专利名称：低成本、超高强度、高韧性钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金钢，特别是涉及具有超高强度、高韧性及可接受的生产成本的合金钢。
背景技术：
美国专利5,087,415和5,268,044中公布的AerMet 100号型钢，在此处结合作为 参考，这是一种商业用的超高强度、不需表面硬化的非不锈钢。AerMet 100的名义组成 为13.4Co、ll.INi、3.1Cr、1.2Mo、0.23C，其余的为 Fe (以质量百分数表示)。AerMet 100显示了其用于飞机零部件以及军用器材时的高强度和断裂韧性的适当结合。此外， AerMet的室温0.2%屈服应力为1720MPa，洛氏C级硬度值为53.0-54.0，Kic为126MPa/ m。然而，合金元素钴和镍的相当昂贵，会增加钢的总体成本，使其应用受限。因此， 有必要开发一种低成本且与AerMet 100机械性能类似的钢。美国专利3502462中公布的的HY180，是一种商业用的超高强度、不需表面硬 化的非不锈钢。HY180 的名义组成为10Ni、8Co、2Cr、IMo、0.13C、0.1M、0.05Si, 其余的为Fe(以质量百分数表示)。由于钴的添加量少，合金HY180的成本要比AerMet 100低，HY180的室温0.2%屈服应力被限制为1240MPa。美国专利5358577，揭示了一种高强度、高韧性不锈钢，其名义组成为 12-21Co、ll-15Cr、0.5_3.0Mo、0_2.0Ni、0_2.0Si、O—l.OMn、0.16—0.25C，且至少从 0.1-0.5V和0-0.1Nb中选择一种，其余的为Fe(以质量百分数表示)。这种合金的室温极 限拉伸强度(UTS)为1720MPa或者更大，室温0.2%屈服应力为1190MPa或更大。但该 合金的室温0.2%屈服应力限制在1450MPa，而且由于Co的高添加使原料成本高。美国专利7160399和7235212中所揭示的合金，揭示了不需表面硬化的超高强 度、耐腐蚀钢。其中所述名为FerriumSSSe5合金的名义组成为14.0Co、lO.OCr、5.5Ni、 2.0MO、1.0W、0.30V、0.21C，其余的为Fe(以质量百分数表示)。FerriumS53 合金的 室温极限拉伸强度为约1980MPa，且室温0.2%屈服应力约1560MPa。Ferrium S53 合金 的Kie仅为72MPa V m,由于Co的高添加量使原料成本高。
美国专利6176946，此处引入以作参考，揭示了一类含有表面硬化混合物的合金 钢，其主要组成为 15-28CO、1.5-9.5Ni,、0.05-0.25C，并从 3.5_9Cr、少于 2.5Mo、少于 0.2V中选择一种或多种作为添加剂，其余的为Fe(以质量百分数表示)。该专利所揭示 的混合物表面硬度比洛氏C级硬度值60更大。本专利中的合金钢与AerMet 100明显不 同，它需要表面硬化，以达到更高的表面硬度。此外，由于高的Co添加量，该专利所述 合金钢材料的成本高。本发明的合金具有超高强度等优点，且通过降低某些元素的含量从而降低成 本。本发明的特征和优点将结合附图，在下面进行详细描述。
发明内容
本发明涉及一种合金钢，其质量百分比组成为约0.20% 0.33%碳、约 4.0% 8.0% 钴、约 7.0% 11.0% 镍、约 0.8% 3.0% 铬、约 0.5% 2.5% 钼、约 0.5% 5.9%鹤、约0.05% 0.20%钒及最多约0.02%的钛，剩余的主要为铁和其它偶存 元素及杂质。 一方面，所述合金的质量百分比组成为约0.25% 0.31%碳、约6.8% 8.0% 钴、约9.3% 10.5%镍、约0.8% 2.6%铬、约0.9% 2.1%钼、约0.7% 2.0%钨、 约0.05% 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的主要为铁和其它偶存元素及杂质。另 一方方面，所述合金的质量百分比组成为约0.29% 0.31%碳、约6.8% 7.2%钴、 约9.8% 10.2%镍、约0.8% 2.6%铬、约0.9% 2.1%钼、约0.7% 1.4%钨、约 0.05% 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的主要为铁和其它偶存元素及杂质。另一方面，所述合金至少部分通过M2C型碳化物析出而增强，其中M含有下列 元素中的一种或几种Cr、Mo、W和V。另一方面，该合金主要为板条马氏体微观结构。另一方面，该合金的极限拉伸强度为至少为约1900MPa，Kie断裂韧性至少为约 IlOMPa V m。本发明的其他方面涉及一种合金钢的处理方法，该合金钢的质量百分比组成 为约 0.20% 0.33%碳、约 4.0% 8.0%钴、约 7.0% 11.0%镍、约 0.8% 3.0%铬、 约0.5% 2.5%钼、约0.5% 5.9%钨、约0.05 0.20 %钒和最多约0.02 %的钛，剩余 的主要为铁和其它偶存元素及杂质。