專(zhuān)利名稱(chēng)：高強(qiáng)度四相合金鋼的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及合金鋼領(lǐng)域，尤其是高強(qiáng)度、高硬度、抗腐蝕和高延展性合金鋼。本發(fā)明還涉及對(duì)合金鋼進(jìn)行加工使之具有一定的微結(jié)構(gòu)并由此賦予該合金鋼以特定物理特性和化學(xué)特性的方法。
2.技術(shù)背景以下美國(guó)專(zhuān)利和已公開(kāi)的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)記載了具有馬氏體相與奧氏體相復(fù)合微結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)高硬合金鋼，所有這些文獻(xiàn)以引用的方式插入本文作為本申請(qǐng)文件的一部分。
4,170,497(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，1979年10月9授權(quán)，1977年8月24申請(qǐng)；4,170,499(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，1979年10月9日授權(quán)，1978年9月14日申請(qǐng)，是上述1977年8月24申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)；4,619,714(Gareth Thomas，Jae-Hwan Ahn和Nack-Joon Earn)，1986年10月28日授權(quán)，1984年11月29日申請(qǐng)，是1984年8月6日申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)；4,671,827(Gareth Thomas，Nack J.Kim和Ramamoorthy Ramesh)，1987年6月9日授權(quán)，1985年10月11日申請(qǐng)，6,273,968 B1(Gareth Thomas)，2001年8月14日授權(quán)，2000年3月28日申請(qǐng)；6,709,534 B1(Grzegorz J.Kusinski，David Pollack和Gareth Thomas)，2004年3月23日授權(quán)，2001年12月14日申請(qǐng)；6,746,548(Grzegorz J.Kusinski，David Pollack和Gareth Thomas)，2004年6月8日授權(quán)，2001年12月14日申請(qǐng)；WO 2004/046400 Al(MMFX Technologies Corporation；Grzegorz J.Kusinski和Gareth Thomas，inventors)，2004年6月3日公開(kāi)。
微結(jié)構(gòu)是決定合金鋼特性的重要因素。所述合金的強(qiáng)度和硬度不僅取決于合金元素的選擇及含量，還取決于微結(jié)構(gòu)中的晶相和它們的排布。用于某些環(huán)境的合金要求具有高強(qiáng)度和高硬度，有些還要求具有高延展性。特性的最佳組合往往需包含相互抵觸的特性，這是因?yàn)樨暙I(xiàn)某一項(xiàng)特性的某些合金元素、微結(jié)構(gòu)特征或這兩者可能干擾另一項(xiàng)特性。
上述文獻(xiàn)中揭示的合金是具有馬氏體板條和奧氏體薄膜交替排列微結(jié)構(gòu)的合金碳素鋼。在有些情況下，馬氏體中分散有自回火產(chǎn)生的碳化物沉淀。馬氏體板條和奧氏體薄膜交替排列的排布方式被稱(chēng)為“位錯(cuò)化板條”結(jié)構(gòu)，或簡(jiǎn)稱(chēng)為“板條”結(jié)構(gòu)，這種排布方式是如下形成的先將合金加熱至奧氏體溫度范圍，然后冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms以下，所述馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度即馬氏體相開(kāi)始形成的溫度。這最后的冷卻步驟使合金進(jìn)入這樣一個(gè)溫度范圍，即在該范圍內(nèi)奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴以諸如鑄造、熱處理、壓延和煅造等標(biāo)準(zhǔn)冶金過(guò)程以形成所需形狀的產(chǎn)品并進(jìn)一步將板條結(jié)構(gòu)調(diào)整為板條與薄膜交替的排布。這樣的板條結(jié)構(gòu)比孿晶馬氏體更好，因?yàn)榘鍡l與薄膜交替排列的結(jié)構(gòu)具有更高的硬度。上述專(zhuān)利還揭示所述結(jié)構(gòu)中馬氏體區(qū)內(nèi)的過(guò)量碳會(huì)在冷卻過(guò)程中沉淀，形成滲碳體(碳化鐵，F(xiàn)e3C)。這一沉淀過(guò)程即所謂的“自回火”。專(zhuān)利’968揭示可通過(guò)限制合金元素的選擇使得馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms達(dá)到350℃或以上來(lái)避免自回火。某些合金中，自回火產(chǎn)生的碳化物增加鋼的硬度，而在另一些合金中則限制硬度提高。
