使用粉末冶金工序制备铁合金制品的方法
【专利说明】使用粉末冶金工序制备铁合金制品的方法 相关抟术的夺叉引用
[0001] 本发明为一部分继续申请（Continuation-In-Part)，其要求美国专利（于2013年 10月24日申请，申请号为No. : 14/061，845)的权益。
技术领域
[0002] 本发明大体涉及合金铁的制备方法，尤其涉及一种使用粉末冶金工序制备高韧度 马氏体（martensitic)铁合金的制备方法。
【背景技术】
[0003] 飞行器起落架是一至关重要的部件，其在使用中高度受压且受到多种恶劣环境条 件的影响。钢合金，例如为AISI 4340以及300M合金，由于这些合金可以被调质（quenched and tempered)从而可提供非常高的强度（至少280ksi的极限抗张强度）以及至少 50ksi V in的断裂韧度（K1J，所以这些合金用于制备飞机起落架已经很长时间。因而，还 需要在起落架部件上电镀耐腐蚀性金属，例如镉。镉是一种高毒性且致癌的金属，使用这些 合金制备及维修飞机起落架及其他部件，将造成巨大的环境风险。
[0004] 一种现有的合金（以注册商标FERRIUM S53销售）被开发用以提供与4340以及 300M合金类似的强度以及韧度，并同样可以提供耐腐蚀性。为了克服使用电镀铬从而为由 4340合金或300M合金制造出的飞机起落架提供足够的耐腐蚀性的相关问题，FERRIUM S53 合金被设计出。然而，FERRIUM S53合金包括加入大量的钴，这是一种非常稀有，故而昂贵 的元素。为了避免在起落架应用中使用FERRIUM S53合金所造成的高成本，已尝试开发出 一种调质合金，其可以在不加入昂贵的钴的情况下，提供与FERRIUM S53合金相当的强度、 韧度以及耐腐蚀性。
[0005] 如美国专利8, 071，017以及美国专利8, 361，247所描述的，不使用钴的马氏体钢 合金可被调质从而提供与FERRIUM S53合金相当的强度、韧度，并可提供耐腐蚀性。然而， 却发现通过这些钢合金所提供的耐腐蚀性，尚有提高的空间。对于飞机起落架来说，由于其 需暴露在多种不同的的腐蚀环境中，且一些环境相较另一些环境更能引起钢的腐蚀，因而 提高耐腐蚀性是非常重要的。相应地，需要提供一种钢合金，其对于起落架的应用所需，可 以提供非常高的强度以及韧度，且相较已知的耐腐蚀性的调质钢，可提供更好的耐腐蚀性， 且相较含有大量钴的钢，其生产所需费用减少。
[0006] 另外，已知的马氏体钢合金通常使用传统的装置，包括真空感应熔炼（V頂)，以及 VIM/真空电弧熔炼（VAR)来熔炼。而后，已知的合金，被浇铸成金属锭的形式，并通过乳制 或锻造而获得最终所需的产品，产品可以是方钢（billet)或条钢（bar)。然而，在用于近净 成型工序（near net shape processing)的航天工业中，需要在相较传统工序（例如使用 条钢或粗锻坯（rough forged billet))而言，更少的机械加工以及更低的金属浪费的情形 下，制备零件。
【发明内容】
[0007] 为了解决以上这些缺陷中的一些，公开了一种制备铁合金制品的方法。通过将铁 合金组合物熔炼成液态，将液体雾化并固化为粉末颗粒，脱气以去除粉末颗粒表面的氧气， 并将粉末颗粒致密化为整块的制品来提供铁合金制品。
【具体实施方式】
[0008] 本发明提供了一种合金，其具有改进的，期望的金属特性，例如为耐磨性，耐腐蚀 性，强度以及韧度。
[0009] 根据本发明的铁合金包括选自碳（C)，锰（Mn)，硅（Si)，铬（Cr)，镍（Ni)，钼（Mo)， 铜（Cu)，钴（Co)，钒（V)，和铁（Fe)的基本组分。然而，基本组分也可能包括钨（W)，钒（V)， 钛（Ti)，铌（Nb)，钽（Ta)，铝（Al)，氮（N)，铈（Ce)和镧（La)。
[0010] 特别地，在本发明的一典型实施例中，铁合金包括标称的组合物，其具有的 比例为：〇· 2-0. 5wt. % 的 C, 0· 1-1. Owt. % 的 Mn, 0· 1-1. 2wt. % 的 Si, 9-14. 5wt. % 的 Cr, 3. 0-5. 5wt. % 的 Ni, l-2wt. % 的 Mo, O-L Owt. % 的 Cu, l-4wt. % 的 Co,最多为 0· 2wt. % 的 W, 0· 1-1. Owt. % 的 V,最高至 0· 5wt. % 的 Ti, 0-0· 5wt. % 的 Nb, 0-0· 5wt. % 的 Ta, 0-0· 25wt. % 的 Al,最多为 0· 05wt. % 的 N, 0-0· Olwt. % 的 Ce, 0-0· Olwt. % 的 La,以及 余量的Fe从而形成完整的组合物。
