CN102165086B

CN102165086B - 高强度、高韧性钢合金

Info

Publication number: CN102165086B
Application number: CN200980137486.0A
Authority: CN
Inventors: P.M.诺沃特尼
Original assignee: CRS Holdings LLC
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: CA2731754C; BRPI0911732B1; TW201009095A; BRPI0911732A2; WO2010011447A2; WO2010011447A3; RU2011106360A; TWI440723B; US10472706B2; US20180030579A1; CA2731754A1; EP2313535B1; US20100018613A1; US20190249281A1; JP5868704B2; MX2011000918A; CN102165086A; RU2482212C2; EP2313535A2; KR101363674B1

Abstract

公开了高强度、高韧性的钢合金。该合金具有下面的宽的wt%组成。包括在余量中的是在为类似的用途和性能所生产的工业级的钢合金中见到的常规杂质。也公开的是具有非常高的强度和断裂韧性的硬化和回火的制品。该制品是由具有以上所述的宽的wt%组成的合金所形成的。根据本发明的这一方面的合金制品进一步特征于在约500华氏度到600华氏度的温度下回火。

Description

高强度、高韧性钢合金

技术领域

本发明涉及高强度、高韧性钢合金，尤其涉及能够在显著更高的温度下回火但没有拉伸强度的明显损失的此类合金。本发明还涉及高强度、高韧性、回火的钢制品。

背景技术

提供非常高的强度与断裂韧性的结合的可时效硬化（Age-hardenable）的马氏体钢是已知的。已知的钢中有描述在美国专利No. 4,706,525和美国专利No. 5,087,415中的那些。前者已知为AF1410合金，后者是以注册商标AERMET销售的。由这些合金提供的非常高的强度和韧性的结合是它们的组成的结果，该组成包括大量的镍、钴和钼元素，这些元素是可利用的最昂贵的成合金元素中典型的元素。因此，这些钢是以高的价格销售的，与不含此类元素的其它合金相比。

新近，已经开发钢合金，它提供高强度和高韧性的结合但不需要合金化添加剂如钴和钼。一种此类钢描述在美国专利No. 7,067,019中。描述在该专利中的钢是排除钴和钼的空气硬化性CuNiCr钢。在试验中，描述在‘019专利中的合金已经表明提供约280 ksi的拉伸强度与约90 ksi√in的断裂韧性。该合金被硬化和回火，以实现强度和韧性的结合。该回火温度限于不超过约400℉，以避免合金的软化和强度的相应损失。

描述在‘019专利中的合金不是不锈钢，因此，它必须镀覆以抵抗腐蚀。该合金的宇宙空间应用的材料规格要求该合金在镀覆之后在375℉加热至少23小时，以便除去在镀覆过程中所吸附的氢。氢必须被除去，因为它导致该合金的变脆和不利地影响由该合金所提供的韧性。因为这一合金在400℉回火，所以该23小时375℉镀覆后热处理会导致从该合金制造的部件的过度回火，使得不能提供至少280 ksi的拉伸强度。希望有如下CuNiCr合金：它能够被硬化和回火以提供至少280 ksi的拉伸强度和约90 ksi√in的断裂韧性，并且当在硬化和回火之后在约375℉加热至少23小时时维持强度和韧性的结合。

发明内容

如上所述的已知合金的缺点通过根据本发明的合金在较大程度上得到解决。根据本发明的一个方面，提供高强度、高韧性钢合金，它具有下面宽的和优选的wt%组成。

元素	宽的	优选的
			C	0.35-0.55	0.37-0.50
Mn	0.6-1.2	0.7-0.9
			Si	0.9-2.5	1.3-2.1
P	最多0.01	最多0.005
			S	最多0.001	最多0.0005
Cr	0.75-2.0	1.2-1.5
			Ni	3.5-7.0	3.7-4.5
Mo +1/2 W	0.4-1.3	0.5-1.1
			Cu	0.5-0.6	0.5-0.6
Co	最多0.01	最多0.01
			V +(5/9)×Nb	0.2-1.0	0.2-1.0
Fe	余量	余量

