铁基合金的制作方法

本申请要求2014年6月20日提交的美国临时申请序列号62/014,962的权益，其披露内容由此通过引用以其全部内容结合在此。

技术领域

本专利申请涉及一种铁基合金，例如具有精细颗粒壳层的铁基合金。

背景

铁基合金在许多应用中使用，这些应用包括车辆部件。在一些应用中，韧性和强度/硬度都可以是该铁基合金的重要特性。然而，总体上，随着材料的强度/硬度的增加，韧性典型地降低。为了减轻在韧性上的降低，典型地将附加的合金元素加入合金中和/或该合金可以经受多重热处理。

技术实现要素：

在至少一个实施例中，提供了一种形成铁基合金的方法。该方法可以包括在一个富氮气氛中在超过包含铁、氮清除剂、和硼的前体铁基材料的临界温度上限的温度下处理该前体铁基材料。该方法可以进一步包括将该前体铁基材料冷却到低于该临界温度上限以形成该铁基合金。该铁基合金可以包括具有ASTM9或更精细的平均粒度的精细颗粒壳层。

该方法可以进一步包括当该温度超过该临界温度上限时将该前体铁基材料引入一个富碳气氛中。在一个实施例中，该方法可以包括在一个富碳气氛中在超过该临界温度上限的第一温度下处理该前体铁基材料，其中在该富氮气氛中处理该前体铁基材料是在超过临界温度上限的第二温度下进行的。

该第二温度可以是低于该第一温度。在一个实施例中，该方法可以包括在该富碳气氛中在约1450°F–2200°F的温度下处理该前体铁基材料持续1至28小时的时间段，并且在富氮气氛中在该第二温度下处理该前体铁基材料持续第二时间段。该第二温度可以是比该第一温度小至少25°F。

该前体铁基材料可以包括范围在从0.17-1.5重量％的量内的碳、范围在从0.07-1.75重量％内的量的锰、范围在从0.15-0.6重量％内的量的硅、小于0.03重量％的量的磷、小于0.05重量％的量的硫、以及大于80重量％的量的铁。在一个实施例中，该前体铁基材料包括总数为小于1.0重量％百分比的钼、铬、镍、铜、和钨。

该精细颗粒壳层可以具有至少0.001英寸的厚度。该前体铁基材料可以包括至少0.0005重量％的硼。该氮清除剂可以包括钒、钛、钨、铝、锆、铌、铬、和钼中的一种或多种，并且能够以该前体铁基材料的从约0.01至0.1重量％的量存在。在一个实施例中，仅将该前体铁基材料淬火一次以形成该精细颗粒壳层。

在至少一个实施例中，提供了一种铁基合金材料。该材料可以包括铁、一种氮清除剂、和硼，该材料具有一个精细颗粒壳层。该精细壳层可以具有ASTM 9或更精细的平均粒度以及大于该材料的芯的氮浓度的氮浓度。该精细颗粒壳层可以具有在ASTM 12至ASTM 14范围内的平均粒度。该铁基合金材料的芯可以包括至少0.0005重量％的硼并且该精细颗粒壳层可以包括比该芯更大的硼浓度。在一个实施例中，该铁基合金材料包括总数为小于1.0重量％百分比的钼、铬、镍、铜、和钨。该精细颗粒壳层的氮浓度可以是比该材料的芯的氮浓度大两倍。

在至少一个实施例中，提供了一种铁基材料。该材料可以包括铁和原子硼，该材料具有一个外壳层。该外壳层可以具有0.001英寸至0.500英寸的壳厚度、大于该材料的芯的氮浓度的氮浓度、以及大于该材料的芯的硼浓度的硼浓度。

该材料还可以包括被布置在该外壳层与该芯之间的一个内壳层。该内壳层具有的硼浓度可以是小于该外壳层和该芯二者的硼浓度。该外壳层可以具有ASTM 9或更精细的平均粒度。在一个实施例中，该外壳层具有在ASTM 12至ASTM 14范围内的平均粒度。

