TWI449799B - 高強度、高韌度之鋼合金 - Google Patents

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Description

高強度、高韌度之鋼合金
本發明係關於高強度、高韌度之鋼合金，且尤其關於可在顯著較高溫度下回火而不發生明顯拉伸強度損失的該種合金。本發明亦關於一種高強度、高韌度之回火鋼物件。
提供極高強度與斷裂韌度之組合的可時效硬化麻田散體鋼(age-hardenable martensitic steel)為已知的。美國專利第4,706,525號及美國專利第5,087,415號描述已知的鋼。前者稱為AF1410合金，而後者以註冊商標AERMET銷售。彼等合金提供之極高強度與韌度之組合係由其組成造成，該等組成包括大量鎳、鈷及鉬，此等元素通常屬於屬於可獲得之最昂貴的合金元素。因此，與其他不含有該等元素之合金相比，彼等鋼以很高的價格出售。
最近，已開發一種提供高強度與高韌度之組合而無需諸如鈷及鉬之合金添加物的鋼合金。美國專利第7,067,019號描述此種鋼。該專利中所描述之鋼為排除鈷及鉬之空氣硬化CuNiCr鋼。在測試中，已顯示'019專利中所描述之合金提供約280 ksi之拉伸強度以及約90 ksi√in之斷裂韌度。合金經硬化與回火以實現強度與韌度之該組合。回火溫度限於不超過約400℉以避免合金軟化及相應的強度損失。
'019專利中所描述之合金並非不鏽鋼，因此其必須經塗覆以抵抗腐蝕。合金用於航空航太應用之材料規格要求合金經塗覆後在375℉下加熱至少23小時，以移除塗覆製程中吸附之氫。氫必須移除，因為其導致合金脆化且對合金所提供之韌度造成不良影響。因為此合金在400℉下回火，所以375℉下持續23小時的後塗覆熱處理導致由該合金製造之部件過度回火，以致於不能提供至少280 ksi之拉伸強度。需要一種CuNiCr合金，其可經硬化與回火以提供至少280 ksi之拉伸強度及約90 ksi√in之斷裂韌度，且在硬化與回火之後，在約375℉下加熱至少23小時期間維持強度與韌度之該組合。
藉由本發明之合金很大程度上解決如上所述之已知合金的缺陷。根據本發明之一個態樣，提供高強度、高韌度之鋼合金，其具有以下廣泛及較佳重量百分數組成。
其餘包括為類似用途及特性而製造之商品級鋼合金中常見之雜質。在該等雜質中，磷較佳限於不超過約0.01%且硫較佳限於不超過約0.001%。在上述重量百分數範圍內，使矽、銅及釩達到平衡以使得
上述列表係作為簡便之概述提供，且並不意欲限定彼此組合使用之個別元素之範圍的下限值及上限值，或並不意欲限定彼此組合單獨使用之元素的範圍。因此，此等範圍中之一或多者可與其餘元素之其他範圍中之一或多者一起使用。此外，廣泛或較佳組成中之一種元素的最小值或最大值可與另一較佳或中間組成中之相同元素的最小值或最大值一起使用。此外，本發明之合金可包含、基本上由或由如上所述及貫穿本申請案之組份元素組成。除非另有規定，否則本文中及貫穿本說明書中之術語「百分率」或符號「%」意謂重量百分數或質量百分數。
根據本發明之另一態樣，提供具有極高強度及斷裂韌度之硬化與回火鋼合金物件。該物件由具有以上闡明之廣泛或較佳重量百分數組成的合金形成。根據本發明之此態樣，該合金物件進一步以在約500℉至600℉之溫度下回火為特徵。
本發明之合金含有至少約0.30%且較佳至少約0.32%碳。碳有助於合金提供高強度及硬度性能。當需要較高強度及硬度時，合金較佳含有至少約0.40%碳(例如較佳C)。碳亦有益於此合金之抗回火性。碳過多會對合金提供韌度造成不良影響。因此，碳限於不超過約0.55%、較好不超過約0.50%且較佳不超過約0.47%。發明者已發現當合金含有僅僅0.30%碳時，碳之上限可限於不超過約0.40%，且可使合金之組份(例如較佳B)達到平衡以提供至少290 ksi之拉伸強度。