包括在余量中的是在为类似的用途和性能所生产的工业级的钢合金中见到的常规杂质。在前述wt%范围内，硅、铜和钒被平衡化以使得：

2 ≤ (%Si + %Cu)/(%V+(5/9)x%Nb) ≤ 14 。

上述列表是作为适宜的概要而提供并且不希望限制各个元素当彼此相结合使用时的范围的下限值和上限值，或限制仅仅彼此相结合使用时的元素的范围。因此，一个或多个的范围能够与剩余元素的一个或多个的其它范围一起使用。另外，宽或优选的组成的元素的最低或最高值能够与在另一个优选或中间的组成中的相同元素的最低或最高值一起使用。此外，根据本发明的合金可以包括上述和在整个本申请中描述的成分元素，或基本由所述成分元素所组成。这里和在整个说明书中，术语“百分数”或符号“%”是指wt%或质量百分数，除非另作说明。

根据本发明的另一个方面，提供具有非常高的强度和断裂韧性的硬化和回火的钢合金制品。该制品是由具有以上所述的宽或优选的wt%组成的合金所形成的。根据本发明的这一方面的合金制品进一步特征在于在约500℉到600℉的温度回火。

具体实施方式

根据本发明的合金含有至少约0.35%和优选至少约0.37%的碳。碳有助于由该合金提供的高强度和硬度能力。碳也有益于该合金的耐回火性。太多的碳会不利地影响由该合金提供的韧性。因此，碳限于不超过约0.55%，更好不超过约0.50%，和优选不超过约0.45%。

至少约0.6%，更好至少约0.7%，和优选至少约0.8%的锰存在于该合金中主要地使该合金脱氧。已经发现锰也有益于由该合金所提供的高强度。如果存在太多的锰，则在硬化和骤冷过程中可得到不合意量的残余奥氏体，使得由该合金提供的高强度不利地受影响。因此，该合金含有不超过约1.2%和优选不超过约0.9%的锰。

硅有益于该合金的可硬化性和抗回火性。因此，该合金含有至少约0.9%硅和优选至少约1.3%硅。太多的硅会不利地影响该合金的硬度、强度和延性。为了避免该不利影响，硅限于不超过在该合金中约2.5%和优选不超过约2.1%。

该合金含有至少约0.75%铬，因为铬有助于由该合金提供的良好可硬化性，高强度和抗回火性。优选，该合金含有至少约1.0%，和更好至少约1.2%铬。在合金中高于约2%铬将不利地影响由该合金提供的冲击韧性和延性。优选，铬限于不超过在该合金中约1.5%并且更好不超过约1.35%。

镍有益于由本发明的合金提供的良好韧性。因此，该合金含有至少约3.5%镍和优选至少约3.7%镍。由较大量的镍提供的益处将不利地影响该合金的成本同时却没有提供显著的优点。为了限制该合金的上涨成本，镍限于在合金中不超过约7%和优选不超过约4.5%。

钼是碳化物形成剂，后者有益于由该合金提供的抗回火性。钼的存在提升该合金的回火温度，使得在约500℉实现二次硬化效果。钼也有助于由该合金提供的强度和断裂韧性。当该合金含有至少约0.4%钼和优选至少约0.5%钼时，实现了由钼提供的益处。与镍相似，相对于添加更大量的钼时较大的成本提高，钼无法提供在性能上的更多优点。因此，该合金含有不超过约1.3%钼和优选不超过约1.1%钼。钨可以替代该合金中的一些或全部的钼。当存在时，按照2 : 1基础钨替代钼。当该合金含有低于约0.01%钼时，包括约0.8－约2.6 %，优选约1.0－2.2%钨有益于由该合金提供的抗回火性、强度和韧性。

该合金优选含有至少约0.5%铜，这有助于该合金的可硬化性和冲击韧性。太多的铜能够导致不合意量的自由铜在该合金基质中的沉淀并且不利地影响该合金的断裂韧性。因此，不超过约0.6%的铜存在于该合金中。

钒有助于由该合金所提供的高强度和良好可硬化性。钒也是碳化物形成剂并且促进碳化物的形成，该碳化物帮助提供在合金中的晶粒细化并且有益于该合金的抗回火性和二次硬化。考虑到那些原因，该合金优选含有至少约0.25%钒。太多的钒将不利地影响该合金的强度，这是因为在合金中较大量的碳化物的形成，该碳化物从合金基质材料中消耗碳。因此，该合金含有不超过约0.35%钒。铌能够替代在该合金中的一些或全部的钒，因为与钒一样，铌与碳相结合形成M₄C₃碳化物，后者有益于该合金的抗回火性和可硬化性。当存在时，按照1.8:1铌替代钒。当钒限于不超过约0.01%时，该合金含有约0.2－约1.0%铌。

