CN103608480B - 气硬性抗震钢合金、所述合金的制备方法以及包括所述合金的物品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气硬性钢合金，以重量百分比计，其包含：0.18到0.26碳；3.50到4.00镍；1.60到2.00铬；0到0.50钼；0.80到1.20锰；0.25到0.45硅；0到少于0.005钛；0到少于0.020磷；0到至多0.005硼；0到至多0.003硫；铁；以及杂质。所述气硬性钢合金具有在352HBW到460HBW范围内的布氏硬度。与某些已知气硬性钢合金相比，所述气硬性钢合金兼备高强度、中等硬度以及韧性，并且在（例如）钢装甲、爆炸防护壳、爆炸防护V型壳、爆炸防护车辆底部以及爆炸防护罩中得到应用。
Description
技术领域
本公开是针对气硬性抗震钢合金和包括所述合金的物品的领域。
背景技术
本公开涉及展现有利强度、硬度以及韧性的新颖气硬性钢合金。本公开的所述气硬性钢合金可以用于例如为结构和车辆提供爆炸和/或冲击防护，并且还可以包括在各种其他制品中。本公开进一步涉及处理某些钢合金的方法，所述方法可改善对与爆炸事件相关的残余和动态变形以及破碎的抗性。
当前用于爆炸或冲击防护的材料主要是美国军用规范MIL-DTL-12506J下的2类轧制均质装甲（Rolled Homogeneous Armor，RHA）钢和打算用于需要对冲击负载的高速率具有最大抗性而抗穿甲弹穿透性为次要的领域中的其他低碳钢。2类RHA钢经过水淬火和回火达到302HBW（布氏硬度数）的最大硬度以赋予延展性和抗冲击性。这类RHA钢因此主要打算用作针对防坦克地雷、手榴弹、爆破弹及其他生产爆炸的武器的防护。然而，MIL-DTL-12560J规定的2类RHA钢和其他低碳钢典型地缺乏可显著抵抗与爆炸事件相关的残余和动态变形以及破碎的高强度和硬度。
2类RHA钢典型地为经由热处理（奥氏体化）、水淬火以及回火来获得其性质的低合金碳钢。水淬火可能是不利的，因为它可以导致钢过度变形和产生残余应力。经过水淬火的钢还可能在焊接后展现较大热影响区（HAZ）。另外，经过水淬火的钢需要在热成形后进行额外热处理，随后进行水淬火和回火，以恢复所希望的机械性质。
因此，提供与2类RHA低合金碳钢相比展现较高强度以及高延展性和韧性的钢合金将是有利的，该钢合金可以获得减少爆炸事件中存在的动态和残余变形所需的所要机械性质，而且可排除或减少与2类RHA材料的水淬火相关的问题。
发明内容
根据本公开的一个非限制性方面，一种气硬性钢合金以重量百分比计包含：0.18到0.26碳；3.50到4.00镍；1.60到2.00铬；0到至多0.50钼；0.80到1.20锰；0.25到0.45硅；0到少于0.005钛；0到少于0.020磷；0到至多0.005硼；0到至多0.003硫；铁；以及附带杂质。所述气硬性钢合金具有在352 HBW到460 HBW范围内的布氏硬度。
根据本公开的另一个非限制性方面，一种制品包含根据本公开的气硬性钢合金。此种物品可以选自或可以包括选自例如钢装甲、爆炸防护壳、V形爆炸防护壳、爆炸防护车辆底部以及爆炸防护罩的物品。
根据本公开的又一个方面，一种热处理经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金的方法包括：提供经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金；在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下将所述经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金回火热处理，持续在4小时到12小时范围内的回火时间；以及将所述经过回火的气硬性钢合金空气冷却到环境温度。
附图说明
参见附图可以更好地理解本文所述的方法的非限制性实施方案的某些特征和优点，其中：
图1是本公开的热处理经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金的方法的一个非限制性实施方案的流程图；
图2是本公开的钢合金的某些非限制性实施方案的布氏硬度随碳含量而变化的图；
图3是本公开的钢合金的某些非限制性实施方案的布氏硬度随碳含量和回火热处理而变化的图；
图4是本公开的钢合金的某些非限制性实施方案（包括实验室规模的锭坯样品）的布氏硬度随碳含量而变化的图；
图5是本公开的钢合金的某些非限制性实施方案（包括实验室规模的锭坯样品）的布氏硬度随碳含量和回火热处理而变化的图。