板條結(jié)構(gòu)形成既硬且韌的高強(qiáng)度合金鋼，需要具有抗裂縫擴(kuò)展性能和足夠成形性的合金鋼從而可用這樣的鋼制作出工程部件?？刂岂R氏體相獲得板條結(jié)構(gòu)而非孿晶結(jié)構(gòu)是達(dá)到必要的強(qiáng)度和硬度水平最有效的手段之一，同時(shí)，殘留奧氏體薄膜則提高合金鋼的延展性和成型性。可通過(guò)仔細(xì)選擇合金組成(這會(huì)影響Ms值)和控制冷卻過(guò)程以獲得板條微結(jié)構(gòu)而非孿晶結(jié)構(gòu)。
影響合金鋼強(qiáng)度和硬度的另一因素是溶解氣體的存在。具體地說(shuō)已知?dú)錃鈺?huì)造成脆化，還會(huì)降低延展性和承重能力。已知，斷裂破壞和突變性脆性破壞會(huì)在低于合金鋼屈服值的應(yīng)力下發(fā)生，尤其是在管線(xiàn)鋼和結(jié)構(gòu)鋼中。氫氣易沿著鋼晶粒的邊緣擴(kuò)散，并與鋼材內(nèi)的碳結(jié)合成甲烷氣。所述氣體在晶粒邊緣的小隙內(nèi)聚集，形成引起裂縫的壓力。加工過(guò)程中去除合金鋼中氫氣的方法之一是真空脫氣，通常在1至150乇(torr)的壓力下對(duì)熔融態(tài)的鋼進(jìn)行脫氣。某些情形下(例如小工廠生產(chǎn)的鋼，電弧爐操作、鋼包冶金臺(tái)操作)，對(duì)熔融鋼進(jìn)行脫氣在經(jīng)濟(jì)上不可行，此外，真空度不夠，或者未采用真空。這些情形下，氫氣是通過(guò)焙熱處理來(lái)去除的。這種處理的典型條件是300-700℃和數(shù)小時(shí)(例如12小時(shí))的加熱時(shí)間。這可以去除溶解氫，但卻會(huì)造成碳化物沉淀。因?yàn)樘蓟锍恋硎菑谋惶汲柡偷南嘀序?qū)除碳所引起的，因此沉淀發(fā)生在不同相之間或晶粒之間的界面上。這些地方的沉淀降低了合金鋼材的延展性，并成為腐蝕易發(fā)位點(diǎn)。
許多情況下，碳化物沉淀是很難避免的，尤其是，因?yàn)樾纬啥嘞噤摫囟ㄉ婕巴ㄟ^(guò)加熱或冷卻進(jìn)行的相轉(zhuǎn)化，而且各相內(nèi)的碳飽和水平各不相同。所以，延展性差和易腐蝕常常成為難以控制的問(wèn)題。
發(fā)明概述現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，可制造出高強(qiáng)度、延展性好、抗腐蝕且碳化物沉淀所致受損風(fēng)險(xiǎn)低的碳素鋼和合金鋼，所述方法包括形成鐵氧體區(qū)域與馬氏體-奧氏體板條區(qū)域(含有交替排列的馬氏體板條與奧氏體薄膜的區(qū)域)的組合結(jié)構(gòu)，碳化物沉淀的成核位置位于鐵氧體區(qū)域內(nèi)。這些成核位置將碳化物沉淀引導(dǎo)至鐵氧體區(qū)域內(nèi)部，由此避免相邊界或晶粒邊界處的沉淀。所述方法開(kāi)始時(shí)先形成基本無(wú)馬氏體的奧氏體相或無(wú)馬氏體的奧氏體相與鐵氧體(各為不同的相)的組合。然后，通過(guò)冷卻奧氏體相將部分奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵氧體，同時(shí)允許碳化物在新形成的鐵氧體內(nèi)沉淀。這一新形成的鐵氧體相含有非位于相邊界處的少量碳化物沉淀，被稱(chēng)為“低碳貝氏體”。然后，將所得的混合相(奧氏體、低碳貝氏體，有時(shí)還有鐵氧體)冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度以下的溫度，從而將奧氏體轉(zhuǎn)化為含馬氏體和奧氏體的板條結(jié)構(gòu)。所以，最后所得的微結(jié)構(gòu)是板條結(jié)構(gòu)與低碳貝氏體組合微結(jié)構(gòu)，或者是板條結(jié)構(gòu)、低碳貝氏體與(無(wú)碳化物)鐵氧體組合的微結(jié)構(gòu)，這種微結(jié)構(gòu)可以通過(guò)連續(xù)冷卻或通過(guò)冷卻與熱處理相組合來(lái)獲得。低碳貝氏體形成過(guò)程中形成的碳化物沉淀可保護(hù)微結(jié)構(gòu)在后續(xù)冷卻和其他熱力學(xué)處理過(guò)程中在相邊界或晶粒邊界處不形成碳化物沉淀。本發(fā)明的基本內(nèi)容既包括所述方法，也包括由此方法生產(chǎn)的多相合金。使氮化物、碳氮化物或其他沉淀形成于鐵氧體內(nèi)也可獲得類(lèi)似的效果，此時(shí)鐵氧體作為成核位置，防止更多的上述物質(zhì)沉淀在相邊界或晶粒邊界。
以下將進(jìn)一步闡述本發(fā)明的特征、目的、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方式。


圖1是本發(fā)明鋼合金之一的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間相圖。
圖2是本發(fā)明與圖1中不同的另一鋼合金的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間相圖。
圖3是本發(fā)明的一種冷卻過(guò)程以及所得微結(jié)構(gòu)各階段(圖1的合金鋼)的示意圖。
圖4是另一種非本發(fā)明冷卻過(guò)程以及對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)各階段(圖1的合金鋼)的示意圖。