附图简要说明

图1描绘了根据在此描述的实施例用于制造铁基合金的方法的流程图；

图2例描绘了根据在此描述的实施的铁基合金的光学显微照片；

图3描绘了图2的铁基合金的一部分的光学显微照片；

图4描绘了图2的铁基合金的另一部分的光学显微照片；

图5描绘了图2的铁基合金的另一部分的光学显微照片；

图6描绘了图2的铁基合金的疲劳应力测量的图；并且

图7描绘了在距离图2的铁基合金和另一个铁基合金的表面的距离处的元素重量百分比的图。

详细描述

按照要求，本文披露了本发明的多个详细实施例；然而，应该理解的是，所披露的这些实施例仅仅是本发明的能以不同形式和可替代形式实施的示例。这些附图不必是按比例的；一些特征可以被夸大或者缩至最小以便示出具体部件的细节。因此，在此披露的具体的结构上和功能上的细节不得理解为是限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。

如在背景中描述的，具有高强度和/或硬度的合金倾向于具有降低的韧性。为了增加这些材料的韧性，典型地加入合金元素如钼、铬、镍、铜、和钨作为合金元素。这些附加的元素可能为该材料增加显著的成本。增加韧性的另一种方法是对该合金进行多重热处理。可以进行这些热处理以便使这些合金再奥氏体化以使粒度精细化。这些热处理为该材料加工增加时间和成本。

已经发现，可以用大大减少的合金元素和减少的热处理周期(例如，加热和淬火)产生高强度和高韧性铁基合金。例如，可以将钼、铬、镍、铜、和钨的典型的合金元素降低至总数为该铁基合金的小于1重量％，并且可以仅存在一个单一的热处理和淬火周期。如以下进一步详细描述的，可以通过将包括硼的铁基合金(例如，含硼钢)进行渗碳和渗氮来形成该铁基合金材料。这是一个出人意料并且出乎意料的结果。传统观点教导反对对含硼钢进行渗氮，因为硼的加入使得钢已经是可硬化的，这将使得渗碳是没有必要并且多余的。含硼钢的碳氮共渗因此是违反直觉的，因为在渗透过程期间加入氮的目的是增加低合金或普通钢(plain steel)的壳可硬化性。此外，在碳氮共渗过程期间加入氮典型地在低于1600°F进行，这将显著增加渗碳周期以及铁基合金的制造成本，而没有任何可预见的益处。

图1描绘了一种用于生产精细颗粒铁基合金或具有精细颗粒壳层的铁基合金的方法100。该方法100可以产生一种铁基合金，该铁基合金是既强又韧，同时减少了昂贵的合金元素的量和冗长并且昂贵的热处理。尽管将关于一种示例性方法和通过这种方法生产的材料和产物描述实施例，还应理解该披露内容不限制以下描述的具体实施例的范围，因为具体的组分和条件可能改变。例如，如适合于给定目的的一组或一类材料的描述不必要地显示出那些材料超过提供相似的作用或特性的其他同样合适的材料的优选。详细地对于在此的实施例，除了在实例中，或者其中以其他方式明确指出的，在本说明书中指出材料或反应条件的量的所有数量应理解为在描述最广的范围中通过词“约”修饰。在所述数值限制内的实践总体上是优选的，但是不必须限制。还应指出，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”、和“该”包含复数个所指示物，除非上下文另外指出。

在方法100中的步骤102中，在超过该铁基材料的临界温度上限(在下文中称为‘Ac₃温度’)的所选择的温度下处理一种铁基材料同时暴露于所选择的气氛，即，同时暴露于所选择的各种气态组分的分压。尽管，为了清楚起见，当描述在方法100的各种步骤中被处理的材料时，总体上使用术语“铁基材料”，应理解，贯穿该方法100，该铁基材料经历显微结构和/或组成变化。因此，该铁基材料当被引入该方法100的步骤102中时可以总体上被确认为是一种前体铁基材料，当贯穿该方法100经受处理时被确认是各种中间体材料，并且当完成方法100时被确认是一种最终的铁基合金。临界温度上限(Ac₃温度)是用于维持该铁基材料处于全部奥氏体相的下边界温度。该Ac₃温度取决于所使用的铁基材料的具体组成。除了选择超过该Ac₃温度的温度之外，该处理温度可以基于所希望的壳层厚度、加工时间、和炉容量进行选择。在一个实施例中，可以使用1450°F-1800°F(787.8℃-982.2℃)的温度。