图6是本公开的气硬性钢合金的某些非限制性实施方案和ATI500-高硬度特种钢装甲合金的板状样品的若干种抗拉性质随碳含量而 变化的图；
图7是本公开的气硬性钢合金的某些实施方案和ATI500-高硬度特种钢装甲合金的板状样品的在-40℃下所测定的夏氏v形切口韧性值随碳含量而变化的图。
读者在考虑本公开的合金、制品以及方法的某些非限制性实施方案的以下详细描述后就会了解上述细节以及其他细节。
具体实施方式
应理解，本文中公开的实施方案的某些描述已经过简化以仅说明与明确理解所公开的实施方案有关的那些要素、特征以及方面，同时出于清楚的目的而排除其他要素、特征以及方面。本领域技术人员在考虑所公开的实施方案的本描述后就会认识到在所公开的实施方案的具体实现方式或应用中可能需要其他要素和/或特征。然而，因为本领域技术人员在考虑所公开的实施方案的本描述后就可以容易地确定并且实现这些其他要素和/或特征，并且因此没必要完全理解所公开的实施方案，所以本文中不提供这些要素和/或特征的描述。因而，应理解本文中所阐述的描述仅仅是示范和说明所公开的实施方案，而不打算限制如仅由权利要求书定义的本发明的范围。
并且，本文中所叙述的任何数值范围打算包括其中所包含的所有子范围。例如，“1到10”的范围打算包括所述最小值1和所述最大值10之间(并且包括在内)，也就是说，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值的所有子范围。本文中所述的任何最大数值限制都打算包括其中所包含的所有数值下限，并且本文中所述的任何最小数值限制都打算包括其中所包含的所有数值上限。因此，申请人保留修正本公开（包括权利要求书）的权利以明确叙述本文中明确叙述的范围内所包含的任何子范围。本文中打算固有地公开所有这些范围，以便用以明确叙述任何这些子范围的修正将符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§132(a)的要求。
除非另有指示，否则如本文中所使用的语法冠词“一个（种）”和“所述”意在包括“至少一个（种）”或“一个（种）或多个（种）”。因此，这些冠词在本文中用于指冠词的一个或多于一个（即，至少一个）语法对象。举例来说，“一个组件”意指一个或多个组件，并且如此，可能涵盖多于一个组件并且可以用于所述实施方案的实现方式中。
称为完全或部分以引用的方式并入的任何专利、公开或其他公开材料仅以所并入的材料与本公开中所阐述的现有定义、声明或其他公开材料不冲突的程度并入本文中。因而并且在必需的程度上，如本文中所阐述的公开优先于以引用的方式并入本文中的任何冲突材料。称为以引用的方式并入本文中单与本文中所阐述的现有定义、声明或其他公开材料冲突的任何材料或其部分仅以所并入的材料与现有公开材料之间不产生冲突的程度并入。
本公开包括各种实施方案的描述。应理解，本文中所描述的所有实施方案都是示例性的、说明性的以及非限制性的。如此，本发明不受各种示例性、说明性以及非限制性实施方案的描述限制。相反，本发明仅由权利要求书定义，权利要求书可以经过修正以叙述本公开中明确地或固有地描述的或者本公开明确地或固有地支持的任何特征。
本公开的方面包括气硬性高强度、中等硬度以及中等韧性钢合金（与某些已知的气硬性钢合金相比）的非限制性实施方案和由所述钢合金制备或包括所述钢合金的物品。本公开的所述气硬性钢合金的实施方案的一个方面为尽管所述合金是自动回火的，但据测定在奥氏体化和空气冷却后，在约300℉（149℃）到450℉（232℃）的温度范围内进行附加热处理回火步骤可增加所述合金的屈服强度而不降低所述合金的延展性或断裂韧性。鉴于包括相当碳含量的经过淬火并且经过回火的常规钢合金典型地在回火后展现强度降低伴随延展性和断裂韧性增加，观测到所述合金的屈服强度增加而不会负面影响延展性或断裂韧性是令人惊讶、出乎意料并且违反直觉的。
可能受益于由本公开的气硬性钢合金的实施方案形成或包括本公开的气硬性钢合金的实施方案的制品的实例包括车辆或结构的钢装甲爆炸板。能受益于由本公开的合金的实施方案形成或包括本公开的合金的实施方案的其他制品将由考虑实施方案的以下进一步描述而显而易见。
如本文中所使用，“气硬性钢合金”和“气硬性钢”是指不需要在液体中淬火以实现目标硬度的钢合金。相反，在气硬钢合金中，硬化可以通过仅在空气中从高温冷却来实现。如本文中所使用，“空气硬化”是指在空气中冷却本公开的气硬性钢合金以实现目标硬度。在约350HBW到约460HBW范围内的目标硬度可以通过空气硬化本公开的气硬性钢合金来获得。因为气硬性钢合金不需要液体淬火来实现目标硬度，所以包括气硬性钢合金的物品，如气硬性钢合金板，不会受对所述合金进行液体淬火以快速降低其温度时可能发 生的变形和翘曲的程度影响。本公开的气硬性钢合金可以使用常规热处理技术（如奥氏体化）来加工，并且随后空气冷却，并且任选地回火，以形成均质钢装甲板或其他物品，而不需要对所述物品进行进一步热处理和/或液体淬火以实现目标硬度。
