淬火和回火耐腐蚀钢合金的制作方法
【专利说明】淬火和回火耐腐蚀钢合金
[0001] 发明背景。 发明领域
[0002] 本发明一般性涉及钢合金，此类钢合金提供非常高的强度与在淬火和回火条件下 具有良好的韧性的组合，具体地，本发明涉及还提供良好的耐腐蚀性的这样的钢合金。
[0003] 相关技术的描述 飞机起落装置为高度受压并且在使用中经历不利的环境条件的决定性组件。钢合金 (例如AISI 4340和300M合金）长期以来已用于制备用于飞机的起落装置，因为那些合金 可淬火和回火以提供非常高的强度（极限拉伸强度为至少280 ksi)与为至少50 ksi/in 的断裂韧性（Krc)的组合。然而，那些合金均不能提供有效的耐腐蚀性。因此，需要将起落 装置组件镀耐腐蚀金属，例如镉。镉为高度有毒的致癌材料，并且其使用在制造和维修飞机 起落装置和由这些合金制备的其它组件中已呈现显著的环境风险。
[0004] 开发了以注册商标FERRIUM S53销售的已知的合金，以提供与4340和300M合金 提供的类似的强度和韧性的组合并且还提供耐腐蚀性。设计FERRIUM S53合金，以克服与 使用镉电镀相关的问题，以在由4340合金或300M合金制备的飞机起落装置中提供足够的 耐腐蚀性。然而，FERRIUM S53合金包括钴的显著添加，钴稀有，因此为昂贵的元素。为了 避免使用FERRIUM S53用于起落装置应用的高得多的成本，已试图开发提供归因于FERRIUM S53合金的强度、韧性和耐腐蚀性的淬火和回火钢合金，但是未添加昂贵的钴。
[0005] 在美国专利号8, 071，017和美国专利号8, 361，247中描述了不含钴的马氏体钢合 金，可将其淬火和回火，以提供与FERRIUM S53合金可比的强度和韧性，并且还提供耐腐蚀 性。然而，已发现由那些钢提供的耐腐蚀性有些地方不能令人满意。增强的耐腐蚀性对于 飞机起落装置尤其重要，因为它们暴露于许多不同类型的腐蚀性环境，其中的一些在引起 钢腐蚀方面比其它的更具侵蚀性。因此，需要这样的钢合金，其提供起落装置应用所需的非 常高的强度和韧性，比起已知的耐腐蚀淬火和回火钢，提供更好的耐腐蚀性，并且相对于含 有显著量的钴的钢，可价格优惠地生产。
[0006] 发明概述 根据本发明，通过淬火-和-回火合金，很大程度上解决了用于制备起落装置的已知的 钢的缺点。根据本发明的一方面，提供了一种具有以下宽的和优选的重量百分数组成的高 强度、高韧性、耐腐蚀钢合金。
[0007]合金的余量为铁和在预期用于类似的应用或服务的类似级别的淬火和回火钢中 发现的通常杂质，包括不多于0. 01%磷、不多于0. 010%硫和不多于0. 10%氮。
[0008] 提供前述表格作为方便的汇总，并且不旨在限制用于彼此组合的单个元素的范围 的下限和上限值，或不旨在限制仅用于彼此组合的元素的范围。因此，一个或多个范围可与 其余元素的一个或多个其它范围一起使用。此外，宽范围的元素的最低或最大值可与优选 范围的相同元素的最低或最大值一起使用，反之亦然。此外，在整个本申请中，本发明的合 金可包含上述组成元素、基本上由或由上述组成元素组成。此处以及在整个本说明书中，除 非另外说明，否则术语"百分数"或符号"%"意味着重量百分数或质量百分数。
[0009] 根据本发明的另一方面，提供了一种经淬火和回火的钢制品，其由上述钢合金组 合物的任何一种制备。钢制品的特征为拉伸强度为至少280 ksi并且断裂韧性（Klc;)为至 少65 ksi/in。钢制品进一步的特征为通过盐喷雾试验（ASTM B117)测定，对一般性腐蚀具 有良好的抗性，和通过周期动电位极化方法（修改的ASTM G61)测定，对点腐蚀具有良好的 抗性。
[0010] 根据本发明再一个方面，提供了一种用于航空航天飞行器的结构组件，其中所述 组件由上述钢合金组合物中的任一种制备。优选，航空航天结构组件选自起落装置、可旋转 的轴、致动装置、襟翼导轨和前缘缝翼导轨中的一种或多种。
[0011] 发明详述 至少0. 2%并优选至少0. 35%碳存在于该合金中。碳与铁组合，以形成Fe-c马氏体结 构，其有益于由合金提供的高硬度和强度。碳还与钼、钒、钛、铌和/或钽形成碳化物，在回 火期间进一步增强合金。在本发明合金中形成的碳化物主要为MC-类型碳化物，但是还可 存在一些M2C、M 6C、M7C#P M 23C6碳化物。太多的碳不利地影响由该合金提供的韧性和延展 性。因此，碳局限于不多于0. 5%并且优选不多于0. 45%。
