CN103502498A - 高强度、高韧性钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度、高韧性钢。所述合金具有如下重量百分比组分：元素C 0.30-0.47、Mn 0.8-1.3、Si 1.5-2.5、Cr 1.5-2.5、Ni 3.0-5.0、Mo+1/2W 0.7-0.9、Cu 0.70-0.90、Co最多0.01、V+(5/9)×Nb 0.10-0.25、Ti最多0.005、Al最多0.015，Fe余量。余量中包括为相似用途和性能制造的商品级钢中常见的杂质，包括不超过约0.01％的磷，不超过约0.001％的硫。还公开了一种调质制品，其具有非常高的强度和断裂韧性。该制品由具有前述重量百分比组成的合金制成。本发明的该合金制品特征还在于在约500℉-600℉的温度回火。

Description

高强度、高韧性钢
背景技术
所属领域
本发明涉及一种高强度、高韧性钢，具体地，涉及能够在高得多的温度下回火而不会显著降低拉伸强度的合金。本发明还涉及一种高强度、高韧性、回火钢制品。
相关技术的描述
具有非常高的强度和断裂韧性的组合的时效硬化马氏体钢是已知的。在已知的钢中包括在美国专利号4076525和美国专利号5087415中描述的那些。前者被称为AF1410合金，后者以注册商标AERMET出售。这些合金提供的非常高的强度和韧性的组合是它们的组成的结果，其中包含显著量的镍、钴、钼，这些元素通常是最昂贵的合金元素。因此，相比其他不包含这些元素的合金，这些钢以高得多的溢价出售。
最近，开发了一种钢合金，其提供了高强度和高韧性的组合，而无需诸如钴和钼这类合金化添加剂。美国专利号7067019中描述了一种这样的钢。在该专利中所述的钢是一种空气硬化CuNiCr钢，不包含钴和钼。在测试中，在′019专利中所述的合金已被证明能够提供的约280ksi的拉伸强度和约90ksi√in的断裂韧性。该合金通过调质(hardened and tempered)来实现这一强度和韧性的组合。回火温度被限制到不超过约400°F，以避免合金软化和相应的强度损失。
′019专利中所述的合金不是不锈钢，因此，它必须进行镀覆以抗腐蚀。用于航空航天用途的合金的材料规格要求，该合金在镀覆之后在375°F加热至少23小时，以除去在镀覆过程中吸附的氢。氢必须被除去，因为它会导致合金的脆化，并对合金提供的韧性产生不利影响。因为这种合金在400°F回火，该23小时375°F的镀覆后的热处理会导致该合金制成的部件的过回火，使得其不能提供至少为280ksi的拉伸强度。期望获得一种CuNiCr合金，其可被调质以提供至少280ksi的拉伸强度，和约90ksi√in的断裂韧性，且当在调质后在约375°F加热至少23小时时仍能保持该强度和韧性的组合。
发明概述
如上所述的已知合金的缺点在很大程度通过本发明的合金得以解决。在根据本发明的一个方面，提供一种高强度、高韧性的钢合金，其具有以下宽的和优选的重量百分比组成。
Figure BPA0000176913940000021
余量中包括在为相似用途和性能而制造的商品级钢合金中出现的常见杂质。在所述杂质中，磷优选限制为不超过约0.01％，硫优选限制为不超过约0.001％。在上述重量百分比范围内，硅、铜、钒保持以下平衡关系，即
             2＜(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)＜34。
上述制表作为一种方便的概括提供，不意在限制各个元素的范围的下限和上限彼此联合使用，或限制所述元素的范围仅相互结合使用。因此，一个或多个范围可以与其余元素的一个或多个其它范围联合使用。此外，宽的或优选的组成中元素的最小或最大值，可用于与另一个优选的或中间组成中的同一元素的最小值或最大值结合。此外，根据本发明的合金可以包含、基本上由、或由在上面和本申请各处所述的组成元素构成。除非另有规定，在说明书各处术语“百分比”或符号“％”表示重量百分比或质量百分比。
在根据本发明的另一个方面，提供了一种具有非常高的强度和断裂韧性的调质钢制品。该制品由具有上述宽的或优选的重量百分比组成的合金制成。根据本发明的此方面的合金制品的特征还在于约500°F至600°F的温度下回火。
发明的详细说明