如本文中所使用，“奥氏体化”和“奥氏体”是指将钢加热到高于转变范围的温度以使得所述钢的铁相基本上由奥氏体微结构组成。典型地，钢合金的“奥氏体化温度”为超过1200℉（648.9℃）的温度。如本文中所使用，“自动回火”是指本公开的气硬性钢合金倾向于使碳从空气冷却期间所形成的马氏体相部分中部分沉淀，从而形成碳化铁在α-铁基质中的精细分散体，并且由此增加所述钢合金的韧性。如本文中所使用，“回火”和“回火热处理”是指在奥氏体化和空气冷却本公开的气硬性钢合金后加热所述合金，并且由此引起屈服强度增加而不降低所述合金的延展性和断裂韧性。如本文中所使用，“均质化”是指被应用于使得在整个合金中合金的化学组成和微结构实质上一致的合金热处理。
根据一个非限制性实施方案，本公开的气硬性钢合金以重量百分比计包含以下各物、基本上由以下各物组成或由以下各物组成：0.18到0.26碳；3.50到4.00镍；1.60到2.00铬；0到至多0.50钼；0.80到1.20锰；0.25到0.45硅；0到少于0.005钛；0到少于0.020磷；0到至多0.005硼；0到至多0.003硫；铁；以及附带杂质。在本公开的合金的某些非限制性实施方案中，附带杂质由满足美国军用规范MIL-DTL-12506J的要求的残余元素组成，所述美国军用规范是以全文引用的方式并入本文中。在本公开的钢合金的某些非限制性实施方案中，某些附带杂质的最大限度以重量百分比计包括：0.25铜；0.03氮；0.10锆；0.10铝；0.01铅；0.02锡；0.02锑；以及0.02砷。在本公开的气硬性钢合金的另一个非限制性实施方案中，钼的含量在0.40到0.50重量%范围内。已观测到加入钼可以增加本公开的气硬性钢的强度和耐腐蚀性。
在一个非限制性实施方案中，在奥氏体化和空气冷却后，本公开的气硬性钢合金展现在352HBW到460HBW范围内的布氏硬度，如根据ASTM E10-10“金属材料布氏硬度的标准测试方法”（宾夕法尼亚州西康舍霍肯的ASTM International公司）所评估。本发明描述中所报告的所有布氏硬度值都是使用规范ASTM E10-10中所描述的技术来测定。
在另一个非限制性实施方案中，在奥氏体化和空气冷却后，本公开的气硬性钢合金具有在352HBW到460HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到238ksi（1,1641MPa）范围内的极限抗拉强度；在133ksi（917MPa）到146ksi（1,007MPa）范围内的屈服强度；在14%到15%范围内的伸长率百分比；以及在31ft-lb（42J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
本发明描述中所报告的抗拉测试是根据ASTM E8/E8M-09“金属材料张力测试的标准测试方法(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)”来进行。夏氏v形切口测试是根据ASTM E2248-09“小型夏氏V形切口样品冲击测试的标准测试方法(Standard Test Methods for Impact Testing of Miniaturized Charpy V-Notch Specimens)”来进行。如本领域中已知，夏氏v形切口冲击测试是测量合金吸收能量的能力的快速应变率冲击测试，从而提供合金的韧性的度量。
在另一个非限制性实施方案中，在奥氏体化和空气冷却本公开的气硬性钢合金以便给所述合金提供在352HBW到460HBW范围内的布氏硬度后，在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下将所述合金回火，持续在4小时到10小时范围内的回火时间（炉内时间），使得所述钢合金的布氏硬度增加到360HBW到467HBW的范围。
在奥氏体化和空气冷却本公开的气硬性钢合金以提供在352HBW到460HBW范围内的硬度并且随后在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下将所述合金回火持续在4小时到10小时范围内的回火时间后，所述气硬性钢合金的某些实施方案具有在360HBW到467HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到238ksi（1,641MPa）范围内的极限抗拉强度；在133ksi（917MPa）到175ksi（1,207MPa）范围内的屈服强度；在14%到16%范围内的伸长率百分比；以及在31ft-lb（42J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