圖5是本發(fā)明的一種冷卻過(guò)程以及所得微結(jié)構(gòu)各階段(圖2的合金鋼)的示意圖。
圖6是非本發(fā)明冷卻過(guò)程以及對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)各階段(圖2的合金鋼)的示意圖。
發(fā)明詳述及優(yōu)選實(shí)施方式“碳化物沉淀”指碳的化合物形成的簇或相，所述化合物主要為Fe3C(滲碳體)，通式為MxCy(其中，“M”代表金屬元素，“x”和“y”的值取決于該金屬元素)，所述的簇或相是獨(dú)立于奧氏體相、馬氏體相和鐵氧體相晶格之外的獨(dú)立相。當(dāng)鐵氧體相的體內(nèi)存在碳化物沉淀時(shí)，這些沉淀被鐵氧體所包圍但不是鐵氧體晶格的一部分。在相邊界或其他邊界“基本上沒(méi)有碳化物沉淀”表示即使在這些邊界存在有碳化物沉淀，也因其含量甚微而不至于明顯導(dǎo)致合金易腐蝕或不利于合金的延展性。“無(wú)碳化物”在此表示沒(méi)有碳化物沉淀，但不一定沒(méi)有碳原子。
由內(nèi)含少量碳化物沉淀但在相邊界處沒(méi)有碳化物沉淀的鐵氧體構(gòu)成的晶相又稱(chēng)為“低碳貝氏體”。這些低碳貝氏體相內(nèi)的碳化物沉淀以最長(zhǎng)尺寸以約150nm或更小為佳，最好約50-150nm。“最長(zhǎng)尺寸”指沉淀的最長(zhǎng)線(xiàn)性維度。對(duì)于例如類(lèi)球形沉淀來(lái)說(shuō)，最長(zhǎng)尺寸即直徑，而對(duì)矩形或長(zhǎng)形沉淀來(lái)說(shuō)，最長(zhǎng)尺寸指最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度，或者，根據(jù)具體形狀，指對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度。低碳貝氏體需區(qū)別于“高碳貝氏體”，后者指鐵氧體中所含碳化物沉淀的尺寸總體上大于低碳貝氏體所含碳化物沉淀的尺寸，且沉淀不在鐵氧體內(nèi)部而在晶粒邊界或相邊界或不僅在鐵氧體內(nèi)部還出現(xiàn)在晶粒邊界或相邊界處。“相邊界”指不同相之間的界面，包括板條馬氏體與薄膜奧氏體之間的界面以及馬氏體-奧氏體區(qū)域與鐵氧體區(qū)域之間的界面或者馬氏體-奧氏體區(qū)域于低碳貝氏體區(qū)域之間的界面。形成高碳貝氏體的冷卻速度低于低碳貝氏體，形成溫度則高于低碳貝氏體。本發(fā)明力求不產(chǎn)生含高碳貝氏體的微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所用的合金組合物是馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms約330℃或以上(350℃或以上更佳)的組合物。雖然籠統(tǒng)地說(shuō)合金元素對(duì)Ms有影響，但影響最強(qiáng)的是碳，通常通過(guò)控制合金的含碳量至最多為0.35％來(lái)將Ms控制在合適范圍內(nèi)。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中，含碳量約為0.03％-0.35％，更好的優(yōu)選實(shí)施方式中，含碳量約為0.05％-0.33％，以上所述均為重量百分比。
如上所述，本發(fā)明既適用于碳素鋼也適用于合金鋼。“碳素鋼”一般指總合金元素含量不超過(guò)2％的鋼，“合金鋼”則指合金元素含量更高的鋼。本發(fā)明優(yōu)選合金組合物中，鉻含量至少約1.0％，以約1.0％-11.0％為佳。本發(fā)明的部分合金中還可以包含錳，如果存在，含量最多為約2.5％。本發(fā)明部分合金中可以包含的另一合金元素是硅，如果存在，含量以約0.1％-3％為佳。本發(fā)明各種實(shí)施方式中其他合金元素還包括例如鎳、鈷、鋁和氮，它們可以單獨(dú)存在也可以組合存在。還可以存在有微合金元素，例如鉬、鈮、鈦和釩。本段中的百分比均為重量百分比。
本發(fā)明的中間微結(jié)構(gòu)和最終微結(jié)構(gòu)都含有至少(in minimum)兩個(gè)空間上和結(jié)晶學(xué)上都不同的區(qū)域。部分實(shí)施方式中，中間結(jié)構(gòu)中的所述兩個(gè)區(qū)域是低碳貝氏體(含有少量碳化物沉淀分散在鐵氧體內(nèi)部的鐵氧體)和奧氏體，最終結(jié)構(gòu)中的所述兩個(gè)區(qū)域是低碳貝氏體區(qū)域和馬氏體-奧氏體板條區(qū)域。另一些實(shí)施方式中，在貝氏體形成之前先形成一初步結(jié)構(gòu)，該初步結(jié)構(gòu)含有鐵氧體晶粒(無(wú)碳化物)和奧氏體晶粒(無(wú)馬氏體且無(wú)碳化物)。然后，將該初步結(jié)構(gòu)冷卻，首先得到中間結(jié)構(gòu)(含鐵氧體、低碳貝氏體和奧氏體)，然后得到最終結(jié)構(gòu)。所述最終結(jié)構(gòu)中，保留了無(wú)碳化物鐵氧體晶粒和低碳貝氏體區(qū)域，而其余的無(wú)馬氏體且無(wú)碳化物的奧氏體晶粒則被轉(zhuǎn)化為馬氏體-殘留奧氏體(交替排列的板條和薄膜)結(jié)構(gòu)和低碳貝氏體晶粒。