可以在步骤102中将该铁基材料引入一个富碳气氛中，其中该气氛碳势可以基于加工时间和希望的材料特性进行选择。如在此使用的，一个富碳气氛描述了在其中来自该气氛的组分的碳原子可供用于扩散到该铁基材料中(例如，处于超过该前体合金的碳含量的碳势)的条件。作为举例，在该渗碳气氛中的碳势可以是超过0.5重量％的碳并且可以是在从0.5重量％的碳势至1.4重量％的碳势范围内。可以提供该渗碳气氛持续足以提供到该铁基材料中的希望的碳扩散的时间段。

在该渗碳气氛中的处理时间可以针对基于希望的壳层深度和壳层特性所选择的应用而变化。总体上，更长的处理时间将导致更高的碳浓度(一直到碳势)和更深的壳深度。在一个实施例中，该处理时间可以在从一(1)至二十八(28)小时的范围内。在另一个实施例中，该处理时间可以在从四(4)至二十(20)小时的范围内。该渗碳步骤的处理温度可以针对基于希望的壳层深度和壳层特性所选择的应用而变化。总体上，更高的处理温度将导致更高的碳浓度(一直到碳势)和更深的壳深度。在一个实施例中，该处理温度可以是从Ac₃温度至2200°F(1204.4℃)。在另一个实施例中，该处理温度可以是从1450°F至2200°F(787.8℃至1204.4℃)。在另一个实施例中，该处理温度可以是从1450°F至1800°F(787.8℃至982.2℃)。

在方法100的步骤104中，可以将该铁基材料引入一个富氮气氛中。如在此使用的，富氮描述了在其中来自该气氛的组分的氮可供用于扩散到该铁基材料中(例如，处于超过该前体合金的氮含量的氮势)的条件。在一个实施例中，使用含有所选择的氨的水平的气氛来引发氮到该铁基材料中。富氮处理时间可以针对基于希望的壳层深度和壳层特性所选择的应用而变化。在一个实施例中，该处理时间可以在从半(0.5)小时至三(3)小时的范围内。总体上，更高的处理温度将导致更高的氮浓度(一直到氮势)和更深的壳深度。在一个实施例中，该处理温度可以是从Ac₃温度至1800°F(982.2℃)。在另一个实施例中，该处理温度可以是从1450°F至1800°F(787.8℃至982.2℃)。

在一个实施例中，该铁基材料在一个富碳、氮中性气氛中在第一处理温度下进行处理。氮中性可以是指这样一种气氛：该铁基材料的氮含量将不通过该处理增加。随后，该铁基材料可以在与富氮气氛组合的富碳气氛中在第二处理温度下进行处理。该第二处理温度可以低于该第一处理温度，其中该温差据信阻止颗粒生长同时提供充足的氮吸收速率。在一个实施例中，该第二处理温度是比该第一处理温度低至少25°F(或℃)。在另一个实施例中，该第二处理温度是比该第一处理温度低至少50°F(或℃)。在另一个实施例中，该第二处理温度是比该第一处理温度低至少100°F(或℃)。

在一个实施例中，该铁基材料经历奥氏体化处理，其中在步骤102中将该铁基材料加热到1675°F(912.8℃)的温度，其中将该合金暴露于具有0.75重量％碳的碳势的富碳、氮中性气氛中持续十三(13)小时。然后将该温度降低至1550°F(843.3℃)，并且在步骤104中将氨作为氮原子的载气加入该气氛中，其中，将这些铁基材料维持在含有碳和氮的气氛中持续1.25小时。当该铁基材料的壳是处于全部奥氏体相中时，可以发生富碳气氛的引入以及富氮或富碳加氮气氛的引入二者。在其他实施例中，可以完成氮扩散到该铁基材料中而在该奥氏体化处理之前和/或期间不暴露于富碳气氛。