本公开的一个令人惊讶并且出乎意料的方面是观测到当已经过奥氏体化、空气冷却和自动回火的本公开的某些气硬性钢合金进一步经历在4小时到10小时范围内的回火时间和在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下的回火热处理时，所述合金的屈服强度增加多达20%，而不降低所述合金的伸长率百分比和在-40℃下测定的夏氏v形切口冲击韧性。如 上文所解释，至少因为包括类似碳含量的经过水淬火并且经过回火的传统钢合金在回火后展现降低的强度以及增加的延展性和断裂韧性，所以这个观测特征是令人惊讶并且出乎意料的。
根据另一个非限制性实施方案，本公开的气硬性钢合金以重量百分比计包含以下各物、基本上由以下各物组成或由以下各物组成：0.18到0.24碳；3.50到4.00镍；1.60到2.00铬；0到至多0.50钼；0.80到1.20锰；0.25到0.45硅；0到少于0.005钛；0到少于0.020磷；0到至多0.005硼；0到至多0.003硫；铁；以及附带杂质。在本公开的合金的某些非限制性实施方案中，附带杂质由满足美国军用规范MIL-DTL-12506J的要求的残余元素组成。在本公开的钢合金的某些非限制性实施方案中，某些附带杂质的最大限度以重量百分比计包括：0.25铜；0.03氮；0.10锆；0.10铝；0.01铅；0.02锡；0.02锑；以及0.02砷。在本公开的气硬性钢合金的另一个非限制性实施方案中，钼的含量在0.40到0.50重量%范围内。已观测到加入钼可以增加本公开的气硬性钢的强度和耐腐蚀性。
在这个非限制性实施方案中，在奥氏体化和空气冷却后，本公开的气硬性钢合金具有在352HBW到459HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到237ksi（1,634MPa）范围内的极限抗拉强度；在133ksi（917MPa）到146ksi（1,007MPa）范围内的屈服强度；在14%到17%范围内的伸长率百分比；以及在37ft-lb（50J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
在奥氏体化和空气冷却本公开的气硬性钢合金以提供在352HBW到459HBW范围内的硬度并且随后在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下将所述合金回火持续在4小时到10小时范围内的回火时间后，所述气硬性钢合金的某些实施方案具有在360HBW到459HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到237ksi（1,634MPa）范围内的极限拉伸强度；在133ksi（917MPa）到158ksi（1,089MPa）范围内的屈服强度；在15%到17%范围内的伸长率百分比；以及在37ft-lb（50J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
本公开的某些气硬性钢合金的一个出乎意料并且令人惊讶的方面是观测到当本公开的经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性自动回火合金进一步经历在4小时到10小时范围内的回火时间和在300℉（149℃）到450 ℉（232℃）范围内的回火温度下的回火热处理时，本公开的气硬性钢合金的屈服强度在一个非限制性实施方案中增加多达8%，并且伸长率百分比和-40℃夏氏v形切口冲击韧性不降低。如上文所解释，鉴于包括类似碳含量的经过水淬火并且经过回火的传统钢合金在回火后展现降低的强度以及增加的延展性和断裂韧性，这个观测特征是令人惊讶并且出乎意料的。
根据另一个非限制性实施方案，本公开的气硬性钢合金以重量百分比计包含以下各物、基本上由以下各物组成或由以下各物组成：0.18到0.21碳；3.50到4.00镍；1.60到2.00铬；0到至多0.50钼；0.80到1.20锰；0.25到0.45硅；0到少于0.005钛；0到少于0.020磷；0到至多0.005硼；0到至多0.003硫；铁；以及附带杂质。在本公开的合金的某些非限制性实施方案中，附带杂质由满足美国军用规范MIL-DTL-12506J的要求的残余元素组成。在本公开的钢合金的某些非限制性实施方案中，某些附带杂质的最大限度以重量百分比计包括：0.25铜；0.03氮；0.10锆；0.10铝；0.01铅；0.02锡；0.02锑；以及0.02砷。在本公开的气硬性钢合金的另一个非限制性实施方案中，钼的含量在0.40到0.50重量%范围内。已观测到加入钼可以增加本公开的气硬性钢的强度和耐腐蚀性。