此合金中存在至少約0.6%、較好至少約0.7%且較佳至少約0.8%錳，主要用於使該合金脫氧。已發現錳亦有益於合金提供高強度。因此，當需要較高強度時，合金含有至少約1.0%錳。若存在過多之錳，則可能在硬化與淬火期間產生不合需要量之殘留奧氏體(retained austenite)，以致於合金所提供之高強度受到不良影響。因此，合金可含有至多約1.3%錳。或者，合金含有不超過約1.2%或不超過約0.9%錳。
矽有益於此合金之可硬化性及抗回火性。因此，合金含有至少約0.9%矽且較佳至少約1.3%矽。當需要較高硬度及強度時，合金中存在至少約1.5%且較佳至少約1.9%矽。矽過多會對合金之硬度、強度及延展性造成不良影響。為避免此等不良影響，此合金中矽限於不超過約2.5%且較佳不超過約2.2%或2.1%。
合金含有至少約0.75%鉻，因為鉻有助於合金提供優良的可硬化性、高強度及抗回火性。合金較佳含有至少約1.0%且較好至少約1.2%鉻。當合金含有至少約1.5%且較佳至少約1.7%鉻時，可提供較高強度。合金中之鉻超過約2.5%會對合金提供衝擊韌性及延展性造成不良影響。在此合金之高強度實施例中，鉻較佳限於不超過約1.9%。或者，此合金中鉻限於不超過約1.5%且較好不超過約1.35%。
根據本發明，鎳有益於合金提供優良之韌度。因此，合金含有至少約3.0%鎳且較佳至少約3.1%鎳。合金之一個較佳實施例(例如較佳A)含有至少約3.7%鎳。當使合金達到平衡以提供較高強度時，其較佳含有至少約4.0%且較好至少約4.6%鎳。更大量之鎳提供之益處對合金成本造成不良影響而未提供明顯優勢。為限制合金之成本上升，鎳之量限於不超過約7%。因此，對於合金之最高強度實施例(例如較佳C)，可存在至多約5.0%鎳、較佳至多約4.9%鎳。在較低強度實施例中(例如較佳A及較佳B)，合金含有不超過約4.5%鎳。
鉬為生成碳化物之元素，其有益於此合金提供抗回火性。鉬之存在提高合金之回火溫度以致於在約500℉下實現二次硬化作用。鉬亦有助於合金提供強度及斷裂韌度。當合金含有至少約0.4%鉬且較佳至少約0.5%鉬時，可實現鉬提供之益處。對於較高強度，合金含有至少約0.7%鉬。像鎳一樣，相對於添加更大量之鉬而明顯增加成本，鉬並不提供增加的優勢。為此原因，在呈較高強度形式之合金(較佳B及較佳C)中，合金含有至多約1.3%鉬、較好不超過約1.1%鉬、較佳不超過約0.9%鉬。鎢可取代此合金中之一些或所有鉬。當存在時，鎢可按2：1取代鉬。
此合金較佳含有至少約0.5%銅，其有助於合金之可硬化性及衝擊韌性。當需要較高強度時，合金含有至少約0.7%銅。銅過多可導致合金基質中不合需要量之遊離銅的沈澱，且對合金之斷裂韌度造成不良影響。因此，此合金中存在不超過約0.9%且較佳不超過約0.85%銅。當不需要極高強度時，銅可限於最大值約0.6%。
釩有助於此合金提供高強度及優良的可硬化性。釩亦為生成碳化物之元素且促進在合金中形成有助於提供晶粒細化且有益於合金之抗回火性及二次硬化之碳化物。為此等原因，合金較佳含有至少約0.10%且較佳至少約0.14%釩。釩過多會對合金之強度造成不良影響，因為合金中形成更大量之碳化物時會自合金基質材料中消耗碳。因此，合金可含有至多約1.0%釩，但較佳含有不超過約0.35%釩。在合金之較高強度實施例(較佳B及較佳C)中，釩限於不超過約0.25%且較佳不超過約0.22%。鈮可取代此合金中之一些或所有釩，因為像釩一樣，鈮與碳結合形成M4 C3 碳化物，其有益於合金之抗回火性及可硬化性。當存在時，鈮可按1.8：1取代釩。
此合金亦可含有在合金熔化期間自添加物中殘留之至多約0.005%的少量鈣，以幫助移除硫且因此有益於合金提供斷裂韌度。
