是“釘扎”型相，其指的是通過釘扎相將有效地穩(wěn)定該基體晶粒的特征，所述釘扎相在提高的溫度下抵抗粗化。要注意的是，金屬硼化物晶粒已經(jīng)識別為表現(xiàn)出M2B的化學(xué)計量，但是其它化學(xué)計量也是可能的，并可以提供釘扎，包括M3B、MB (M1B1)、M23B6和M7B3。
[0102]I類鋼的模態(tài)組織可以通過熱機械變形和通過熱處理發(fā)生形變，導(dǎo)致性質(zhì)方面的某些變化，但是可以保持該模態(tài)組織。
[0103]當(dāng)將上述I類鋼暴露于機械應(yīng)力時，在圖4A中說明了觀察到的應(yīng)力對應(yīng)變圖。因此觀察到模態(tài)組織經(jīng)歷了被識別為動態(tài)納米相析出的過程，所述動態(tài)納米相析出導(dǎo)致了 I類鋼的第二類型組織。因此當(dāng)該合金在應(yīng)力下經(jīng)受屈服時觸發(fā)了此類動態(tài)納米相析出，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷動態(tài)納米相析出的I類鋼的屈服強度可優(yōu)選出現(xiàn)在300MPa至840MPa。因此，可理解的是，動態(tài)納米相析出因施加超過此類所示屈服強度的機械應(yīng)力而發(fā)生。動態(tài)納米相析出本身可以理解為在I類鋼中形成其它可識別相，這種相被稱為具有相關(guān)晶粒尺寸的析出相。也就是說，此類動態(tài)納米相析出的結(jié)果是形成一種合金，其仍顯示500nm至20，OOOnm的可識別基體晶粒尺寸、25nm至500nm的硼化物釘扎晶粒尺寸，連同形成了含有六方相及1.0nm至200nm的晶粒的析出晶粒。如上所述，當(dāng)合金受到應(yīng)力時該晶粒尺寸因此不會粗化，但是會導(dǎo)致析出晶粒如所述那樣發(fā)展。
[0104]提到六方相可理解為一種具有P63mc空間群(#186)的雙六方錐類六方相和/或具有六方P6bar2C空間群(#190)的復(fù)三方雙錐類。此外，I類鋼的此類第二類型組織的機械性質(zhì)使得觀察到拉伸強度落在630MPa至IlOOMPa范圍內(nèi)，并具有10-40%的延伸率。此外，I類鋼的第二類型組織使得其表現(xiàn)出在經(jīng)受所示屈服后幾乎無變化的0.1-0.4的應(yīng)變硬化系數(shù)。該應(yīng)變硬化系數(shù)參照式σ =Κεη*η的值，其中σ代表在材料上施加的應(yīng)力，ε是應(yīng)變，K是強度系數(shù)。應(yīng)變硬化指數(shù)η的值在O和I之間。O的值意味著合金是完全塑性固體(即該材料對施加的力經(jīng)歷不可逆變化)，而I的值代表100%彈性體(即該材料對施加的力經(jīng)歷可逆變化)。
[0105]下表1提供了本文中的I類鋼的比較與性能總結(jié)。
[0106]表1 I類鋼的組織和性能的比較
[0107]

【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 提供包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的附、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金； 熔融所述合金并凝固以提供500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸； 對所述合金施加機械應(yīng)力和/或加熱以形成下列晶粒尺寸分布和機械性質(zhì)狀況的至少一種，其中所述硼化物晶粒提供抵抗所述基體晶粒粗化的釘扎相: (a)500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸,25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中所述合金顯示300MPa-840MPa的屈服強度、630MPa_l10MPa的拉伸強度和10-40%的拉伸延伸率；或 (b)100nm-2000nm的細(xì)化基體晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，200nm-2, 500nm的硼化物晶粒尺寸，其中該合金具有300MPa-600MPa的屈服強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述合金包括下列一種或多種: 0-8.8原子％的Cr 0-2.0原子％的Cu 0-18.8原子％的胞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項的方法，其中在1100°C-2000°C的溫度下實現(xiàn)所述熔融，和通過11X103-4X10_2K/s范圍內(nèi)的冷卻實現(xiàn)凝固。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將具有所述晶粒尺寸分布(b)的所述合金暴露于超過所述300MPa-600MPa的屈服強度的應(yīng)力，其中所述細(xì)化晶粒尺寸保持為100nm-2000nm，所述硼化物晶粒尺寸保持為200nm-2500nm,所述析出晶粒保持為lnm-200nm,其中所述合金顯示300MPa-1400MPa的屈服強度、875MPa_1590MPa的拉伸強度和5% -30%的延伸率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合金顯示0.2-1.0的應(yīng)變硬化系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在(a)或(b)中形成的所述合金為片材形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合金為片材形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將在(a)中形成的所述合金設(shè)置在車輛中。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將具有所述機械性質(zhì)狀況和晶粒尺寸分布的所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲存桶或液化天然氣罐之一中。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲存桶或液化天然氣罐之一中。