在这个非限制性实施方案中，所述气硬性钢合金展现在352HBW到433HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到208ksi（1,434MPa）范围内的极限抗拉强度；在133ksi（917MPa）到142ksi（979MPa）范围内的屈服强度；在16%到17%范围内的伸长率百分比；以及在44ft-lb（60J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
在奥氏体化和空气冷却本公开的气硬性钢合金以提供在352HBW到433HBW范围内的硬度并且随后在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下将所述合金回火持续在4小时到10小时范围内的回火时间后，所述气硬性钢合金的某些实施方案具有在360HBW到433HBW范围内的布氏硬度；在188ksi（1,296MPa）到237ksi（1,634MPa）范围内的极限抗拉强度；在133ksi（917MPa）到146ksi（1,007MPa）范围内的屈服强度；在15%到16%范围内的伸长率百分比；以及在44ft-lb（60J）到53ft-lb（72J）范围内的-40℃夏氏v形切口值。
本公开的某些气硬性钢合金的一个出乎意料并且令人惊讶的方面是观测到当本公开的经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性自动回火合金进 一步经历在4小时到10小时范围内的回火时间和在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下的回火热处理时，本公开的气硬性钢合金的屈服强度在一个非限制性实施方案中增加多达3%，并且伸长率百分比和-40℃夏氏v形切口冲击韧性不降低。如上文所解释，这个观测结果与具有类似碳含量的经过水淬火并且经过回火的传统钢合金所观测的相反，该传统钢合金在回火后显示强度降低以及延展性和断裂韧性增加。
本公开的另一个方面针对由本公开的合金形成或包含本公开的合金的制品。因为本文中所公开的气硬性钢合金与某些已知的气硬性钢合金相比兼备高强度、中等硬度以及韧性，所以本公开的合金特别适于包括在如打算用于爆炸和/或冲击防护的结构和车辆等物品中。可以由本公开的合金形成或包括本公开的合金的制品包括但不限于钢装甲、爆炸防护壳、V形爆炸防护壳、爆炸防护车辆底部以及爆炸防护罩。
本公开的另一个方面针对热处理经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性合金的方法。参考图1的流程图，本公开的方法（10）的一个非限制性实施方案包括：提供（12）经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金；在300℉（149℃）到450℉（232℃）范围内的回火温度下回火热处理（14）所述经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金，持续在4小时到12小时（或4小时到10小时）范围内的回火时间；以及将所述经过回火的气硬性钢合金空气冷却（16）到环境温度。奥氏体化处理是冶金领域技术人员已知的技术并且在本文中不需要详细论述。典型的奥氏体化条件包括（例如）将钢合金加热到在1400℉（760℃）到1700℉（927℃）范围内的温度并且将合金保持在所述温度下持续在约0.25小时到约1小时范围内的时间段。
以下实施例打算进一步描述本公开的某些非限制性实施方案，而不限制本发明的范围。本领域技术人员应了解，有可能在仅由权利要求书界定的本发明的范围内改变以下实施例。
实施例1
通过真空感应熔融制备称重约50lb（22.7Kg）的4"×4"×10"（10.2cm×10.2cm×25.4cm）锥形实验锭坯。表1列出了实验锭坯的目标和实际化学组成以及ATI500-高硬度特种钢装甲合金的原料锭坯的实际化学组成。ATI500-高硬度特种钢装甲合金是硬度在477HBW到534HBW范围内的 市售精炼特种钢合金，用于装甲板应用，并且可从ATIDefense公司（美国宾夕法尼亚州华盛顿市）获得。
将表1中所示之实验锭料熔融后，去除热顶并且通过在2050℉（1121℃）下将所述合金加热4小时（每英寸（2.54厘米）厚度约1小时））是剩余材料均质化。
