含碳化物的铁基合金的微处理和微结构的制作方法
【专利说明】含碳化物的铁基合金的微处理和微结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求美国临时专利申请N0.61/651，992和美国实用新型专利申请N0.12/485，785的权益，其以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及经过处理的铁基合金，并且更具体地涉及用于将其转变和/或成形的工艺以及通过微处理所述铁基合金来处理低碳钢、中碳钢和高碳钢与其它金属成分和其它铁基合金以至少形成含有马氏体、贝氏体和未溶解的碳化物并且还可含有包括贝氏体、聚结贝氏体、珠光体、铁素体、针状铁素体、残留奥氏体和/或马氏体以及其组合的部分的多元钢微结构的混合微结构而由此获得的各种微结构材料。
【背景技术】
[0004]传统上，冶金学家希望利用低品质金属例如低碳钢，并通过廉价的处理(包括退火、淬火和回火等)将其转变为高品质钢和更理想的产品。以前的尝试获得的成功非常有限，因为它们并不总是产生理想的产品。其它尝试由于高的加工成本或需要最终结合过多的昂贵的合金化而不能大规模进行。
[0005]高强度钢的加工一般需要资本密集型设备、高费用、昂贵且危险的加热流体(例如淬火油和淬火盐)，以及回火/退火工艺，其包括使用熔炉、加热设备和来自浇注熔融钢的余热。这些淬火程序旨在将钢的硬度提高到所期望的值。贝氏体和马氏体可通过这些工艺制造并且对于某些高强度应用来说是非常理想的材料，因为它们一般具有约20以上的洛氏C硬度(Rockwell C hardness)。硬度增加与拉伸强度的可比较的增加相关。
[0006]典型的先进高强度钢一般包括贝氏体和/或马氏体相。贝氏体一般是由铁素体与碳化物的组合构成的针状钢，其展现相当大的韧性，同时组合了高强度与高延展性。从历史上看，虽然通过漫长的奥氏体回火热循环利用奥氏体回火在商业上制备贝氏体，但贝氏体是一种非常理想的产品。贝氏体钢的一个实用优点是，在贝氏体转变发生后，无需进一步热处理就可获得相对高的强度水平以及足够的延展性。这样的钢当以低碳合金制造时很容易焊接。已发现贝氏体抗回火并且可形成在与焊接金属相邻的热影响区中，从而降低裂纹的发生率并提供脆性较小的焊缝。此外，具有较低碳含量的这些钢倾向于提高焊接性并降低由于转变而产生的应力。当在中碳钢和高碳钢中形成奥氏体回火的贝氏体时，由于较高的碳等效含量而导致焊接性降低。
[0007]另一种常规的高强度钢成分马氏体是由碳在铁的体心四方晶格中的硬质过饱和固溶体构成的另一种针状微结构。它通常是在被称为马氏体转变或剪切转变的相转变期间形成的亚稳态过渡结构，在所述相转变中，较大的奥氏体化钢工件可被淬火至在马氏体转变范围内的温度并保持在所述温度下以达到整体均衡的温度，然后冷却至室温。较薄截面的马氏体通常是在水中淬火。由于化学过程在较高温度下加速，因此马氏体易于通过施加热而回火至低得多的强度。在一些合金中，通过加入干扰渗碳体晶核形成的元素例如钨来降低这种作用，但这种现象往往反而被利用。因为淬火可能难以控制，所以大部分钢经过淬火产生过多的马氏体，然后回火以逐渐降低其强度，直到实现适用于预期应用的硬度/延展性结构。
【发明内容】
[0008]根据本发明，利用最小的成本、时间和精力，将呈条带、片、棒、板、线、管、型材、工件等形式的低等级铁合金转变为多相高强度钢。可通过实施本发明来实现双相和更多元相的材料。由于将铁基合金从上限奥氏体化温度加热至峰值所选温度的持续时间短，以及能够快速实现部分贝氏体微结构，因此这种方法已被称为“快速贝氏体加工”。
[0009]提供用于极其快速地微处理低碳铁基合金的方法和装置以及由那些合金制造并含有那些合金的物品。铁基或铁合金/物品在微处理之前开始具有含有碳化物的第一微结构，并且通过在所述合金/物品的至少一部分上快速加热和快速冷却成高强度钢而转变为第二多元微结构。
[0010]公开了一种用于快速微处理铁基合金以形成至少一个相的高强度合金的方法，其中所述方法包括向具有第一微结构的铁基合金提供奥氏体转变温度的步骤。这种第一微结构能够通过以极高速率例如300 T /秒至5000 T /秒从低于奥氏体转变温度快速加热至高于奥氏体转变温度的所选温度而转变为具有包括上述相的第二微结构的铁基合金。由于在上限奥氏体化温度之上缺乏时间使含碳化物的铁基合金中的合金元素均质化，因此已知这种第二微结构是异质的。对于给定合金来说，由于通过快速加热引起的热循环的持续时间短，因此传统的奥氏体转变温度升高。这种升高的奥氏体化温度在一定程度上是由于在个别奥氏体晶粒中的钢内存在的多种合金浓度的奥氏体化温度的平均化。因为不同的碳浓度具有不同的上限奥氏体化温度，所以在大多数先前奥氏体晶粒中存在的碳浓度将对奥氏体化温度具有最大影响。含有极低碳浓度的主要由铁素体构成的铁基合金将具有最接近于纯铁中的铁素体的相对高的上限奥氏体化温度。
[0011]这种加热步骤包括将铁基合金从低于上限奥氏体化温度的温度开始几乎立即加热至高于其奥氏体转变温度的所选温度。然后，一旦达到峰值所选温度，就在与加热单元相邻的淬火单元中，在铁基合金的至少一部分上，将合金基本上立即淬火，在高温下无任何实质性保温期，最通常是在极快的速率、即300 °?/秒至5，000 °F /秒下。在一些情况下，需要较慢或间断的淬火来制定含碳化物的铁基合金的连续冷却转变或时间温度转变。这个程序在所期望的区域中形成至少一个相的高强度合金，取决于进行处理的位置。极其快速的淬火将形成至少一个相的高强度合金，如下文更充分描述。
[0012]淬火可通过各种方法和装置几乎瞬间完成，包括水浴、水雾、冷却成型模具、风刀、开放空气对流、最终操作冷却连续模具、最终阶段冷却线模具、冷却辊成型模具和淬火液压成形等。通过使用熔融盐、油、蒸汽、受热气溶体、冷却淬火辊和本领域技术人员已知的许多其它机构，较慢或间断的冷却是可能的。与淬火方法无关，需要在达到峰值所选加热温度后基本上立即开始淬火以限制碳迀移、碳化物溶解和合金均质化。
【附图说明】
[0013]对于本发明的预期范围和各种实施方案的性质和优点的进一步理解，应参考下列详细描述，并且当结合附图进行时，其中相同的部件是以相同的附图标记给出，并且其中:
[0014]图1A是根据本发明加工的贝氏体的FEGSEM显微照片；
[0015]图1B是根据本发明加工的贝氏体的FEGSEM显微照片；
[0016]图2A是在加工管的内壁的典型温度测量结果的曲线图；
[0017]图2B是根据本发明的工艺的冷却循环时间/温度曲线图；
[0018]图2C是模拟奥氏体晶粒随时间发展的加热和冷却循环；
[0019]图3是温度对温度微分的转变分析曲线图；
[0020]图4A是原材料的机械异质性分析；
[0021]图4B是快速加工的材料的类似分析；
[0022]图5是伸长率对峰值加热温度的曲线图；
[0023]图6是各种材料实施例的应力对应变的曲线