較佳使矽、銅、釩及鈮(若存在)在其上述重量百分數範圍內達到平衡，以有益於表徵此合金之強度與韌度之新穎組合。更具體而言，(%Si+%Cu)/(%V+(5/9)×%Nb)比率為約2至34。對於約290 ksi以下之強度等級，該比率較佳為約6至12。對於290 ksi及以上之強度等級，使合金達到平衡以使得該比率為約14.5至約34。鹹信當依照該比率使合金中存在之矽、銅及釩之量達到平衡時，藉由防止晶界上形成脆性相及夾入元素(tramp element)來強化合金之晶界。
合金之其餘部分基本上為鐵及常見於商品級類似合金及鋼中之雜質。就此而言，合金較佳含有不超過約0.01%、較好不超過約0.005%磷及不超過約0.001%、較好不超過約0.0005%硫。合金較佳含有不超過約0.01%鈷。在熔化期間，可存在來自脫氧添加物之至多約0.01%之殘留含量的鈦，且較佳限於不超過約0.005%。在熔化期間，合金中亦可存在來自脫氧添加物之至多約0.015%鋁。
根據較佳組成B及C，使合金達到平衡以在硬化與回火條件下提供極高強度及韌度。就此而言，使較佳B組成達到平衡以提供至少約290 ksi之拉伸強度與至少約70 ksi√in之KIc 斷裂韌度所指示的優良韌度。此外，使較佳C組成達到平衡以提供至少約310 ksi之拉伸強度與至少約50 ksi√in之KIc 斷裂韌度，用於需要較高強度及優良韌度之應用。
製造本發明之合金不需要特殊的熔化技術。合金較佳經歷真空感應熔化(vacuum induction melting，VIM)，且必要時對於關鍵應用，使用真空電弧再熔(vacuum arc remelting，VAR)進行精煉。若需要，合金亦可在空氣中經電弧熔化(ARC)。ARC熔化後，合金可藉由電渣再熔(electroslag remelting，ESR)或VAR進行精煉。
本發明之合金較佳在至多約2100℉、較佳約1800℉之溫度下熱加工，以形成多種中間產物形式，諸如鋼坯及鋼條。合金較佳藉由在約1585℉至約1735℉下奧氏體化約1至2小時進行熱處理。接著自奧氏體化溫度空氣冷卻或油淬火合金。當需要時，合金可經真空加熱處理及氣體淬火。合金較佳深層冷卻至-100℉或者-320℉並保持約1至8小時且隨後在空氣中升溫。合金較佳在約500℉下回火約2至3小時且隨後經空氣冷卻。當不需要強度與韌度之最佳組合時，合金可在至多600℉下回火。
本發明之合金可用於廣泛應用中。合金之極高強度及優良的斷裂韌度使其適用於機械工具組件以及用於飛行器的結構組件(包括起落架)。本發明之合金亦適用於汽車組件，包括(但不限於)結構構件、傳動軸、彈簧及曲軸。鹹信該合金亦在裝甲板、薄板及鋼條中具有效用。
實施例
製備具有下表1中顯示之重量百分數組成之兩個400 lb熱坯(400 lb heat)以供如下評估。兩個熱坯均經真空感應熔化且隨後澆鑄為7.5吋方形錠坯。
在2300℉下加熱錠坯，持續足以使合金均質化之時間。接著自1800℉之溫度熱加工錠坯以形成3-1/2吋×5吋之條形坯。接著再加熱條形坯至1800℉且將各條形坯之一部分進一步熱加工成為1-1/2吋×4-5/8吋之截面。熱加工視需要藉由再加熱中間形式逐步進行。鍛造後，使條形坯在空氣中冷卻至室溫。經冷卻之條形坯接著各自在兩部分尺寸之接合處切斷成為兩段。在1250℉下將條形坯段退火8小時且接著在空氣中冷卻。
在縱向及橫向取向上自條形坯段製備標準拉伸、夏比V形缺口(Charpy V-notch)、斷裂韌度及硬度測試樣本。測試樣本經如下熱處理以供測試。將熱坯1之樣本在1685℉下真空爐中奧氏體化1.5小時且隨後氣體淬火。在-100℉下深層冷卻淬火態(as-quenched)樣本8小時且隨後在空氣中升溫至室溫。最後，在500℉下將樣本回火2小時且隨後在空氣中自回火溫度冷卻。將熱坯2之樣本在1735℉下真空爐中奧氏體化2小時且隨後氣體淬火。在-100℉下深層冷卻淬火態樣本8小時且隨後在空氣中升溫至室溫。最後，在500℉下將樣本回火2小時且隨後在空氣中自回火溫度冷卻。