每一上述結(jié)構(gòu)中，所述晶粒、區(qū)域和不同的相形成一連續(xù)的質(zhì)體。單個(gè)晶粒的大小不重要，可有較大差異。為了獲得最佳效果，晶粒的直徑(或者其他特征性線(xiàn)性尺寸)通常約為2-100微米，以約5-30微米為佳。在奧氏體晶粒已轉(zhuǎn)化為馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)中，馬氏體板條一般寬約0.01-0.3微米，以約0.05-0.2微米為佳，馬氏體板條之間的奧氏體薄膜的寬度一般小于馬氏體板條。低碳貝氏體晶粒相對(duì)于奧氏體相或馬氏體-奧氏體相的含量也可有較大差異，這些相對(duì)含量對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)并不重要。然而，大多數(shù)情況下，當(dāng)奧氏體或馬氏體-奧氏體晶粒占微結(jié)構(gòu)的約5-95％(以約15-60％為佳，約20-40％最佳)時(shí)，效果最佳。本段中的百分比均為體積而非重量百分比。
雖然本發(fā)明包括具有上述微結(jié)構(gòu)的合金而不限以何冶金步驟獲得該結(jié)構(gòu)的合金，但優(yōu)選某些加工方法。對(duì)某些微結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，加工方法由混合形成既定組成合金所需的合適組分開(kāi)始，然后在合適的溫度經(jīng)充分長(zhǎng)的時(shí)間將所得組合物均質(zhì)化(“均熱”)以得到均勻的、基本上沒(méi)有馬氏體的奧氏體結(jié)構(gòu)，并且所有元素和組分均以固溶體的形式存在。所述溫度將是高于奧氏體重結(jié)晶溫度的溫度，具體溫度取決于合金的組成。然而，合適的溫度對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)一般是顯而易見(jiàn)的。大多數(shù)情況下，在850℃-1200℃(以900-1100℃為佳)均熱，效果最佳?？蛇x擇性地在此溫度對(duì)合金進(jìn)行壓延、鍛造或壓延和鍛造。
一旦形成奧氏體，就以一定的冷卻速度將合金組合物冷卻至一在中間范圍內(nèi)但仍高于馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度的溫度，使得一部分奧氏體轉(zhuǎn)化為低碳貝氏體，其余仍為奧氏體。這兩相的相對(duì)含量隨冷卻到達(dá)的溫度和合金元素含量的不同而不同。如前所述，這兩相的相對(duì)含量對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)不重要，可有所不同，但有優(yōu)選范圍。
在冷卻進(jìn)入馬氏體區(qū)域之前奧氏體向低碳貝氏體的轉(zhuǎn)化由冷卻速度來(lái)控制，即溫度-時(shí)間圖所示冷卻過(guò)程中奧氏體降低所達(dá)的溫度，降溫過(guò)程的耗時(shí)，以及組合物停留于給定溫度的時(shí)間。合金在相對(duì)高溫的保持時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)將形成鐵氧體，先是無(wú)碳化物的鐵氧體，然后是碳化物含量高的鐵氧體，結(jié)果形成被稱(chēng)為珠光體和高碳貝氏體的相邊界處有碳化物的含碳化物鐵氧體相。最好能避免形成珠光體和高碳貝氏體，所以，通過(guò)足夠快的冷卻來(lái)進(jìn)行奧氏體的部分轉(zhuǎn)化，冷卻速度應(yīng)快到足以使得奧氏體轉(zhuǎn)化為單純鐵氧體或低碳貝氏體(含有分散于鐵氧體內(nèi)部的少量碳化物的鐵氧體)。然后，以足夠高的速度進(jìn)行繼所述兩種轉(zhuǎn)化中的任何一種之后的冷卻，速度應(yīng)高到足以避免形成珠光體和高碳貝氏體。
本發(fā)明部分實(shí)施方式中，如前所說(shuō)，最終結(jié)構(gòu)在低碳貝氏體和馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)區(qū)域之外還包含單純鐵氧體晶粒。該最終結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的一個(gè)早期階段是一個(gè)奧氏體相與單純鐵氧體相共存的階段。這一階段可通過(guò)兩種途徑獲得通過(guò)均熱完全奧氏體化之后通過(guò)冷卻將部分奧氏體轉(zhuǎn)化為單純鐵氧體，或者通過(guò)有控制地加熱合金組分直接形成奧氏體-鐵氧體組合。在上述兩種情況的任何一種中，一待這一早期階段形成后立即將其冷卻從而將部分奧氏體轉(zhuǎn)化為低碳貝氏體，單純鐵氧體區(qū)域則基本沒(méi)有改變。然后，進(jìn)一步高速冷卻，冷卻速度應(yīng)高到足以?xún)H僅使得奧氏體轉(zhuǎn)化為板條結(jié)構(gòu)而不至于進(jìn)一步引起單純鐵氧體或低碳貝氏體區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)化。這是如下實(shí)現(xiàn)的先通過(guò)部分奧氏體轉(zhuǎn)化為低碳貝氏體對(duì)應(yīng)的時(shí)間-溫度區(qū)，然后進(jìn)入其余奧氏體轉(zhuǎn)化為板條結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的時(shí)間-溫度區(qū)。當(dāng)加工過(guò)程不包括早期形成單純(無(wú)碳化物)鐵氧體區(qū)域，得到的將是包括低碳貝氏體區(qū)域和馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)區(qū)域的最終微結(jié)構(gòu)，它不含單純鐵氧體且在不同區(qū)域邊界處也沒(méi)有碳化物沉淀。當(dāng)加工過(guò)程包括早期形成單純(無(wú)碳化物)鐵氧體區(qū)域，得到的將是包括單純鐵氧體、低碳貝氏體區(qū)域和馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)區(qū)域的最終微結(jié)構(gòu)，同樣，在不同區(qū)域邊界處也沒(méi)有碳化物沉淀。