根据本发明的合金包含至少约0.30％，优选至少约0.32％的碳。碳对合金的高强度和硬度有贡献。当期望更高的强度和硬度时，优选地合金包含至少约0.40％的碳(例如，优选C)。碳也有利于这种合金的耐回火性。太多的碳会对合金所提供的韧性产生不利影响。因此，碳被限制到不超过约0.55％，更好的是不超过约0.50％，和优选不超过约0.47％。本发明人发现，当合金中含至少0.30％的碳，碳的上限可以被限制到不超过约0.40％，且可以平衡(balance)该合金的成分(例如，优选B)以提供至少290ksi的拉伸强度。
该合金中存在至少约0.6％，更好的是至少约0.7％，优选至少约0.8％的锰，主要用于脱氧。人们已经发现，锰也对合金的高强度有利。因此，当需要更高的强度时，该合金包含至少约1.0％的锰。如果存在太多的锰，则可能会导致在硬化和淬火过程中产生不希望的残余奥氏体量，从而对合金所提供的高强度产生不利影响。因此，该合金可含有最多约1.3％的锰。在其它情形下，该合金含有不超过约1.2％，或不超过约0.9％的锰。
硅有利于该合金的硬化性和耐回火性。因此，该合金包含至少约0.9％的硅，优选至少约1.3％的硅。当需要较高的硬度和强度时，合金中存在至少约1.5％，优选至少约1.9％的硅。太多的硅会对合金的硬度、强度和延展性产生不利影响。为了避免这种不利影响，在该合金中，硅被限制为不超过约2.5％，优选不超过约2.2％或2.1％。
该合金包含至少约0.75％的铬，因为含铬的合金所提供的硬化性好、强度高、耐回火性好。优选地，所述合金包含至少约1.0％，更好的是至少约1.2％的铬。当合金中含有至少约1.5％，优选至少约1.7％的铬时，可提供更高的强度。合金中含有大于约2.5％的铬会对合金所提供的冲击韧性及延展性产生不利影响。在该合金的高强度的实施方案中，铬优选限制到不超过约1.9％。在其它情形下，在该合金中铬被限制到不超过约1.5％，更好的是不超过约1.35％。
镍有利于本发明的合金提供良好的韧性。因此，该合金包含至少约3.0％的镍，优选至少约3.1％的镍。合金的一个优选实施方案(例如，优选A)含有至少约3.7％的镍。当平衡(balance)该合金以提供更高的强度时，优选含有至少约4.0％，更好的是至少约4.6％的镍。由更大的量的镍提供的优点会对合金的成本产生不利影响，而不会带来显著的优点。为了限制合金成本上限，镍量被限制为不超过约7％。因此，强度最高的合金的实施方案(例如，优选C)，可存在最多约5.0％的镍，优选最多约4.9％的镍。在强度较低的实施方案中(例如，优选A和优选B)合金含有不超过约4.5％的镍。
钼是碳化物形成元素，对该合金所提供的耐回火性是有益的。钼提高了合金的回火温度，使得在约500°F实现二次硬化效果。钼也对合金所提供的强度和断裂韧性有所贡献。当合金中含有至少约0.4％的钼，优选至少约0.5％的钼时，能够实现钼提供的益处。为了更高的强度，该合金包含至少约0.7％的钼。如同镍一样，相对于加入更大的量的钼带来成本的显著增加，钼不提供增大的性能提升。出于这个原因，在较高强度形式的合金(优选B和优选C)中，含有不超过约1.3％的钼，更好的是不超过约1.1％的钼，优选不超过约0.9％的钼。钨可以取代该合金中的部分或全部的钼。当存在时，钨以2∶1的基准取代钼。
该合金优选含有至少约0.5％的铜，其有助于合金的硬化性和冲击韧性。期望更高的强度时，该合金包含至少约0.7％的铜。过量的铜可能会在合金基体中导致不希望的量的游离铜沉淀，并对该合金的断裂韧性产生不利影响。因此，不超过约0.9％，优选不超过约0.85％的铜存在于该合金中。当不需要非常高的强度时，铜可以被限制在最多约0.6％。
钒有助于该合金的高强度和良好的硬化性。钒也是碳化物形成元素，促进有助于在合金中提供晶粒细化和有利于合金的耐回火性及二次硬化的碳化物的形成。出于这些原因，合金中优选包含至少约0.10％，更优选至少约0.14％的钒。太多钒会对合金的强度产生不利影响，因为合金中的形成更大量的碳化物，其会耗尽合金基体材料中的碳。因此，该合金可以含有最多约1.0％的钒，但优选包含不超过约0.35％的钒。在较高强度的合金的实施方案中(优选B和优选C)，钒被限制到不超过约0.25％，优选不超过约0.22％。在该合金中，铌可替代部分或所有的钒，因为像钒一样，铌与碳结合形成M4C3碳化物，该碳化物有利于合金的耐回火性和硬化性。当存在时，铌以1.8：1的基准取代钒。
该合金也可含有少量的钙，最多约0.005％，其残留自合金的熔融过程中的添加物，以帮助除硫，由此有利于合金提供的断裂韧性。