实施例2
将得自实施例1的实验锭坯和ATI500-高硬度特种钢装甲合金锭坯切成小块以便在淬火炉中熔融。将不同比率的两种金属组合在炉中以产生2.5"高×1.25"直径（6.35cm高×3.18cm直径）的“钮扣”锭料。用这种方式制造五个钮扣。
在2050℉（1121℃）下将钮扣均质化1小时，并且随后直接从1.25"（3.18cm）直径锻造成0.25"（0.635cm)厚平坦样品，这有助于排除铸造微结构并且形成锻造产品。在锻造后允许这些样品空气冷却。从各钮扣上切下部分以验证化学组成。测量的化学组成列在表2中。
在切下化学组成部分后，在1600℉（871℃）下将各钮扣的剩余部分奥氏体化15分钟并且允许空气冷却。
从实验锭坯的剩余的3"×4"×7"（7.62cm×10.2cm×17.8cm）块上切下1"×3"×4"（2.54cm×7.62cm×10.2cm）的部分。在2050℉（1121℃）下将这部分加热1小时，并且随后直接从4"（10.2cm）厚锻造成2"（5.08cm）厚的板。将所述板加热到高达1900℉（1038℃），在所述温度下保持1小时，精轧成1"（2.54cm）厚的板，并且允许空气冷却。从经过冷却的板（样品6）中获取化学组成样品（化学组成示于表2中），并且随后在1600℉（871℃）将所述板奥氏体化1小时并且允许空气冷却。
实施例3
对于由实施例2的钮扣熔炼物制备的五个0.25"厚样品中的每一个和由实施例2中的实验材料制备的1"（2.54cm）厚的板，从表面以下0.025"（0.0635cm）处获取单个布氏硬度测量值和三个洛氏C硬度测量值。布氏硬度测量值是根据ASTM E10-10“金属材料布氏硬度的标准测试方法”（宾夕法尼亚州西康舍霍肯的ASTM International公司）来进行。洛氏C硬度是根据ASTM E18-08b“金属材料洛氏硬度的标准测试方法（Standard Test Methods forRockwell Hardness of Metallic Materials）”来测量。根据ASTM E140-07“金属布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度、表面硬度、努普硬度以及肖氏硬度间的关系的标准硬度转化表（Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among BrinellHardness,Vickers Hardness,Rockwell Hardness,Superficial Hardness,KnoopHardness,and Scleroscope Hardness）”将洛氏C硬度值转化成布氏硬度值。
将所述硬度值绘图于图2中。图2还包括ATI500-MIL?高硬度特种钢装甲合金的典型硬度值。
图2显示含有大于0.24重量%碳的样品一般展现大于钮扣1到5以及含有在0.18到0.24重量%范围内的碳的实验锭坯的硬度值。
实施例4
获取实施例1中所制备的1"（2.54cm）厚的板的0.25"（0.635cm）厚的切片。因而，所制备的切片的厚度与由实施例2的钮扣熔炼物制备的五个0.25"厚的样品的厚度相同，从而获得六个相同厚度的样品。由六个样品中的每一个制备两个1.5"（3.81cm）×0.75"（1.91cm）×0.25"（0.635cm）厚的部分，从而获得总共十二个部分。在300℉（149℃）下将来自于每一个样品的一个部分回火4小时。在400℉（204℃）下将来自于每一个样品的另一个部分回火4小时。对于这十二个部分中的每一个，从表面以下0.025"（0.0635cm）处获取单个布氏硬度测量值和三个洛氏C硬度测量值。图3包括得自这个测试的硬度值以及得自在其他回火温度下进行的回火测试的结果。
图3中绘出的数据表明，额外回火热处理不会显著影响本公开的非限制性实施方案的气硬性钢合金的测量硬度。
实施例5
在真空感应炉中制造两个实验室大小的4"×4"×10"（10.2cm×10.2cm×25.4cm）锥形实验锭坯。化学组成包括低碳熔炼物和高碳熔炼物。所述锭坯的目标化学组成列在表3中。
熔融后，从各锭坯去除热顶。将所述锭坯装在1000℉（538℃）炉中持续17小时，并且此后加热以使锭坯的温度升到2050℉（1121℃）并且均质化2小时，而不是所打算的4小时。以0.25"（0.635cm）的增量将所述锭坯从4"（10.2cm）锻造到2.75"（6.99cm）厚，随后重新加热25分钟，并且随后以0.25"（0.635cm）的增量锻造到2"（5.08cm）厚。
