耐磨合金的制作方法
【专利说明】耐磨合金
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年9月13日提交的美国临时申请系列号61/877,438的权益，其经 此引用全文并入本文。
[0003] 发明背景
[0004] 发动机排气阀常常经受超过800°C的温度，用于制造阀的材料应表现出强度、耐磨 性和耐腐蚀/氧化性。高温合金已经用于形成排气阀。用多种金属生成某些高温合金，包括 许多超级合金和不锈钢合金。这些合金中的一些在制造它们所需的制造步骤、材料成本、耐 久性或高温强度性能、耐磨性能和/或类似性能方面可能是不理想的。
[0005] 发明概述
[0006] 根据本公开的一个实施例，耐磨合金基本上由以下成分组成:0.15重量％至0.30 重量％的心最多0.50重量％的此;最多0.02重量％的？ ;最多0.015重量％的3;最多0.50重 量％的3丨；30.25重量％至35重量％的附；15.0重量％至17.0重量％的(^ ;1.60重量％至 3.20重量％的11; 1.60重量％至2.50重量％的六1; 2.10重量％至3.20重量％的恥〇&);最多 〇.015重量％的⑴以最多0.030重量％的量存在的Mg;最多0.50重量％的〇1;最多0.25重 量％的此;最多0.25重量％的1最多0.020重量％的0 &;以及余量的Fe和不可避免的杂质。 11+他〇&)大于或等于（2)该合金的4.40重量％。
[0007] 发明详述
[0008] 本公开涉及铁-镍(Fe-Ni)基合金。认为，本文中公开的铁-镍基合金的实例表现出 热硬度、高温强度、疲劳强度和耐磨特性。这些特性使得该合金可用于高温应用，包括例如 汽缸盖、进气阀、排气阀和排气再循环阀。其中可以使用该合金的其它应用包括例如涡轮应 用、紧固件、排气后燃器(afterburner)部件、燃烧室部件、排气系统氧传感器的防护罩以及 暴露于提高的温度、废气和冷凝物环境的其它部件。
[0009] 本文中公开的铁-镍基合金的实例通过沉淀硬化和固溶体强化实现了高温机械性 能。该铁-镍基合金通过热处理工序开发，所述热处理工序可以包括溶液处理以溶解强化成 分，接着是老化热处理以便以产生该合金预期用途所期望的机械性质的形态和分布来沉淀 相。
[0010]在所公开的合金中，细分散的、稳定和有序的金属间相$6，附）3以1，11，他）（通常 称为gamma prime( γ 7 )的晶体结构）的沉淀有助于该合金的高温强度。此外，合金中的至少 一部分碳形成一次碳化物(primary carbides，例如TiC和/或NbC)以便增强耐磨性。要理解 的是，这些碳化物可能随机沉淀在合金中。
[0011] 本文中公开的合金的实例至少包括(：、附、0、11)1、他〇&)、1%和?6。如本文中所 用，Nb(Ta)指的是铌，其可以伴随着少量的钽。Nb常常伴随着作为污染物或不可避免的杂质 的Ta，因为这两种元素难以分离。符号Nb(Ta)承认测得的铌可能包括少量的钽。此外，要注 意的是，虽然Ta和Nb在合金中的表现相似，Ta更重，因此相同重量下不如Nb那么有效。
[0012] 要理解的是，当未给出范围的下限时（例如"最多X重量％的元素"），该下限为〇重 量％，由此合金中可能不存在该特定元素。但是，当描述一种元素"以最多X重量％的量存 在"时，该下限大于0重量％，在合金中存在至少一些该元素。
[0013] 在一些情况下，特定元素可能并非故意加入到合金中，而是可能以相当于不可避 免的杂质的少量存在。例如，？、3、111、5^、1 〇和〇1是并未故意添加到合金中但仍存在的不 可避免的常见杂质的实例。
[0014] 公开的合金的实例含有提高的镁(Mg)或Mg和钙(Ca)含量(与其它高温合金相比）， 其有助于该合金具有改善的晶粒细化。认为，以本文中公开的量添加 Mg或Mg与Ca对晶粒细 化具有所期望的效果。还认为，向本文中公开的合金中添加镁或镁与钙的组合有利地改善 了锻造过程中的模具寿命。在一个实例中，模具寿命可以提高15 %。
[0015]镁以最多0.030重量％的量存在于合金中。镁还可以以更小的量存在，例如最多 0.020重量％或最多0.010重量％。作为实例，镁可以以0.010重量％至0.020重量％，或以 0.020重量％至0.030重量％存在。如前所述，认为，镁有助于至少改善晶粒细化和模具寿 命。此外，可以加入Mg，同时合金的其它元素(例如(：、附、0、11)1、他〇 &)和?6)保持不变， 这在不影响合金的相平衡的情况下改善了晶粒细化。
[0016] 在一些实例中，将钙加入到合金中，在其它实例中，在合金中不包含钙。当存在时， 钙可以以最多0.020重量％的最大量包含在合金中。最大量还可以更低，例如最多0.015重 量％或最多〇. 010重量％。认为(如上所述)钙还有助于改善晶粒细化。
[0017] 碳可以以0.15重量％至0.30重量％的量存在于合金中。合金还可以含有较小范围 的碳，其实例包括0.16重量％至0.30重量％，0.15重量％至0.25重量％，0.15重量％至0.20 重量％，或0.15重量％至大约0.17重量％。如上所述，至少一部分碳与铌（即Nb(Ta))和钛结 合形成一次碳化物晶粒。一次碳化物的形成可以在铸锭凝固过程中发生。通常，当碳的百分 比下降时，一次碳化物的百分比也将如此。碳化物晶粒正向地影响合金的粘合性和耐磨性。