在步骤106中，将该铁基材料淬火。可以选择该淬火温度和淬火持续时间以便提供选择的或某些显微结构特征。在一个实施例中，在盐浴中在超过该马氏体初始(M_s)温度的温度下将该铁基材料淬火以提供具有主要地贝氏体或贝氏体和马氏体的混合的显微结构的壳，例如在超过525°F(273.9℃)的温度下，如530°F(276.7℃)的温度。此外，可以将该铁基材料淬火持续充足的持续时间以确保在该铁基材料内的等温转变。在一个实施例中，在希望的淬火温度下将该铁基材料维持在盐浴中持续一个小时。在一个实施例中，在低于该马氏体初始(M_s)温度的温度下，将该铁基材料淬火以提供具有主要地马氏体显微结构的壳，例如在200°F(93.3℃)的温度下淬火。

以上实施例可以不使这些材料经受多重加热和淬火操作(例如，将该铁基材料加热超过该Ac₃温度并且低于该Ac₃温度淬火仅一次)而产生具有精细粒度的铁基材料。淬火后，后处理的铁基合金可以经受其他金属调理步骤。例如，在一个实施例中，该后处理的铁基合金可以经受回火。在一个实施例中，该后处理的铁基合金可以经受喷丸处理。

在一个实施例中，该前体铁基材料包含原子的硼和一种氮清除剂。原子的或非键合的硼能够以各种量存在于各种实施例中。在至少一个实施例中，该前体材料可以包括至少0.0005重量％的硼。例如，对于一些应用，原子的硼可以在从约0.0005重量％至约0.006重量％的范围内。该氮清除剂可以是防止在该合金中的原子的或非键合的硼与可能存在于该合金的主体中的氮相互作用的元素或物质。可以并且基于希望的材料特性和材料成本选择氮清除剂的量以便适当减少在该前体铁基材料中的硼与氮之间的相互作用。例如，该氮清除剂能够以约0.01重量％至0.1重量％的水平存在，并且可以包含一种或多种以下元素：钒、钛、钨、铝、锆、铌、铬、和钼。

在至少一个实施例中，该铁基合金可以包括超出痕量的硼，如至少0.0001重量％。例如，该合金可以包括至少0.0005重量％、至少0.001重量％、至少0.005重量％、或至少0.01重量％。例如，由于氮清除剂的存在，该硼可以是原子的或非键合的硼。在一个实施例中，该铁基合金组合物包括在从约0.001重量％至0.004重量％范围内、或在其中的任何子范围(如0.0015重量％至0.0035重量％或0.002重量％至0.003重量％)的量的硼。在一个实施例中，该铁基合金组合物包括在从约0.02重量％至0.08重量％范围内、或在其中的任何子范围(如0.03重量％至0.07重量％或0.04重量％至0.06重量％)的量的钛。

该铁基材料可以连同各种其他种类的铁基材料一起包含几个品级中任何一种的商业钢。不受这些实施例的范围的限制，这些商业钢的实例可以包括10B35、10B36、15B21、15B28H、15B29、15B30H、15B35H、15B37H、15B41H、15B48H、和15B62H。不受这些实施例的范围的限制，铁基材料的普遍组成范围包括范围在从0.17-1.5重量％的量内的碳、范围在从0.07-1.75重量％的量内的锰、范围在从0.15-0.6重量％内的硅、小于0.030重量％的量的磷、小于0.050重量％的量的硫、以及大于80重量％的量的铁。在此描述的铁基合金可以比使用传统合金剂的那些(例如，“合金钢”)在更低的成本下具有希望的高硬度和疲劳特性。该铁基材料可以实现希望的高硬度和疲劳特性，同时包含小于1重量％的传统合金剂，该铁基材料包括一种或多种以下元素：钼、铬、镍、铜、和钨。该合金可以具有单独并且合计小于1重量％的每种合金元素(例如，钼+铬+镍+铜+钨≤1wt.％)。

图2描绘了通过经由方法100处理15B29钢前体材料产生的铁基合金10的横截面的显微照片。该显微照片被放大，使得比尺线11表示0.01英寸(0.254mm)。铁基合金10包括部分20、30和40，这些部分是该后处理的合金10的代表性的层。

图3描绘了被放大的部分20，使得比尺线21表示0.005英寸(0.127mm)。部分20可以被称为一个壳层、精细颗粒壳层、或外壳层。壳层20可以由该合金的表面朝向该合金的芯向内延伸。壳层20可以至少部分地包围该合金的芯。在一个实施例中，壳层20完全或基本上完全包围该合金的芯(例如，至少95％)。在部分20内的颗粒样品具有经由样线截取法测量的在下表1中表示的尺寸：