该合金也可含有在合金的熔化过程中源自添加剂的至多约0.005%的少量钙，以便帮助除去硫和因此有益于由该合金提供的断裂韧性。

硅、铜、钒和当存在时的铌优选在它们的上述wt%范围内被平衡化，以有益于表征该合金的强度和韧性的新型组合。更具体地说，比率(%Si + %Cu)/(%V + (5/9) x %Nb)优选是约2－14，和更好约6－12。相信当在该合金中存在的硅、铜和钒的量根据该比率被平衡时，通过防止脆性相和杂质元素（tramp elements）在晶粒边界上形成，该合金的晶粒边界得到增强。

该合金的余量基本上是铁和在工业级的类似合金和钢中见到的常规杂质。在这方面，该合金优选含有不超过约0.01%，更好不超过约0.005%磷和不超过约0.001%，更好不超过约0.0005%的硫。该合金优选含有不超过约0.01%钴。钛可以以来自脱氧添加剂的残留量存在并且优选限于不超过约0.01%。

在上述wt%范围内，所述元素能够平衡化以提供不同水平的拉伸强度。因此，例如，在约500℉回火3小时之后，含有约0.38% C，0.84% Mn，1.51% Si，1.25% Cr，3.78% Ni，0.50% Mo，0.55% Cu，0.29% V，且余量基本是Fe的合金组成已经发现提供超过290 ksi的拉伸强度与大于80 ksi√in的K_Ic断裂韧性。在约500℉回火3小时之后，含有约0.40% C，0.84%Mn，1.97% Si，1.26% Cr，3.78% Ni，1.01% Mo，0.56% Cu，0.30% V，且余量基本是Fe的合金组成已经发现提供超过310 ksi的拉伸强度与大于60 ksi√in的K_Ic断裂韧性。此外，在约300℉回火2.5小时加上2.5小时之后，含有约0.50% C，0.69% Mn，1.38% Si，1.30% Cr，3.99% Ni，0.50% Mo，0.55% Cu，0.29% V，且余量基本是Fe的合金组成已经发现提供超过340 ksi的拉伸强度与大于30 ksi√in的K_Ic断裂韧性。

不需要特殊的熔化技术来制造根据本发明的合金。该合金优选是真空感应熔化(VIM)和，当希望用于关键应用时，通过使用真空电弧再熔化(VAR)来精炼。可以相信该合金也能够在空气中电弧熔化。在空气中熔化后，该合金优选通过电渣重熔(ESR)或VAR来精炼。

本发明的合金优选从约2100℉的温度进行热加工，以形成各种的中间产品形式如坯段和棒条。该合金优选通过在约1585℉到约1635℉奥氏体化大约30－45分钟来进行热处理。该合金然后从该奥氏体化温度空冷或油骤冷。该合金优选被深冷到-100℉或-320℉保持至少约一个小时，然后在空气中回温。该合金优选在约500℉回火约3小时，然后空冷。当不需要强度和韧性的最优组合时，该合金可以在至多600℉回火。

本发明的合金可用于宽范围的应用中。该合金的非常高的强度和好的断裂韧性使得它可用于机床零件以及用于飞行器的结构部件（包括飞机起落架）。本发明的合金也可用于汽车零件，其中包括但不限于，结构元件、驱动轴、弹簧和曲轴。相信该合金也可用于装甲板、片和条。

工作实施例

生产七炉（heats）的35磅VIM钢水以便用于评价。所述炉钢水的wt%组成在下表1中阐述。全部这些炉钢水通过使用超净原材料熔化并且将钙用作脱硫添加剂。这些炉钢水铸造成4英寸正方形锭。该钢锭从约2100℉的起始温度锻造成2.25英寸正方形钢条。该钢条被切成较短的长度，并且所述较短长度钢条的一半再次从2100℉的起始温度进一步锻造成1英寸正方形钢条。该1英寸钢条被切成更短的长度，然后从2100℉锻造成3/4英寸正方形钢条。

该3/4英寸正方形钢条以及剩余部分的该2.25英寸正方形钢条在1050℉退火6小时，然后在空气中冷却到室温。用于拉伸试验的标准试样和用于Charpy V形缺口冲击试验的标准试样是从每一炉钢水的该3/4英寸钢条制备的。从每一炉钢水的该2.25英寸正方形钢条制备用于断裂韧性试验的标准紧凑的拉伸块（compact tension blocks）。全部的试样在1585℉热处理30分钟，然后空冷。测试试样然后在-100℉冷冻1小时和在空气中回温至室温。每一炉钢水的双份试样然后在三种不同温度（400℉，500℉和600℉）当中的一种温度下，通过在各自温度下保持3小时来回火。该回火后的试样然后空冷到室温。