[0011] 如表1所示，铁合金可能具有如下所示比例（Wt. % )的组合物。
[0012] 表 1 典型钢合金组合物
[0013] 如前所述，铁合金的余量为Fe。在另一本发明的典型实施例中，铁合金可包括具 有本领域技术人员所公知的其他元素及杂质的组合物，例如包括约〇. 01%以下的磷或约 0. 002%以下的硫。
[0014] 上述制表，仅被提供作为方便的简要说明，而并不意在对使用中各个单一元素彼 此组合的范围的上、下限值进行任何限制，或对元素在彼此组合中的单独使用的范围进行 限制。因而，一种元素的一种或多种范围，可与其他元素的一种或多种其他范围一起使用。 此外，范围1中的一种元素的最低或最高值，可与范围2中同一元素的最低或最高值一起使 用，反之亦然。此外，根据本发明的铁合金可包括以上或全文所述元素，或实质由这些元素 组成，或由这些元素的构成要素组成。在此处及全文中，除另有说明，百分比或符号" ％ "代 表的是质量百分比或重量百分比。
[0015] 根据本发明的另一方面，提供有一种使用以上任一所述铁合金组合物制成的调质 钢制品。钢制品的特征在于，具有至少约为280ksi的抗张强度以及至少约为65ksi V in 的断裂韧度（K1J。钢制品的进一步特征在于，具有由盐水喷雾实验（ASTM B117)确定的对 抗全面腐蚀的良好耐腐蚀性，以及具有由循环动电位极化法（ASTM G61Modif ied)确定的对 抗点状腐蚀的良好耐腐蚀性。
[0016] 在铁合金中，存在至少约为0. 2%的碳，而在另一实施例中，存在至少约为0. 35% 的碳。C与铁结合从而形成Fe-C马氏体结构，其利于铁合金提供高硬度和高强度。同时，C 也可与Mo, V，Ti，Nb,和/或Ta -起形成碳化物，从而进一步在回火时强化铁合金。形成在 本合金中的碳化物，主要是MC-型碳化物，但M2C, M6C, M7C3，以及M23C6类型的碳化物也可存 在于本合金中。过多的碳，有害地，将影响铁合金所提供的韧度以及可锻性。因而碳被限定 为大约0. 5%以下，而在另一实施例中，其在0.45%以下。
[0017] 根据本发明的铁合金，包括至少大约为9%的Cr，以利于铁合金的耐腐蚀性以及 可硬化度。铁合金可包括至少大约为9. 5 %的铬。在另一实施例中，铁合金可包括大约 12. 5%以下的Cr。在另一典型实施例中，由于更高含量的Cr可能有害地影响铁合金所提供 的韧度及可锻性，铁合金可包括大约14. 5%以下的Cr。
[0018] Ni有助于根据本发明的铁合金提供的韧度及可锻性。因而，铁合金包括至少大约 3.0%的Ni，而在另一实施例中，包括至少大约3. 2%的Ni。Ni的含量可限制为大约5. 5% 以下。在另一实施例中，Ni的含量可限制为大约4. 3 %以下。
[0019] Mo是碳化物的形成元素，其可形成M6C，以及M23C6类型的碳化物，有助于铁合金中 的耐回火性。Mo同样有助于铁合金所提供的强度以及断裂韧度。此外，Mo有助于铁合金所 提供的点状腐蚀的耐腐蚀性。当铁合金含有至少大约为1 %的Mo时，Mo可提供这些益处。 在另一实施例中，铁合金可包括至少大约为1. 25%的Mo。在另一实施例中，铁合金可包括 大约1. 75%以下的Mo。然而在另一实施例中，铁合金可包括大约2%以下的Mo。
[0020] 本发明的铁合金包括少量的Co的正加入，从而利于铁合金所提供的强度和韧度。 Co对于铁合金的耐腐蚀性同样有利。基于这些理由，铁合金可至少包括大约1%的Co。在 另一实施例中，铁合金可至少包括大约2%的Co。由于Co是稀有元素，非常昂贵。为了在 铁合金中获得Co的益处，并保持成本的降低，铁合金可不包含6%或更多的Co。在另一实 施例中，铁合金可包括大约4%以下的Co。而在另一实施例中，铁合金可包括大约3%以下 的Co。
[0021] V以及Ti与某些碳C组合形成MC型碳化物，其可限制粒径从而反过来利于本发明 的铁合金所提供的强度和韧度。因而，铁合金包括至少大约为〇. 3%的V。在另一实施例中， 铁合金包括至少大约为0. 1 %的V。而在另一实施例中，铁合金可不包含Ti或Ti的含量大 约仅达到0.01 %。由于在铁合金中的碳化物的形成量过多将耗尽马氏体胎体材料（matrix material)中的碳，所以过多的V和/或Ti将不利于铁合金的强度。相应地，在一典型实施 例中，