硅、铜、钒、以及当存在时铌，优选在它们的上述重量百分比范围内加以平衡，以有利于该合金的强度和韧性的新颖的组合。更具体地，比率(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)x％Nb)为2到34。对于低于约290ksi的强度水平时，该比率优选为约6-12。对于290ksi和更高的强度水平，应平衡该合金使得该比率为约14.5至约34。据认为当按照上述比例平衡合金中的硅、铜和钒的量时，通过防止在晶界上形成脆化相和夹入元素而强化了合金的晶界。
合金余量中主要为铁和在商品级的类似合金和钢中常见的杂质。就这一点而言，优选地该合金包含不超过约0.01重量％、更好的是不超过约0.005％的磷，和不超过约0.001％、更好的是不超过约0.0005％的硫。优选地该合金包含不超过约0.01％的钴。钛可能以最多约0.01％的残余量存在，其来自熔融过程中的脱氧添加物，优选限制为不超过约0.005％。该合金中还可以存在最多约0.015％的铝，其来自熔炼过程中的脱氧添加物。
平衡根据优选的组成B和C的合金，以在调质条件下提供非常高的强度和韧性。就这一点而言，平衡该优选的B组成以提供至少约290ksi的拉伸强度，同时结合良好的韧性，以KIc所指示的断裂韧性为至少约70ksi√in。此外，对于需要更高的强度和良好的韧性的应用，平衡该优选的C组成以提供至少约310ksi的拉伸强度和至少约50ksi√in的KIc断裂韧性的结合。
根据本发明的合金不需要特定的熔炼技术。该合金优选真空感应熔融(VIM)，当对于关键应用来说需要时，使用真空电弧重熔(VAR)精炼。如果需要的话，也可以在空气电弧熔融(ARC)该合金。在ARC熔融后，可以通过电渣重熔(ESR)或VAR来精炼该合金。
本发明的合金优选在最高约2100°F的温度下进行热作，优选在约1800°F，以形成各种中间产品形式，例如坯料和棒材。合金优选通过在约1585°F至约1735°F奥氏体化约1-2小时来进行热处理。然后，将该合金从奥氏体化温度空冷或油淬。需要时，可对该合金进行真空热处理和气淬。优选将该合金深冷至-100°F或-320°F约1-8小时，然后在空气中回温(warm)。优选将该合金在约500°F进行约2-3小时的回火，然后空冷。当不需要强度和韧性的最佳组合时，可将该合金在最高600°F回火。
本发明的合金可用于很宽范围的应用。该合金的非常高的强度和良好的断裂韧性，使得其可用于机床部件，也可以用于飞机结构部件，包括起落架。本发明的合金还可用于汽车零部件，包括但不限于，结构构件、驱动轴、弹簧和曲轴。据信该合金还可用于装甲板，片材，和棒材。
实施例
制备两炉具有如下表1中所示的重量百分比组成的400镑的熔炼(heats)，以用于后续的评价。这两炉熔炼都真空感应熔融，然后浇注为7.5英寸的方锭。将该锭在2300°F加热足够长的时间，以使合金均匀化。然后将该锭从1800°F的温度热作成3-1/2英寸×5英寸的棒材。然后将该棒材再加热到1800°F，且每个棒材的一部分进一步热作至1-1/2英寸×4-5/8英寸的横截面。该热作与根据需要的中间形式的再加热保持一致进行。锻造后，使板材在空气中冷却至室温。将冷却的棒材各自在两个截面尺寸之间的交界处切成两段。将所述棒材段在1250°F退火8小时，然后在空气中冷却。
表1
元素 熔炼1 熔炼2
C 0.35 0.41
Mn 1.17 1.18
Si 2.00 2.02
P 0.008 0.007
S ＜0.0005 0.0006
Cr 1.74 1.74
Ni 3.24 4.75
Mo 0.77 0.76
Cu 0.79 0.79
Co ＜0.01
Ti 0.006 0.006
Al 0.007 0.008
N 0.0032 0.0036
O 0.0010 ＜0.0010
V 0.19 0.19
Fe 余量 余量
由该棒材段制备标准拉伸、夏比V型缺口、断裂韧性和硬度测试试样，包括纵向和横向。测试试样进行如下热处理以进行测试。熔炼1的试样在真空炉中于1685°F奥氏体化1.5小时，然后气淬。将淬火状态的试样在-100°F深冷8小时，然后在空气中回温至室温。最后，将试样在500°F回火2小时，然后从回火温度空冷。熔炼2的试样在真空炉中于1735°F奥氏体化2小时，然后气淬。将淬火状态的试样在-100°F深冷8小时，然后在空气中回温至室温。最后，将试样在500°F回火2小时，然后从回火温度空冷。