该方法包括使合金在950°C 1100°C固溶热处理 60 90min，然后在465°C 550°C回火热处理4 32h。根据另一方面，该合金的质量百分比组成为约0.25% 0.31%碳、约6.8% 8.0%钴、约 9.3% 10.5%镍、约 0.8% 2.6%铬、约 0.9% 2.1%钼、约 0.7% 2.0% 钨、约0.05% 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的为铁和其它偶存元素及杂质。另 一方面，合金质量百分比组成为约0.29% 0.31%碳、约6.8% 7.2%钴、约9.8% 10.2% 镍、约 0.8% 2.6% 铬、约 0.9% 2.1% 钼、约 0.7% 1.4% 钨、约 0.05 % 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的主要为铁和其它偶存元素及杂质。另一方面，该方法包括，对固溶热处理后的合金进行淬火处理，并对回火热处 理后的合金进行空气冷却。另一方面，该方法还包括在对合金进行固溶热处理和回火热处理中间进行深冷处理。另一方面，该合金主要为板条马氏体微观结构，且含有M2C型碳化物析出，其 中M含有下列元素中的一种或几种Cr、Mo、W和V。在下面的说明书中，结合附图对本发明的其它特点和优势进行详细说明。
以下参照附图，对本发明作详细说明图1为展示多种成分的窗口，各成分由测算的维氏硬度值(VHN)和溶液温度来 界定；图2是本发明处理合金的一个具体实施例的示意图，表明了该实施例中各处理 步骤的时间和温度；图3展示了 AerMet 100和本发明中的两种具体实施例的合金(A和B)的极限拉 伸强度和Kie断裂韧性；图4展示了 AerMet 100和本发明中的一个具体实施例的合金(A)在指定的回火 条件下的洛氏C级硬度和Kie断裂韧性；图5是本发明一个具体实施例的合金(A)和AerMet 100分别在实心环和空心环 中的应力腐蚀开裂性能(Kiscc)比较。
具体实施例方式虽然本发明可有不同形式的实施例，但附图中引用的是本发明典型实施例，下 文将详细对这些典型实施例进行说明。本发明的公开是作为本发明原理的例证，并非是 为限制本发明。根据本发明的具体实施例，提供一种合金钢，其钴的添加量要比AerMet 100的 钴添加量低，其它合金添加物有钨和钒。本发明中钢的低钴含量降低了 M2C型碳化物形 成的热力学驱动力。但回火阶段形成的M2C型碳化物有助于增加合金的强度。元素的 添加，如钨和钒，有助于提供M2C碳化物形成所需的充足驱动力，以获得所需的强度。 具体实施例的合金可通过处理从而获得主要结构为板条马氏体微观结构，并通过M2C型 碳化物精密尺度分布来加强。在其中一个具体实施例中，M2C型碳化物最长尺寸小于 20nm，其合金元素的组成有Mo、Cr、W及V。图1是所述合金的一个具 体实施例中钼和钨的组成窗口，通过测得的维氏硬度 值和溶液的温度来界定。在图1所示的具体实施例中，钼的含量保持在2.5wt%以下，以 避免铸锭凝固过程中的微观偏析，同时溶液温度保持在iioo°c以下以避免不良晶粒的生 长。在本具体实施例中，钨的添加允许较高的回火温度，并能促使M2C碳化物和奥氏体 共沉淀，促使相变诱发塑性，以提高韧性。钨的添加还能允许回火温度的轻微变化，并 能得到抗应力腐蚀开裂的额外收益。在本具体实施例中，所述钢还包括富钛碳化物，其 可细化晶粒尺寸，从而提高钢的韧性和强度。在一个具体实施例中，合金的质量百分比组成为约0.20% 0.33%碳、 约4.0% 8.0%钴、约7.0% 11.0%镍、约0.8% 3.0%铬、约0.5% 2.5%钼、约 0.5% 5.9%鹤、约0.05% 0.20%钒和最多约0.02%的钛，剩余的主要为铁和偶存元素及杂质。在另一个具体实施例中，合金质量百分比组成为约0.25% 0.31%碳、 约6.8% 8.0%钴、约9.3% 10.5%镍、约0.8% 2.6%铬、约0.9% 2.1%钼、约 0.7% 2.0%钨、约0.05% 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的主要为铁和偶存元
素及杂质。在另一个具体实施例中，合金质量百分比组成为约0.29% 0.31%碳、 约6.8% 7.2%钴、约9.8% 10.2%镍、约0.8% 2.6%铬、约0.9% 2.1%钼、约 0.7% 1.4%钨、约0.05% 0.12%钒和最多约0.015%的钛，剩余的主要为铁和偶存元