“相鄰”在此用于描述共享邊界的區(qū)域。許多情況下，共享的邊界是一平面或至少具有長(zhǎng)且相對(duì)較平的形狀。前文所述的壓延和鍛造步驟易產(chǎn)生平面或至少長(zhǎng)且相對(duì)較平的邊界。這樣，這些情況下的“相鄰”區(qū)域也是長(zhǎng)形的且基本為平面。
形成含碳化物沉淀的鐵氧體相但不形成珠光體和高碳貝氏體(在相邊界上有相對(duì)較多碳化物沉淀的鐵氧體)所需的適當(dāng)?shù)睦鋮s速度可從各種合金的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間相圖上看出。該相圖的縱軸代表溫度，橫軸代表時(shí)間，相圖中的曲線(xiàn)表示各相所在的區(qū)域，這些相或者單獨(dú)存在或者與一個(gè)或多個(gè)其他相組合。這些圖是現(xiàn)有技術(shù)，很容易在已公開(kāi)的文獻(xiàn)中查到。前文所述的Thomas的美國(guó)專(zhuān)利6,273,968B1中就有一張典型的這樣的圖。另有兩圖參見(jiàn)圖1和圖2。
圖1和圖2是被選來(lái)闡述本發(fā)明的兩種合金的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間相圖。形成不同相的溫度和時(shí)間區(qū)域在圖中以曲線(xiàn)表示，這些曲線(xiàn)即各區(qū)域的邊界，表示各相自該邊界開(kāi)始形成。兩圖中，馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度Ms以水平線(xiàn)10表示，從該水平線(xiàn)上方至水平線(xiàn)下方的冷卻將使得奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體。兩圖中，所有曲線(xiàn)以外(球形外側(cè))并且Ms線(xiàn)以上的區(qū)域代表全奧氏體相。圖中所示各相邊界線(xiàn)的位置會(huì)因合金組成而變動(dòng)。有些情況下，一種元素的微變也會(huì)使得其中一個(gè)區(qū)域向左、右、上或下發(fā)生明顯的漂移。某些改變會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)區(qū)域完全消失。因此，例如，鉻含量改變2％或錳含量略微改變可能引起類(lèi)似于這兩圖之間差異的改變。方便起見(jiàn)，將各圖分成I、II、III和IV四個(gè)區(qū)，以斜線(xiàn)11、12和13分隔。曲線(xiàn)繪出的相區(qū)是低碳貝氏體區(qū)14，單純(無(wú)碳化物)鐵氧體區(qū)15，高碳貝氏體區(qū)16和珠光體區(qū)17。
在圖1和圖2合金中，如果加工過(guò)程的開(kāi)始階段是完全奧氏體化，而且完全奧氏體化之后的冷卻路徑維持在I區(qū)，則冷卻過(guò)程將只產(chǎn)生馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)(馬氏體板條與奧氏體薄膜交替排列)。在這兩種情況下，如果冷卻過(guò)程保持在II區(qū)，即第一反斜線(xiàn)11和第二反斜線(xiàn)12之間，則合金將通過(guò)低碳貝氏體區(qū)14，在該區(qū)域內(nèi)，部分奧氏體相將轉(zhuǎn)化為低碳貝氏體相(即，含有少量碳化物沉淀分散于鐵氧體內(nèi)部的鐵氧體)并與其余奧氏體共存。隨著冷卻繼續(xù)并穿越Ms，所述低碳貝氏體相將保持不變，而其余的奧氏體將轉(zhuǎn)化為馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)。結(jié)果是本發(fā)明的四相微結(jié)構(gòu)。
如果圖1或圖2的合金以較慢的速度從最初的全奧氏體開(kāi)始冷卻，冷卻路徑將進(jìn)入III區(qū)。在圖1合金中，足夠慢的冷卻速度將循一進(jìn)入單純鐵氧體區(qū)15的冷卻路徑進(jìn)行，該區(qū)域內(nèi)，此時(shí)部分奧氏體將轉(zhuǎn)化為單純(無(wú)碳化物)鐵氧體晶粒并與其余奧氏體共存。由于圖1中各相的位置，一旦通過(guò)單純鐵氧體區(qū)15的冷卻產(chǎn)生了單純鐵氧體晶粒，則進(jìn)一步冷卻形成的合金將通過(guò)高碳貝氏體區(qū)16，此時(shí)會(huì)有大量的碳化物沉淀形成于相邊界。具體就該合金而言，要避免這一點(diǎn)只能通過(guò)將冷卻溫度加快到既不進(jìn)入單純鐵氧體區(qū)15也不進(jìn)入高碳貝氏體區(qū)16。穿越Ms的最后冷卻將剩余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)。