对于回火后的试样的机械、Charpy V形缺口和断裂韧性试验的结果在下面的表II中给出，其中包括0.2%条件屈服强度(Y.S.)和极限拉伸强度(U.T.S.)（单位ksi），延伸百分比(Elong.)，面积减少百分比(R.A.)，Charpy V形缺口冲击能(CVN I.E.)（单位ft-lbs），和K_Ic断裂韧性(K_Ic)（单位ksi√in）。

表 II

在表II中给出的数据表明，炉钢水1484（它具有根据这里所述的合金的wt%组成）是在500℉回火之后提供280 ksi的拉伸强度和至少90 ksi√in的断裂韧性的唯一合金组成。

在这里使用的术语和表达短语用作叙述的术语并且没有限制意义。在此类术语和表达短语的使用中没有试图排除所示和所述的特征的任何等同物或其部分。可以认识到，各种的改变在这里所述和所要求的本发明内是可能的。

Claims

1.具有好的抗回火性的高强度、高韧性钢合金，该合金特征在于包括，按wt%：

C 0.35-0.5

Mn 0.6-1.2

Si 0.9-2.1

Cr 1.0-1.5

Ni 3.5-4.5

Mo+ 1/2 W 0.4-1.1

Cu 0.5-0.6

V + (5/9) x Nb 0.25-0.35

余量是铁和通常的杂质，其中所述杂质包括不超过0.01wt%的P、不超过0.001wt%的S和不超过0.01wt%的Co，和其中选择Si、Cu、V和Nb的量使得

2 ≤ (%Si + %Cu)/(%V + (5/9) x %Nb) ≤ 14，

其中所述合金通过在1585-1635℉下加热30-45分钟，空冷或油骤冷，在-100℉下深冷保持至少一个小时，在空气中回温，在500℉回火3小时，然后空冷，从而硬化时，该合金提供280 ksi的拉伸强度和90 ksi√in的K_Ic断裂韧性的结合。

2.根据权利要求1所要求的合金，其中 6 ≤ (%Si + %Cu)/(%V + (5/9) x %Nb) ≤12。

3.根据权利要求1所要求的合金，它含有0.8-2.2% 钨和0.45-0.63%铌。

4.根据权利要求1所要求的合金，它含有0.5-1.1% 钼和0.25-0.35%钒。

5.根据权利要求1所要求的合金，它含有1.0-2.2% 钨和0.45-0.63%铌。

6.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有0.37-0.5%碳。

7.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有0.35-0.45%碳。

8.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有1.3-2.1%硅。

9.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有3.7-4.5%镍。

10.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有3.5-4.2%镍。

11.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有1.2-1.5%铬。

12.根据前述权利要求1-5中任何一项所要求的合金，它含有1.0-1.35%铬。

13.根据权利要求1的合金，进一步特征于包括，按wt%：

C 0.37-0.50

Mn 0.7-1.2

Si 1.3-2.1

Ni 3.7-4.5

余量是铁和通常的杂质，其中所述杂质包括不超过0.005wt%的P、不超过0.0005wt%的S和不超过0.01wt%的Co，和其中

6 ≤ (%Si + %Cu)/(%V + (5/9) x %Nb) ≤ 12。

14.根据权利要求1的合金，进一步特征于包括，按wt%：

碳 0.37-0.45

锰 0.7-1.2

硅 1.3-2.1

铬 1.2-1.35

镍 3.7-4.2

钼 0.4-1.1

钒 0.25-0.35

余量是铁和通常的杂质，其中所述杂质包括不超过0.005wt%的磷、不超过0.0005wt%的硫和不超过0.01wt%的钴，和其中

6 ≤ (%Si +%Cu)/%V ≤ 12。

15.根据权利要求1的合金，进一步特征于包括，按wt%：

C 0.37-0.50

Mn 0.7-1.2

Si 1.3-2.1

Ni 3.7-4.5

W 1.0-2.2

Nb 0.45-0.63

V 最多0.01

余量是铁和通常的杂质，其中所述杂质包括不超过0.005wt%的P、不超过0.0005wt%的S和不超过0.01wt%的Co；和其中

6 ≤ (%Si + %Cu)/(%V + (5/9) x %Nb) ≤ 12。