素及杂质。如上所述，合金至少部分因M2C型金属碳化物而强化。在不同的具体实施例 中，合金可含有金属碳化物，其中M是Mo、Cr、W和V中的一种和几种，每种元素(如 果存在)将按列出的顺序递减，即钼的含量最大，其次是铬、钨和钒。在其他具体实施 例中，合金中这些元素的含量可不同。此处所述的合金可按各种不同的方式处理。在一个具体实施例中，如图2所 示，该合金首先经固溶热处理，然后迅速淬火，接着进行回火热处理和空气冷却。在一 个具体实施例中，可在950 1100°C的温度范围内进行60 90min的固溶热处理，在 465 550°C的温度范围内进行4 32h的回火热处理。下面的例子说明合金的处理方法 的进一步的实施例，包括不同的固溶处理和回火处理。在固溶热处理和回火热处理之间 可选择进行深冷处理，例如在液氮中浸泡1 2h，然后升温至室温。实施例下面描述了本发明的合金的几个具体实施例。表1中列举了下面所述每个具体 实施例的合金测定的组分，及商业钢AerMet 100的名义组分。表 1
质量百分比组成(wt%),其余为Fe
合金
~C"""~CoNi~~Cr"""MoWVTi~ A0.29 7.17 10.46 1.02 2.00 1.28 0.10 <0.01
B0.27 6.96 9.79 0.95 1.40 1.16 0.08 0.01
C0.28 6.74 9.60 0.76 1.34 1.04 0.07 0.01
D0.28 6.94 10.2 2.62 0.94 0.72 0.046 0.01
AerMet 100 0.23 13.4 11.1 3.1 1.2 ---表1中每一个合金实例均按照图2的描述进行处理，包括在下 面实施例中详细说 明的固溶热处理和/或回火热处理。此外，对合金进行了各种测试，比如测试下面实施 例中所描述合金的一个或多个物理性能。实施例A
300磅真空感应熔化合金A是由高纯度材料制备的。熔体转化为3英寸圆角方 形块。该合金首先在1025°C固溶热处理90min，用油淬火，并在液氮中浸泡2h，在空气 中升温至室温，接着上述样品分别按照表2进行各种不同的回火热处理，最后经空气冷 却。合金A中镍和碳的含量使得马氏体转变起始温度(Ms)为200°C以上，并且用膨胀 测量法测得该合金的Ms为222°C。将样品在525°C回火处理12h或550°C回火处理4h， 在此过程中，样品中碳化物晶粒细化，而且透射电子显微镜和原子探针断层扫描证实了 M2C的存在。对于不同回火条件的样品，分别进行了在-40°C时的夏比V型缺口(CVN) 冲击能量和室温拉伸强度的测试，每个条件测试两个样本。测试结果见表2。表权利要求
1.一种非不锈钢合金，其特征在于，其质量百分比组成为约0.20% 0.33%的碳，约4.0% 8.0%的钴，约7.0 11.0%的镍，约0.8% 3.0% 的铬，约0.5% 2.5%的钼，约0.5% 5.9%的钨，约0.05 % 0.20%的钒，及最多约 0.02%的钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.25% 0.31%的碳，约6.8% 8.0%的钴，约9.3 10.5%的镍，约0.8% 2.6%的铬， 约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 2.0%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约0.015% 的钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
3.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.29% 0.31%的碳，约6.8% 7.2%的钴，约9.8 % 10.2 %的镍，约0.8% 2.6% 的铬，约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 1.4%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约 0.015%的钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
4.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，其中所述合金至少部分地被M2C型碳 化物增强，所述M2C型碳化物的最长尺寸小于20nm。
5.根据权利要求4所述的合金，其特征在于，其中所述合金含有M2C型碳化物沉淀， 其中的M包括选自Mo、Cr、W、V中的一种或多种元素。
6.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金的结构主要为板条马氏体微观 结构。
7.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，其中所述合金的极限拉伸强度至少为约 1900MPa。
8.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，其中所述合金的Kie断裂韧性至少为约 IlOMPa V m。