在圖2合金中，單純鐵氧體相15和高碳貝氏體相16的相對(duì)位置發(fā)生了改變。該合金中，不象圖1合金，單純鐵氧體區(qū)15的“鼻子”或最左端遷移至高碳貝氏體區(qū)16的“鼻子”的左側(cè)，這樣，可以設(shè)計(jì)出可形成單純鐵氧體但不會(huì)隨著向馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度以下冷卻而形成高碳貝氏體的冷卻路徑。在這兩個(gè)相圖的合金中，如果合金在中間溫度的保持時(shí)間長(zhǎng)到足以使得冷卻路徑穿越珠光體區(qū)17，則將形成珠光體。冷卻曲線(xiàn)離珠光體區(qū)17和高碳貝氏體區(qū)16越遠(yuǎn)，在鐵氧體內(nèi)部之外的區(qū)域(即不是在圖中區(qū)域14內(nèi)發(fā)生沉淀的區(qū)域)形成碳化物沉淀的可能性就越小。再次強(qiáng)調(diào)的是，以上所述圖中的曲線(xiàn)位置只是說(shuō)明性的。這些位置會(huì)隨著合金組成的進(jìn)一步改變而改變。不論如何，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)單純鐵氧體區(qū)15的時(shí)間早于到達(dá)高碳貝氏體區(qū)16的時(shí)間，才可能形成具有單純鐵氧體區(qū)和低碳貝氏體區(qū)而無(wú)高碳貝氏體區(qū)的微結(jié)構(gòu)。這在圖2合金中是這樣，在圖1合金中則不然。
具體的冷卻過(guò)程在后面的附圖中進(jìn)行了說(shuō)明。圖3和圖4顯示的是對(duì)圖1合金進(jìn)行的冷卻過(guò)程，圖5和圖6顯示的是對(duì)圖2合金進(jìn)行的冷卻過(guò)程。每個(gè)過(guò)程中，圖的上方為合金的轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間相圖，下方為冷卻過(guò)程中不同時(shí)刻的微結(jié)構(gòu)。
圖3(針對(duì)圖1合金)中，冷卻過(guò)程顯示為兩個(gè)步驟，從全奧氏體(γ)階段21開(kāi)始(以坐標(biāo)點(diǎn)21a表示)，冷卻至中間階段22(以坐標(biāo)點(diǎn)22a表示)，最后到達(dá)最終階段23(以坐標(biāo)點(diǎn)23a表示)。虛線(xiàn)24表示從全奧氏體階段21至中間階段22的冷卻速度，虛線(xiàn)25表示從中間階段22至最終階段23的冷卻速度。中間階段22由奧氏體(γ)31和與之相鄰的低碳貝氏體(含有位于鐵氧體內(nèi)部的碳化物沉淀33的鐵氧體32)構(gòu)成。在最終階段23中，奧氏體區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)，所述板條結(jié)構(gòu)由馬氏體板條34和與之交替排列的奧氏體薄膜35構(gòu)成。
圖4的冷卻過(guò)程不同于圖3，也不在本發(fā)明范圍之內(nèi)。該冷卻過(guò)程與本發(fā)明冷卻過(guò)程的區(qū)別在于圖4所示過(guò)程的最終階段26和相應(yīng)的點(diǎn)26a是經(jīng)過(guò)虛線(xiàn)27所示的路徑達(dá)到的，該路徑經(jīng)過(guò)高碳貝氏體區(qū)16。如前所說(shuō)，高碳貝氏體含有位于晶粒邊界和相邊界處的碳化物沉淀。這些相間沉淀對(duì)合金的抗腐蝕性和延展性不利。
類(lèi)似地，圖5和圖6顯示兩種不同的冷卻過(guò)程，但是針對(duì)圖2合金的。圖5的冷卻在全奧氏體區(qū)內(nèi)開(kāi)始，保持在該區(qū)內(nèi)，直至到達(dá)點(diǎn)41a，此過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)是全奧氏體41。由于單純鐵氧體區(qū)15和高碳貝氏體區(qū)16的相對(duì)位置，因此可以選擇這樣的冷卻路徑，即在早于圖1合金的時(shí)間點(diǎn)并且在早于高碳貝氏體16最早開(kāi)始形成的時(shí)間點(diǎn)通過(guò)單純鐵氧體區(qū)15。在相同的點(diǎn)42a處，部分奧氏體已轉(zhuǎn)化為單純鐵氧體，由此形成中間微結(jié)構(gòu)42，其中含有奧氏體(γ)44和單純鐵氧體(α)晶粒43。由于該合金“轉(zhuǎn)化-溫度-時(shí)間”相圖上各相區(qū)的相對(duì)位置，可以足夠快的速度從該中間階段冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度10以下，所述速度快到足以避免穿越高碳貝氏體區(qū)16。這樣的冷卻如虛線(xiàn)44所示，先經(jīng)過(guò)低碳貝氏體區(qū)14使部分奧氏體轉(zhuǎn)化為低碳貝氏體46，然后穿越馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度，形成馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)47。這些轉(zhuǎn)化過(guò)程中，無(wú)碳化物鐵氧體區(qū)43保持不變，但最終結(jié)構(gòu)45除了馬氏體-奧氏體板條結(jié)構(gòu)47和低碳貝氏體區(qū)46之外還含有單純鐵氧體區(qū)43。