锻造后，将各样品切成两半并且装入1900℉（1038℃）炉中以便在所 述温度下保温一小时。随后将样品交叉轧制到1.5"（3.81cm）厚，进行20分钟重新加热，并且最终轧制成1"（2.54cm）厚×8"（20.3cm）宽×10"（25.4cm）长的板状样品。两个锭坯中的每一个产生两个具有这些尺寸的板状样品。轧制后，在1600℉（871℃）下将板状样品奥氏体化1小时并且在静止空气中进行空气冷却。
注意，这些样品仅均质化2小时，而不是所打算的4小时。因此，将经过奥氏体化的板状样品装入炉中持续额外的均质化时段。在将板状样品加热到均质化温度的时间期间，决定了均质化处理会破坏锻造和轧制的微结构。因此，将板状样品从炉中移出。在当时，板状样品已达到1180℉（638℃）并且已经在炉中总共2小时。确定这个额外热处理时段将板状样品有效地回火。因此，在1600℉（871℃）下将所述板再次奥氏体化1小时并且在静止空气中进行空气冷却。对于回火试验，从低碳材料和高碳材料中的每一种上切下八个1"（2.54cm）立方体（目标化学组成示于表3中）。表4展示所使用的回火条件和每一个经过回火的样品的测量硬度。在每一个样品的表面以下0.020"处获取三个HRC测量值，并且表4中所示的硬度值是三个测量值的平均值（从HRC转化到HBW）。
表4中所列出的值显著低于预期。因此，在表面以下0.020"（0.0508cm）处再测试样品的布氏硬度。图4展示其他样品的未经过回火的硬度值与先前测量的硬度值的比较。图5展示经过回火的硬度值，其中低碳样品和高碳样品鉴别为“PES样品”。图4和图5中所绘出的数据表明，额外回火热处理不会显著影响本公开的非限制性实施方案的气硬性钢合金的测量硬度。
实施例6
基于本文中所论述的实验室规模结果以及得自表3中所示的低碳（0.21 重量%C）和高碳（0.26重量%C）实验熔炼物的经过回火的1"立方体样品的硬度数据，若干个低碳样品未经过回火，并且出于比较目的，在400℉（204℃）下将若干个额外样品回火6小时。测试两个圆形纵向拉伸样品；在-40℃下测试两个TL夏氏V形切口样品和两个LT夏氏V形切口样品；并且在得自各板的夏氏样品中的一个上进行两次布氏硬度测量。抗拉测试和夏氏v形切口测试的结果呈现与表5中。
表5：经过回火和未经过回火的材料性质
实施例7
将实施例6的样品的夏氏和布氏硬度性质与1.00"（2.54cm）厚的ATI500-高硬度特种钢装甲合金板的相比较。ATI500-钢装甲合金板具有表6中所列出的实际化学组成。
对于机械性质，ATI500-钢装甲合金板与呈未经过回火形式并且也与经过300℉（149℃）/8小时回火的实施例6的本发明样品相比较，因为未在400℉下对ATI500-钢装甲合金板进行回火。未对经过回火的ATI500-钢装甲合金板材料进行夏氏测试，所以这就不能比较。图6反映未经过回火和经过回火的高碳和低碳材料以及ATI500-钢装甲合金板的抗拉测试结果。图7包括不同样品以及ATI500-钢装甲合金板的-40℃夏氏v形切口结果。
图6和7的检验证明，对于本公开的气硬性钢合金的实施方案，在奥氏体化和空气冷却后，在约300℉（149℃）到450℉（232℃）的温度范围内进行热处理回火步骤给所述合金提供多达20%的屈服强度增加，并且不会降低所述合金的延展性和断裂韧性。鉴于包括相当碳含量的经过淬火并且经过回火的常规钢合金在回火后典型地展现强度降低伴随延展性和断裂韧性增加，故所述合金的屈服强度增加而不会负面影响延展性或断裂韧性的观测结果是出乎意料并且令人惊讶的。
Claims (17)
1.一种经过回火的气硬性钢合金，以重量百分比计，由以下组成：
0.18到0.26碳；
3.50到4.00镍；
1.60到2.00铬；
0到至多0.50钼；
0.80到1.20锰；
0.25到0.45硅；
0到少于0.005钛；
0到少于0.020磷；
0到至多0.005硼；
0到至多0.003硫；
铁；以及
附带杂质，
其中所述经过回火的气硬性钢合金通过以下方式已被回火：在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下在4小时到10小时范围内的回火时间加热气硬性钢合金，并且所述经过回火的气硬性钢合金具有在360HBW到467HBW范围内的布氏硬度。
2.根据权利要求1所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金具有在188ksi(1,296MPa)到238ksi(1,641MPa)范围内的极限抗拉强度；在133ksi(917MPa)到175ksi(1,207MPa)范围内的屈服强度；在14％到16％范围内的伸长率百分比；以及在31ft-1b(42J)到53ft-1b(72J)范围内的-40℃夏氏v形切口值。