9.一种方法，包括以下步骤提供一种钢合金，该钢合金的质量百分比组成为约0.20% 0.33%的碳，约 4.0% 8.0%的钴，约7.0% 11.0%的镍，约0.8% 3.0%的铬，约0.5% 2.5%的钼， 约0.5% 5.9%的钨，约0.05% 0.20%的钒，及最多约0.02%钛，其余为铁及偶存元素 和杂质；将上述合金在950°C 1100°C的温度下进行60-90分钟的固溶热处理；然后将上述合金在465°C 550°C进行4 32小时的回火热处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.25% 0.31%的碳，约6.8% 8.0%的钴，约9.3 % 10.5 %的镍，约0.8% 2.6% 的铬，约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 2.0%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约 0.015%钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.29% 0.31%的碳，约6.8% 7.2%的钴，约9.8 % 10.2 %的镍，约0.8% 2.6% 的铬，约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 1.4%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约 0.015%的钛，其余为铁及偶存元素及杂质。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括在固溶热处理之后，对 所述合金进行淬火处理；以及在回火热处理之后，空气冷却所述合金。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括在固溶热处理与回火热 处理之间，对所述合金进行深冷处理。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金的结构主要为板条马氏体微 观结构。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述合金具有的微观结构中含有M2C 型碳化物沉淀，其最长尺寸小于20nm。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述M2C型碳化物沉淀中的M包括 选自Mo、Cr、W及V中的一种或多种元素。
17.—种非不锈钢合金，其特征在于，其质量百分比组成为约0.20% 0.33%的碳，约4.0% 8.0%的钴，约7.0% 11.0%的镍，约1.0% 3.0%的铬，约0.5% 2.5%的钼，约0.5% 5.9%的钨，约0.05% 0.20%的钒，及最多 约0.02%的钛，其余为铁及偶存元素和杂质；其中，所述合金具有以板条马氏体微观结构为主的结构，且至少部分地由最长尺寸 小于20nm的M2C型碳化物沉淀增强，其中M包括选自Mo、Cr、W及V中的一种或多 种元素；并且所述合金的极限拉伸强度至少为约1900MPa，Kie断裂韧性至少为约IlOMPa V m。
18.根据权利要求17所述的合金，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.25% 0.31%的碳，约6.8% 8.0%的钴，约9.3 % 10.5 %的镍，约0.8% 2.6% 的铬，约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 2.0%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约 0.015%的钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
19.根据权利要求17所述的合金，其特征在于，所述合金的质量百分比组成为约 0.29% 0.31%的碳，约6.8% 7.2%的钴，约9.8 % 10.2 %的镍，约0.8% 2.6% 的铬，约0.9% 2.1%的钼，约0.7% 1.4%的钨，约0.05% 0.12%的钒，及最多约 0.015%钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
全文摘要
一种非不锈钢合金，其质量百分比组成为，约0.20％～0.33％的碳，约4.0％～8.0％的钴，约7.0％～11.0％的镍，约0.8％～3.0％的铬，约0.5％～2.5％的钼，约0.5％～5.9％的钨，约0.05％～0.20％的钒，及最多约0.02％的钛，其余为铁及偶存元素和杂质。
文档编号C21D6/00GK102016083SQ200980114709
公开日2011年4月13日 申请日期2009年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者周恒正 申请人:奎斯泰克创新公司