圖6的冷卻過(guò)程不同于圖5，且不在本發(fā)明范圍之內(nèi)。區(qū)別在于，圖6中繼轉(zhuǎn)化為中間階段42之后的冷卻沿路徑51進(jìn)行，該路徑在穿越馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度10形成最終微結(jié)構(gòu)52、52a之前經(jīng)過(guò)高碳貝氏體區(qū)16。在高碳貝氏體區(qū)16中，相邊界處形成了碳化物沉淀53。和圖4中的最終微結(jié)構(gòu)一樣，這些相間沉淀對(duì)合金的抗腐蝕性和延展性不利。
以下實(shí)施例僅用于闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1對(duì)含9％鉻、1％錳和0.08％碳的合金鋼來(lái)說(shuō)，以高于約5℃/秒的速度從奧氏體相開(kāi)始冷卻將形成不含碳化物沉淀的馬氏體-奧氏體板條微結(jié)構(gòu)。如果采用較低的速度，即約1-0.15℃/秒的速度，所得合金鋼將具有馬氏體板條與奧氏體薄膜交替區(qū)域并含有低碳貝氏體區(qū)(鐵氧體內(nèi)部含有少量碳化物沉淀的鐵氧體晶粒)的微結(jié)構(gòu)，但相界面處無(wú)碳化物沉淀，這樣的合金鋼屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)。如果冷卻速度進(jìn)一步降至低于約0.1℃/秒，所得的微結(jié)構(gòu)將含有微精珠光體(屈氏體)，且相邊界有碳化物沉淀。少量碳化物沉淀是可允許的，但本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式盡可能減少了這些沉淀。
具有按照本實(shí)施例不進(jìn)入高碳貝氏體區(qū)或珠光體區(qū)而形成的微結(jié)構(gòu)的合金一般將具有以下機(jī)械性質(zhì)屈服強(qiáng)度90-120ksi；拉伸強(qiáng)度150-180ksi；延展率7-20％。
實(shí)施例2對(duì)含4％鉻、0.5％錳和0.08％碳的合金鋼來(lái)說(shuō)，以高于100℃/秒的速度從奧氏體相開(kāi)始冷卻將形成不含碳化物沉淀的馬氏體-奧氏體板條微結(jié)構(gòu)。如果采用較低的速度，即低于100℃/秒但高于5℃/秒的速度，所得合金鋼將具有馬氏體板條與奧氏體薄膜交替區(qū)域并含有低碳貝氏體區(qū)(鐵氧體內(nèi)部含有少量碳化物沉淀的鐵氧體晶粒)的微結(jié)構(gòu)，但相界而處無(wú)碳化物沉淀，這樣的合金鋼屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)。如果冷卻速度進(jìn)一步降至5-0.2℃/秒，所得微結(jié)構(gòu)將含有高碳貝氏體，在相邊界處有碳化物沉淀，這樣的微結(jié)構(gòu)不在本發(fā)明范圍之內(nèi)。這可以通過(guò)采用慢速冷卻接快速冷卻來(lái)避免。當(dāng)冷卻速度低于0.33℃/秒時(shí)會(huì)形成微精珠光體(屈氏體)。同樣，少量碳化物沉淀是可允許的，但本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式盡可能減少了這些沉淀。
用其他合金鋼組合物可獲得類(lèi)似的效果。例如，含4％鉻、0.6％錳和0.25％碳且如上所述制得的沒(méi)有形成高碳貝氏體的合金鋼將具有以下機(jī)械性質(zhì)屈服強(qiáng)度190-220ksi；拉伸強(qiáng)度250-300ksi；延展率7-20％。
以上是僅為說(shuō)明本發(fā)明而進(jìn)行的描述?？砂凑毡景l(fā)明的基本構(gòu)思對(duì)合金組成加工過(guò)程及條件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改。這種修改對(duì)應(yīng)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，因而屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)。權(quán)利要求中的“包含”表示廣義的“包括”，不排除包括其他元素的可能。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)高強(qiáng)、高延展、抗腐蝕碳素鋼的方法，包括(a)將合金組合物加熱至這樣的溫度，該溫度高得足以形成含有無(wú)馬氏體的奧氏體相的起始微結(jié)構(gòu)，所述合金組合物的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度約為至少330℃且由鐵與合金元素構(gòu)成，所述合金元素包含約0.03-0.35％碳，約1.0-11.0％鉻和至多約2.0％錳；(b)冷卻所述起始微結(jié)構(gòu)，冷卻的條件使得起始微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為含奧氏體、鐵氧體和碳化物的中間微結(jié)構(gòu)，所述中間微結(jié)構(gòu)包含相鄰的奧氏體相和鐵氧體相，鐵氧體內(nèi)部分散有碳化物沉淀，但相邊界處基本上沒(