3.根据权利要求1所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金的屈服强度增加多达20％，并且所述钢合金的伸长率百分比和-40℃夏氏v形切口值不降低。
4.根据权利要求1所述的经过回火的气硬性钢合金，其中所述钢合金的碳含量为0.18到0.24重量百分比。
5.根据权利要求4所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金具有在360HBW到459HBW范围内的布氏硬度。
6.根据权利要求4所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金具有在188ksi(1,296MPa)到237ksi(1,634MPa)范围内的极限抗拉强度；在133ksi(917MPa)到158ksi(1,089MPa)范围内的屈服强度；在15％到17％范围内的伸长率百分比；以及在37ft-1b(50J)到53ft-1b(72J)范围内的-40℃夏氏v形切口值。
7.根据权利要求4所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金的屈服强度增加多达8％，并且所述钢合金的伸长率百分比和-40℃夏氏v形切口值不降低。
8.根据权利要求1所述的经过回火的气硬性钢合金，其中所述钢合金的碳含量为0.18到0.21重量百分比。
9.根据权利要求8所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金具有在360HBW到433HBW范围内的布氏硬度。
10.根据权利要求8所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金具有在188ksi(1,296MPa)到237ksi(1,634MPa)范围内的极限抗拉强度；在133ksi(917MPa)到146ksi(1,007MPa)范围内的屈服强度；在15％到16％范围内的伸长率百分比；以及在44ft-1b(60J)到53ft-1b(72J)范围内的-40℃夏氏v形切口值。
11.根据权利要求8所述的经过回火的气硬性钢合金，其中在4小时到10小时范围内的回火时间并且在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述气硬性钢合金回火之后，所述钢合金的屈服强度增加多达3％，并且所述钢合金的伸长率百分比和-40℃夏氏v形切口值不降低。
12.根据权利要求1所述的经过回火的气硬性钢合金，其中所述附带杂质包括，以基于所述合金的重量的重量百分比计：0到0.25铜；0到0.03氮；0到0.10锆；0到0.10铝；0到0.01铅；0到0.02锡；0到0.02锑；以及0到0.02砷。
13.一种制品，其包含根据权利要求1、4以及8中任一项所述的合金。
14.根据权利要求13所述的制品，其中所述制品是选自钢装甲、爆炸防护壳、V形爆炸防护壳、爆炸防护车辆底部以及爆炸防护罩。
15.一种热处理经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金的方法，其包括：
提供经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金，其中所述气硬性钢合金具有在352HBW到460HBW范围内的布氏硬度；
在300°F(149℃)到450°F(232℃)范围内的回火温度下将所述经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金回火热处理，持续在4小时到12小时范围内的回火时间；以及
将所述经过回火的气硬性钢合金空气冷却到环境温度；
其中所述经过回火的气硬性钢合金具有如权利要求1、4以及8中任一项所记载的元素组成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中提供经过奥氏体化并且经过空气冷却的气硬性钢合金包括轧制、锻造、挤出、弯曲、切削以及研磨中的至少一种。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述经过回火的气硬性钢合金中的所述附带杂质包括，以基于所述合金的重量的重量百分比计：0到0.25铜；0到0.03氮；0到0.10锆；0到0.10铝；0到0.01铅；0到0.02锡；0到0.02锑；以及0到0.02砷。
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