室溫拉伸、夏比V形缺口及KIc 斷裂韌度測試之結果如以下表2A及表2B所示，包括以ksi計之0.2%偏位降伏強度(offset yield strength，Y.S.)及極限拉伸強度(ultimate tensile strength，U.T.S.)、伸長率(percent elongation，%El.)及面積縮減百分率(percent reduction in area，%R.A.)、以ft-lbs計之夏比V形缺口衝擊強度(Charpy V-notch impact strength，CVN)、以ksi√in計之上升階躍負載(rising step load)KIc 斷裂韌度及C標度洛氏硬度(Rockwell C-scale hardness，HRC)。上升階躍負載斷裂韌度測試係根據ASTM標準測試程式E399、E812及E1290執行。表2A顯示熱坯1之結果，表2B顯示熱坯2之結果。
本文中所使用之術語及表達係用於描述而非限制。並不意欲在使用此等術語及表達時將所展示及描述之特徵或其部分之任何相等物排除在外。吾人承認在本文所描述及主張之本發明內可進行多種變化。

Claims (25)

  1. 一種具有優良抗回火性之高強度、高韌度之鋼合金，該合金包含如下之重量百分數組成： 其餘為鐵及常見的雜質，其中磷限於最大值0.01%，及硫限於不超過最大值0.001%，且其中14.5(%Si+%Cu)/(%V+(5/9)×%Nb)34。
  2. 如請求項1之合金，其包含不超過0.40%碳。
  3. 如請求項1之合金，其包含至少0.40%碳。
  4. 如請求項1之合金，其包含不超過4.5%鎳。
  5. 如請求項1之合金，其包含至少4.0%鎳。
  6. 如請求項1之合金，其包含不超過1.2%錳。
  7. 如請求項1之合金，其包含至少1.0%錳。
  8. 如請求項1之合金，其包含至少1.7%鉻。
  9. 如請求項1之合金，其中碳限於0.30%至0.40%，且鎳限於3.0%至4.5%。
  10. 如請求項9之合金，其包含至少3.7%鎳。
  11. 如請求項9之合金，其包含不超過2.2%矽。
  12. 如請求項9之合金，其包含至少0.32%碳。
  13. 如請求項9之合金，其包含不超過1.2%錳。
  14. 如請求項9之合金，其包含不超過0.85%銅。
  15. 如請求項9之合金，其中%V+(5/9)×%Nb為至少0.14%。
  16. 如請求項9之合金，其中%V+(5/9)×%Nb為不超過0.22%。
  17. 如請求項1之合金，其中碳限於0.40%至0.47%，且鎳限於4.0%至5.0%。
  18. 如請求項17之合金，其包含至少4.6%鎳。
  19. 如請求項17之合金，其包含不超過2.2%矽。
  20. 如請求項17之合金，其包含至少1.0%錳。
  21. 如請求項17之合金，其包含至少1.9%矽。
  22. 如請求項17之合金，其包含至少1.7%鉻。
  23. 如請求項17之合金，其包含不超過1.9%鉻。
  24. 如請求項17之合金，其包含不超過0.85%銅。
  25. 一種自如請求項1至24中任一項之合金形成之具有極高強度及斷裂韌度的硬化與回火合金物件，該物件特徵為：在500℉之溫度下回火後，拉伸強度為至少290ksi且KIc 斷裂韌度為至少50ksi√in。
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