[0012]本发明的合金含有至少9%铬，以有益于合金的耐腐蚀性和可淬硬性。优选，合金 含有至少9. 5%铬。在合金中多于14. 5%铬不利地影响由合金提供的韧性和延展性。优选， 合金含有不多于12. 5%铬。
[0013]镍对于由本发明的合金提供的韧性和延展性是有益的。因此，合金含有至少3. 0% 镍并且优选至少3. 2%镍。为了限制合金的上部成本，镍的量局限于不多于5. 5%。优选合金 含有不多于4. 3%镍。
[0014]钼为形成M6C和M23C6碳化物的形成碳化物的元素，其对由该合金提供的耐回火性 是有益的。钼还有助于由合金提供的强度和断裂韧性。此外，钼有助于由合金提供的耐点腐 蚀性。当合金含有至少1%钼并且优选至少1.25%钼时，实现由钼提供的益处。与镍一样， 相对加入较大量的钼的提高的成本，钼不能提供提高的性质优点。出于该原因，合金含有不 多于2%钼并且优选不多于1. 75%钼。
[0015]本发明的合金含有阳性添加的钴，以有益于由合金提供的强度和韧性。采用与钼 类似的方式，钴还有益于合金的耐回火性。出乎意料地，钴看起来对由合金提供的耐腐蚀性 有益。出于这些原因，合金含有至少1%钴并且优选至少2%钴。钴稀有，因此为非常昂贵的 元素。因此，在该合金中为了得到钴的益处并且相对于含有6%或更多钴的其它高强度钢合 金仍保持成本优势，该合金含有不多于4%钴。优选，合金含有不多于3%钴。
[0016]钒和钛与一些碳组合以形成MC-类型碳化物，其限制粒度，进而有益于由本发明 的合金提供的强度和韧性。在该合金中由钒和钛形成的MC-类型碳化物也有益于合金的 耐回火性和二次硬化。因此，合金含有至少0.1%钒和至少0.01%钛。优选，合金含有至少 0. 3%钒。太多的钒和/或钛不利地影响合金的强度，因为在合金中形成较大量的碳化物耗 尽来自马氏体基质材料的碳。因此，在该合金中，钒优选局限于不多于〇. 6%，并且钛优选局 限于不多于0.2%。当通过粉末冶金术生产合金时，可能不需要钛。因此，当以粉末形式生产 合金时，预期不会有意地包括钛。
[0017] 至少0. 1%锰可存在于该合金中，主要用于使合金脱氧。认为锰还可有益于由合金 提供的高强度。如果存在太多的锰，则在淬火后可保持不期望量的保留的奥氏体，使得不利 地影响由合金提供的高强度。因此，合金含有不多于1. 0%并且优选不多于0. 7%锰。
[0018] 硅有益于该合金的可淬硬性和耐回火性。因此，合金优选含有至少0. 1%硅。太多 的硅不利地影响合金的硬度、强度和延展性。为了避免这样的不利的影响，在该合金中，硅 局限于不多于1. 2%并且优选不多于1. 0%。
[0019] 铜可存在于该合金中，因为其有助于合金的可淬硬性、韧性和延展性。铜也可有益 于合金的机械加工性和耐腐蚀性。合金优选含有至少0.1%并且还更好至少0.3%铜。本发 明人已发现铜和镍应在该合金中平衡，特别是当合金含有非常低或不含阳性添加铜时。因 此，当合金含有小于〇. 1%铜，例如，不多于〇. 01%铜时，应存在至少3. 75%并且优选不多于 4. 0%镍，以确保提供强度、韧性和延展性的期望的组合。太多的铜可导致在合金基质中不期 望量的游离铜沉淀并且不利地影响合金的断裂韧性。因此，当在合金中存在铜时，铜局限于 不多于1. 0%并且优选不多于0. 7%。
[0020] 钨为形成碳化物的元素，与钼一样，当存在时，其有助于该合金的硬度和强度。少 量的钨（最多0.2%)可存在于该合金中以代替一些钼。然而，钨看起来不有益于合金的耐 腐蚀性。因此，合金优选含有不多于0.1%钨。
[0021] 铌和钽为形成碳化物的元素，其与碳组合以形成M4C 3碳化物，有益于合金的耐回 火性和可淬硬性。因此，合金可含有铌和/或钽，条件是铌和钽的组合量（Nb+Ta)不多于 〇. 5%。然而，为了避免形成过量的碳化物，合金优选含有不多于0. 01%的铌和/或钽。
[0022] 在熔融期间，来自脱氧添加剂的最多0.25%铝可存在于合金中。优选，合金含有不 多于0. 01%铝。
[0023] 在