表1

在部分20中取样的粒度测量出基本上在12-13范围内的粒度。该壳层的粒度分布是与90％至100％的落入以上尺寸范围内的颗粒基本上同质的。在另一个实施例中，所列出的粒度可以是均值或平均粒度。尽管，一个实施例描绘了在该部分20内ASTM 12并且更精细的颗粒，在其他实施例中，粒度可以通过改变组成和温度以实现其他粒度来控制。该部分20可以具有任何粒度，如ASTM 0至ASTM 14。例如，该平均粒度可以是ASTM 9或更精细(例如，≤0.625×10^-3英寸或者15.9μm)、ASTM 10或更精细(例如，≤0.442×10^-3英寸或者11.2μm)、ASTM 11或更精细(例如，≤0.313×10^-3英寸或者7.9μm)、ASTM 12或更精细(例如，≤0.221×10^-3英寸或者5.6μm)、ASTM 13或更精细(例如，≤0.156×10^-3英寸或者4.0μm)、或ASTM 14或更精细(例如，≤0.111×10^-3英寸或者2.8μm).该平均粒度还可以是在以上任何一个范围内，例如从ASTM 9至ASTM 14、ASTM 9至ASTM 12、ASTM 12至ASTM 14，或者任何其他子范围。尽管在部分20中的颗粒可以具有主要地马氏体显微结构，可以连同其他加热和冷却过程一起调节淬火温度以便提供具有基本上相似的粒度范围的其他显微结构。例如，在替代实施例中，铁基合金可以具有主要贝氏体显微结构同时具有与以上所述的基本上相似的粒度。该精细颗粒壳层的深度可以基于处理时间、处理温度、处理气氛组成和基础合金特征进行选择。在一个实施例中，这些铁基合金的壳深度(例如，该精细颗粒壳层20的厚度)可以是从0.001英寸至0.500英寸(0.0000254mm至12.7mm)。在另一个实施例中，该壳深度可以是从0.01至0.3英寸(0.254mm至7.62mm)。在另一个实施例中，该壳深度可以是从0.03至0.1英寸(0.762mm至2.54mm)。

图4描绘了被放大的该基合金10的部分30，使得比尺线31表示0.005英寸(0.127mm)部分30包括在铁基合金10的壳与芯之间的过渡。部分30可以被称为该内壳层或一个中间体或过渡层。图5描绘了被放大的部分40，使得比尺线41表示0.005英寸(0.127mm)。部分40是在铁基合金10的芯中，或者可以被称为合金10的主体。在至少一个实施例中，内壳层30可以是直接在(或者包夹在)外壳层20与40之间。例如，内壳层30可以直接与外壳层20和芯40相接触。

图6描述了以铁基合金100的千磅/平方英寸(‘ksi’)计在不同周期中的弯曲疲劳应力测量的图110。如在图数据112中示出的，疲劳应力是超过200ksi并且超过30,000个周期，其表明了超过在先前的铁基合金上基本上相似的疲劳测试的改进。例如，特别是在高应力下，铁基合金100胜过具有更高的合金元素的浓度的合金。

图7描绘了在与铁基合金10和铁基合金2的表面的距离处元素重量百分比的图200。像铁基合金10一样，铁基合金2包含根据以上描述的方法100处理的15B29商业含硼钢。

切开合金10和合金2各自的横截面，并且测量在距离合金10的表面不同距离处的元素的重量％。根据合金10的重量％(y-轴)对于与合金10的表面的距离(x-轴)绘制在图200中标记为‘样品10’的合金10的硼水平202、氮水平204、和碳水平206。同样地，根据合金10的重量％(y-轴)对于与合金2的表面的距离(x-轴)绘制标记为‘样品2’的合金2的硼水平212、氮水平214、和碳水平216。