méi)有碳化物沉淀；(c)冷卻所述中間微結(jié)構(gòu)，冷卻的條件使得中間微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為包含馬氏體、奧氏體、鐵氧體和碳化物的最終微結(jié)構(gòu)，所述最終微結(jié)構(gòu)包含馬氏體-奧氏體區(qū)，與馬氏體-奧氏體區(qū)相鄰的鐵氧體區(qū)和分散于鐵氧體區(qū)內(nèi)部的碳化物沉淀，所述馬氏體-奧氏體區(qū)由馬氏體板條和與之交替排列的奧氏體薄膜構(gòu)成，所述馬氏體板條與所述奧氏體薄膜之間的界面處或者所述鐵氧體區(qū)與所述馬氏體-奧氏體區(qū)之間的界面處基本上沒(méi)有碳化物沉淀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述碳化物沉淀的最長(zhǎng)尺寸約為150nm或更小。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，所述碳化物沉淀的最長(zhǎng)尺寸約為50-150nm。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，所述起始微結(jié)構(gòu)還包含基本無(wú)碳化物沉淀的鐵氧體相，所述中間微結(jié)構(gòu)和最終微結(jié)構(gòu)還各自包含基本無(wú)碳化物的鐵氧體區(qū)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，所述起始微結(jié)構(gòu)由奧氏體構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，所述合金組合物的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度為至少約350℃。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，所述起始微結(jié)構(gòu)不含碳化物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，所述合金元素還包含約0.1-3％硅。
9.一種由鐵和合金元素構(gòu)成的合金碳素鋼，所述合金元素包括約0.03-0.35％碳，約1.0-11.0％鉻和至多約2.0％錳，所述合金碳素鋼具有包含馬氏體-奧氏體區(qū)，與馬氏體-奧氏體區(qū)相鄰的鐵氧體區(qū)和分散于鐵氧體區(qū)內(nèi)部的碳化物沉淀的微結(jié)構(gòu)，所述馬氏體-奧氏體區(qū)由馬氏體板條和與之交替排列的奧氏體薄膜構(gòu)成，所述馬氏體板條與所述奧氏體薄膜之間的界面處或者所述鐵氧體區(qū)與所述馬氏體-奧氏體區(qū)之間的界面處基本上沒(méi)有碳化物沉淀。
10.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述微結(jié)構(gòu)還包含基本無(wú)碳化物沉淀的鐵氧體區(qū)。
11.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述馬氏體-奧氏體區(qū)基本不含碳化物沉淀。
12.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述微結(jié)構(gòu)由馬氏體-奧氏體區(qū)，與馬氏體-奧氏體區(qū)相鄰的鐵氧體區(qū)和分散于鐵氧體區(qū)內(nèi)部的碳化物沉淀構(gòu)成，所述馬氏體-奧氏體區(qū)由馬氏體板條和與之交替排列的奧氏體薄膜構(gòu)成，所述馬氏體板條與所述奧氏體薄膜之間的界面處或者所述鐵氧體區(qū)與所述馬氏體-奧氏體區(qū)之間的界面處基本上沒(méi)有碳化物沉淀。
13.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述合金元素還包含約0.1-3％硅。
14.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述微結(jié)構(gòu)包含直徑為10微米或更小的晶粒，各晶粒包含馬氏體-奧氏體區(qū)和與之相鄰的鐵氧體區(qū)。
15.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述碳化物沉淀的最長(zhǎng)尺寸約為150nm或更小。
16.如權(quán)利要求9所述的合金碳素鋼，所述碳化物沉淀的最長(zhǎng)尺寸約為50-150nm。
全文摘要
具有高強(qiáng)度、高延展性和抗腐蝕綜合特性的碳素鋼，其微結(jié)構(gòu)含有鐵氧體區(qū)和馬氏體－奧氏體區(qū)，鐵氧體內(nèi)部含有碳化物沉淀但在不同相之間的界面處沒(méi)有。因此，所述微結(jié)構(gòu)含有四相被奧氏體薄膜(2)隔開(kāi)的馬氏體板條(1)，含有碳化物沉淀(4)的鐵氧體區(qū)(3)。某些實(shí)施方式中，微結(jié)構(gòu)還含有無(wú)碳化物的鐵氧體區(qū)。
文檔編號(hào)C22C38/34GK101090987SQ200580044991
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
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