[0018] 镍可以以30.25重量％至35重量％的量存在于合金中。合金还可以含有较小范围 的镍，其实例包括30.25重量％至34.50重量％，31.0重量％至35.0重量％，32.0重量％至 35.0重量％，33.0重量％至35.0重量％，或34.0重量％至35.0重量％。镍与铁相互可溶。可 以加入镍以稳定奥氏体基质（γ)并促进形成γ 7相/晶体结构，这改善了合金的高温强度。 镍还可以促进形成gamma double prime( γ〃）晶体结构（即Ni3Nb)，其还有助于合金的高温 强度。镍还可以与钛以Ni3Ti形式形成脆的Eta(n)相。小心地平衡铝(A1)、钛(Ti)和铌(Nb (Ta))与镍(Ni)将防止形成Eta相η。
[0019] 此外，认为，本文中公开的实施例中碳的相对低量和狭窄范围和Nb(Ta)的相对高 的量(与其它已知合金相比）提高了 γ'和/或丫 〃相，并由此提高了本文中公开的合金的强 度。
[0020] 在合金的一些实例中，钴也可以替代至少一部分镍。钴可以替代γ相中的镍(导致 改善的抗蠕变强度），这允许更多镍形成γ'相。
[0021] 铬可以以15.0重量％至17.0重量％的量存在于合金中。铬向合金基质提供固溶体 强化，并还形成用于抗氧化性的粘着力强的（tenacious)氧化物。这种粘着力强的氧化物被 认为是存在于合金的表面，其有利地抑制了高温氧化形成并使腐蚀和磨损速率以及氧化速 率最小化。超出20重量％存在的络形成sigma(〇)或alpha primeh')相，这可以在排气工作 温度下沉淀。这种沉淀可阻碍合金的耐磨性，因此铬以在15.0重量％至17.0重量％的给定 范围内的量存在。
[0022] 铝可以以1.60重量％至2.50重量％的量存在于合金中。合金还可以含有较小范围 的铝，其实例为1.65重量％至2.30重量％，1.60重量％至2.20重量％，1.60重量％至2.00重 量％，或1.60重量％至1.80重量％。错与镍结合以沉淀γ 7相，由此可以视为γ 7晶体结构的 首要成分。此外，铝提供一定程度的高温氧化防护。已经发现，以本文中提供的范围之外的 量加入铝可能是不合意的。例如，当以低于1.60重量％的量加入铝时，γ 7相变的不稳定，可 能转化为扯$^附）3(11，41)]相，这会降低合金的机械性质。此外，以高于3重量％的量加 入铝可削弱合金的热加工性。此外，含有高含量铝的γ 7几乎不具有与γ基质的晶格应变失 配，并由此几乎不增加强化能力。因此，合意的是以本文中给出的量包含铝。
[0023] 钛可以以1.60重量％至3.20重量％的量存在于合金中。合金还可以含有较小范围 的钛，其实例包括2.40重量％至3.20重量％，2.20重量％至2.60重量％，1.90重量％至2.30 重量％，或1.60重量％至1.80重量％。认为，添加钛可以改善铝与γ基质的晶格应变失配。 钛还提高了 γ 7晶体结构的反相畴界能。如果钛以低于1.5重量％存在，则γ '相的溶体温度 被认为会降低。此外，高于1.5的钛/铝比或过高的钛含量会在高于700°C的温度下导致η相 生长/沉淀。相反，如果钛/铝比低于1.0,合金具有迟缓的老化变硬响应。如上所述，至少一 部分钛还与碳结合沉淀一次碳化物，其有助于耐磨性。
[0024] 铌（即Nb(Ta))可以以2.10重量％至3.20重量％的量存在于合金中。合金可以含有 较小范围的Nb(Ta)，其实例包括2.10重量％至2.40重量％，2.40重量％至2.80重量％，2.60 重量％至3.00重量％，2.80重量％至3.20重量％，或2.90重量％至3.00重量％，在一些情况 下，合意的是使用甚至更高量的Nb(Ta)。如上所述，铌（当以本文中公开的量使用时)有助于 形成γ 7相和/或γ 〃相。如上所述，两种结构均有助于强度。铌还有助于提高γ7和γ 〃晶体 结构之间的内聚力（coherency)，限制γ 7晶粒粗化，改善可焊性，并改善耐硫化腐蚀性。除 了形成γ '相之外，铌还形成一次碳化物，这提供了耐磨性。
[0025]在本文中公开的实例中，合金包含最小量的碳化物形成元素 Nb(Ta)和Ti。该最小 量可以是合意的以便使所有碳反应形成碳化物，并具有足够的Nb(Ta)和/或Ti以形成γ'相 和/或丫〃相。在一个实例中，铌和钛的总量（即他〇 &)+11)大于或等于4.40重量％。在另一 实例中，Nb(Ta)加 Ti的量大于或等于4.50重量％，在又一实例中，他〇&)加11的量大于或等 于4.60重量％。
[0026]合金还可以包含最多0.50重量％的铜。合金还可以较小的最大量含有铜，其实例 包括最多0.35重量％、0.25重量％、0.15重量％或甚至低至最多0.010重量％。铜可能有益 于耐硫化腐蚀性。但是，如果存在太多的铜，在一些情况下可能会妨碍高温氧化防护。合金 的一些实例还不包括铜。
[0027]合金还可以包含钼、钨和/或锰。在合金中可以存在各自最多0.25