12.—種方法,包括: (a)提供包含65.5-80.9原子％的Fe、l.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金； (b)熔融所述合金并凝固以提供500nm-20,OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的砸化物晶粒尺寸；和 (c)加熱所述合金并形成包括10nm-1O,OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織，并且所述合金具有300MPa-1400MPa的屈服強度、350MPa_1600MPa的拉伸強度和0-12%的延伸率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述合金包括下列的一種或多種: 0-8.8原子％的Cr ； 0-2.0原子％的Cu ； 0-18.8 原子 ％的]^ ；
14.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項的方法，其中在1100°C-2000°C的溫度下實現(xiàn)所述熔融，并通過11X103-4X10_2K/s范圍內(nèi)的冷卻實現(xiàn)凝固。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其包括在步驟(c)后加熱該合金并且形成10nm-1O, OOOnm 厚、0.1-5.0 微米長和 10nm-1OOOnm 寬的薄片晶粒連同 100nm_2500nm 的硼化物晶粒和Inm-1OOnm的析出晶粒，其中所述合金顯示350MPa_1400MPa的屈服強度。
16.權(quán)利要求15的方法，其中合金受到應(yīng)力并且形成具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒的合金，并且所述合金具有350MPa-1400MPa的屈服強度、1000MPa_1750MPa的拉伸強度和0.5% -15.0%的延伸率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述合金顯示0.1-0.9的應(yīng)變硬化系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在(a)或(b)中形成的所述合金為片材形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中形成的所述合金為片材形式。
20.根據(jù)權(quán)利要求16 的方法，其中形成的所述合金為片材形式。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將在(a)或(b)中形成的所述合金設(shè)置在車輛中。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
24.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將在(a)或(b)中形成的所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲存桶或液化天然氣罐之一中。
25.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲存桶或液化天然氣罐之一中。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲存桶或液化天然氣罐之一中。
27.一種金屬性合金，包含:
65.5-80.9 原子 ％的？6 ；
1.7-15.1 原子％ 的 Ni ； 3.5-5.9 原子％的8 ;
4.4-8.6 原子 ％ 的 Si ； 其中所述合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，并且其中所述合金顯示下列的至少一種: (a)在暴露于機械應(yīng)力時，所述合金顯示出500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸、25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸、lnm_200nm的析出晶粒尺寸和提供300MPa_840MPa的屈服強度、630MPa-l10MPa的拉伸強度、10-40%的拉伸延伸率的機械性質(zhì)狀況；或 (b)在暴露于熱及隨后的機械應(yīng)力時，所述合金顯示出100nm-2000nm的細(xì)化晶粒尺寸、200nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸、lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中所述合金顯示300MPa-1400MPa的屈服強度、875MPa_1590MPa的拉伸強度和5% -30%的延伸率。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的合金，其中在(a)和(b)中詳述的所述合金為片材材料形式。
29.一種金屬性合金，包含:
65.5-80.9 原子 ％的？6 ；
1.7-15.1 原子％ 的 Ni ； 3.5-5.9 原子％的8 ;
4.4-8.6 原子 ％ 的 Si ； 其中所述合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸，其中所述合金: (a)在第一次暴露于熱時，形成包括lOOnm-lO，OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織并且所述合金具有300MPa-1400MPa的屈服強度、350MPa_1600MPa的拉伸強度和0-12%的延伸率；和 (b)在第二次暴露于熱及隨后的應(yīng)力時，所述合金具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒，并且所述合金具有350MPa_1400MPa的屈服強度、1000MPa-1750MPa的拉伸強度和0.5% -15.0 %的延伸率。
30.權(quán)利要求29的合金，其中在(a)或(b)中詳述的所述合金為片材形式。
【文檔編號】C22C38/08GK104185691SQ201380004793
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】D·J·布拉納甘, B·E·米查姆, J·K·瓦勒瑟, A·T·鮑爾, G·G·賈斯蒂斯, B·L·內(nèi)申, 成勝, A·V·謝爾古伊瓦 申請人:納米鋼公司