图200示出了基于与每个对应的合金2和合金10的表面的距离的区段，其中外壳220(相似于外壳层20)被指定在从该表面至约0.017英寸(0.432mm)的距离处；内壳222(相似于内壳层30)被指定在从0.017至.080英寸(0.432mm至2.032mm)的距离处并且芯224(相似于芯或主体40)被指定在距离该表面大于.080的距离处。如在图200中示出的，当与该芯224相比时外壳220具有超过硼的水平(0.022重量％-0.023重量％)的硼的富集水平0.050重量％-0.070重量％。该内壳当与芯224比较时具有减少的硼水平(小于0.020重量％)。

不受任何具体理论的限制，在处理100期间该铁基材料的硼似乎从该内壳迁移到该外壳，由此提供一种具有在此描述的有益特性的材料。据信，由于在该外壳中的增加的氮浓度，硼从该内壳迁移。该迁移硼可以是原子的或非键合的硼，这可能是由于氮清除剂存在于该合金中。键合的硼由于被其到其他元素的键锁定在位可以不以相同的方式迁移。该硼可以与在该外壳中的氮反应以形成氮-硼沉淀物、化合物、或金属间化合物，如BN。据信，这些氮-硼化合物有助于该粒度的精制。这些氮-硼沉淀物可以给予该铁基材料(或者至少该外壳)与沉淀物硬化/强化的钢相一致的强度。

尽管提供了具体的距离以在实例合金10和2中限定该外壳、该内壳和该芯，应理解，在该渗氮步骤期间改变处理时间和温度以及改变氨或其他供氮物质的水平可以产生在合金2、10的层中的不同的深度以及硼水平。此外，由一个区域到另一个区域(例如，外壳至内壳)的过渡可以是渐进的或连续的，并且不以急剧变化为标志。

因而，在至少一个实施例中，可以提供一种铁基合金10，其具有与该合金的主体或芯40相比具有精细粒度(例如，ASTM 9或更精细的平均值)的外壳20。外壳20还可以具有与合金的芯40相比增加的氮和/或硼的浓度。在一些实施例中，外壳20还可以具有与芯40相比增加的碳的浓度。在外壳20中的增加的氮浓度可以是来自于氮富集过程(例如，步骤104)，而在外壳20中的增加的硼浓度可以是来自于从外壳20外部到外壳20的硼的迁移(例如，内壳30)。如果在外壳20中存在增加的碳浓度，它可能来自于渗碳过程(例如，步骤102)。如以上描述的，该硼的迁移可以来自于在外壳20与芯40之间的内壳30。这种迁移可以在该渗氮过程和/或该渗碳和渗氮过程(例如，步骤102和/或104)期间发生。该迁移可以导致该内壳相对于外壳20和芯40(例如，具有比任一项更低的浓度)是硼减少的。内壳30可以具有总体上从临近外壳20至临近芯40降低的碳和/或氮浓度。

在至少一个实施例中，外壳20可以具有是主体浓度的至少两倍的氮浓度。例如，该氮浓度可以是该主体浓度的至少五倍或至少十倍。在一个实施例中，外壳20的氮浓度可以是至少0.02重量％，如至少0.03重量％或0.05重量％。在一个实施例中，芯40的氮浓度可以是不大于0.01重量％或不大于0.015重量％。

可以在以上处理过程之前或之后切割、锻造、铸造、机加工或者以其他方式制造包含铁基合金10的零件。例如，在一个实施例中，从该前体铁基合金切割齿轮，并且然后使这些齿轮经受以上描述的方法100的处理。

在示例性实施例中，车辆动力传动系统的部件包含铁基合金10。例如，重载车辆传动系部件和非公路传动系车辆部件可以包含铁基合金10。在一个实施例中，车辆动力传动系统的齿轮包含铁基合金10。使用铁基合金10的齿轮可以包括在动力传输箱中使用的齿轮、在差速器箱中使用的齿轮以及用来改变转矩比水平的齿轮，包括在传动系统和车轮末端中的那些。可以将该铁基合金使用或结合到其中希望良好的耐磨性的任何部件中，如在轴或轴承中。还可以将该铁基合金使用或结合到其中希望高强度和韧性的组合的任何部件中。

虽然以上描述了多个示例性实施例，但这些实施例并不旨在描述本发明的所有可能形式。而是，本说明书中使用的这些言词是说明而非限制的言词，并且应当理解的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。此外，可以组合不同实现的实施例的特征以形成本发明的另外的实施例。