室温拉伸、夏比V型缺口、KIc断裂韧性测试的结果示于以下的表2A和2B中，包括0.2％残余变形屈服强度(YS)和以ksi表示的极限拉伸强度(U.T.S.)，伸长率(％El)，断面缩减百分比(％R.A.)，以英尺磅(ft-lbs)表示的V型缺口冲击强度(CVN)，以ksi√in表示的步进负载(rising step load)KIc断裂韧性，和洛氏C硬度(HRC)。步进负载断裂韧性试验按照ASTM标准测试程序E399，E812，E1290进行。表2A显示的是熔炼1的结果和表2B显示的是熔炼2的结果。
表2A
Figure BPA0000176913940000071
*＝不包括在平均之中-因为性能低而不能获得
表2B
Figure BPA0000176913940000081
**＝拉伸试样断裂
本文所用的术语和表述用来描述而不是限制。没有意图，在使用这些术语和表述中无意排除示出和描述的特征或其部分的任何等价物。人们能够认识到在本文描述和要求保护的发明内有各种修改。

Claims (27)

1.一种具有良好的耐回火性的高强度高韧性钢合金，所述合金包含，以重量百分计，大约：
C  0.30-0.47
Mn 0.8-1.3
Si 1.5-2.5
Cr 1.5-2.5
Ni 3.0-5.0
Mo+1/2W0.7-0.9
Cu 0.70-0.90
Co 最多0.01
V+(5/9)×Nb 0.10-0.25
Ti 最多0.005
Al 最多0.015
余量是铁和常见杂质，其中磷限制在最多约0.01％，硫限制在最多不超过约0.001％，且其中
2≤(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)≤34。
2.如权利要求1所述的合金，其包含不超过约0.40％的碳。
3.如权利要求1所述的合金，其包含至少约0.40％的碳。
4.如权利要求1所述的合金，其包含不超过约4.5％的镍。
5.如权利要求1所述的合金，其包含至少约4.0％的镍。
6.如权利要求1所述的合金，其包含不超过约1.2％的锰。
7.如权利要求1所述的合金，其包含至少约1.0％的锰。
8.如权利要求1所述的合金，其包含至少约1.7％的铬。
9.如权利要求1所述的合金，其中6≤(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)≤12。
10.如权利要求1所述的合金，其中14.5≤(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)≤34。
11.如权利要求1所述的合金，其中碳限制在约0.3-0.4％，镍限制在约3.0-4.5％，且6≤(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)≤12。
12.如权利要求11所述的合金，其包含至少约3.7％的镍。
13.如权利要求11所述的合金，其包含不超过约2.2％的硅。
14.如权利要求11所述的合金，其包含至少约0.32％的碳。
15.如权利要求11所述的合金，其包含不超过约1.2％的锰。
16.如权利要求11所述的合金，其包含不超过约0.85％的铜。
17.如权利要求11所述的合金，其中％V+(5/9)×％Nb为至少约0.14％。
18.如权利要求11所述的合金，其中％V+(5/9)×％Nb不超过约0.22％。
19.如权利要求1所述的合金，其中碳限制在约0.4-0.47％，镍限制在约4.0-5.0％，且14.5≤(％Si+％Cu)/(％V+(5/9)×％Nb)≤34。
20.如权利要求19所述的合金，其包含至少约4.6％的镍。
21.如权利要求19所述的合金，其包含不超过约2.2％的硅。
22.如权利要求19所述的合金，其包含至少约1.0％的锰。
23.如权利要求19所述的合金，其包含至少约1.9％的硅。
24.如权利要求19所述的合金，其包含至少约1.7％的铬。
25.如权利要求19所述的合金，其包含不超过约1.9％的铬。
26.如权利要求19所述的合金，其包含不超过约0.85％的铜。
27.一种调质合金制品，其具有非常高的强度和断裂韧性，由如权利要求1-26中任一项所述的合金制成，所述制品特征在于在500°F进行回火后具有至少290ksi的拉伸强度和至少50ksi√in的KIc断裂韧性。
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