纳米沉积增强的超高强度的、抗腐蚀的结构钢制造技术

一种纳米碳化物沉积增强的超高强度、抗腐蚀的结构钢，具有强度和抗腐蚀的结合，在组合物中，含有以重量计约：０．１到０．５％的碳（Ｃ）、约８到１７％的钴（Ｃｏ）、０到约１０％的镍（Ｎｉ）、约６到１２％的铬（Ｃｒ）、小于约１％的硅（Ｓｉ），小于约０．５％的锰（Ｍｎ）和小于约０．１５％的铜（Ｃｕ）；具有选自以下添加剂：约小于０．３％的钼（Ｍｏ）、小于０．３％的铌（Ｎｂ）、小于０．８％的钒（Ｖ）、小于０．２％的钽（Ｔａ）、小于３％的钨（Ｗ）及其混合物，具有选自以下的另外的添加剂：约小于０．２％的钛（Ｔｉ）、小于０．２％的镧（Ｌａ）或其它稀土元素、小于０．１５％的锆（Ｚｒ）、小于０．００５％的硼（Ｂ）和其混合物，小于以下的杂质：约０．０２％的硫（Ｓ）、０．０１２％的磷（Ｐ）、０．０１５％的氧（Ｏ）和０．０１５％的氮（Ｎ），其余主要以铁（Ｆｅ）平衡，和偶存的元素和其它杂质。该合金由在精细的板条马氏体基体中的纳米级Ｍ↓［２］Ｃ碳化物增强，由此增强了Ｃｒ对表面的化学分配，以提供抗腐蚀性能的稳定的氧化物钝化膜。具有ＵＴＳ超过２８０ｋｓｉ的合金，对诸如航空着陆的起落架中的使用、用于在恶劣环境中使用的机械部件和工具和其它需要超高强度、抗腐蚀的结构钢合金的应用是有利的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在主要方面，本专利技术是涉及具有超高强度和抗腐蚀性能的钴、镍、铬不锈钢的马氏体钢合金，其特征是纳米级大小的碳化物沉积物，尤其是M2C沉积物。在航空航天和其他高性能构件中的主要结构构件几乎完全是由超高强度钢制成，因为重量、尺寸，和某些情况下，涉及其他材料使用地费用受到了限制。然而，具有至少240ksi到300ksi抗拉强度的超高强度钢一般具有差的抗腐蚀性能，而且对氢敏感，并环境下易脆裂。因此，在航天航空和其他钢构件中提供一般抗腐蚀性的，主要是使用镀镉构件，而且当需要抗磨损时，主要是使用镀硬铬件。从费用、加工、环境和可靠性方面看，这些镀层具有缺点。所以，在超高强度钢合金的设计或开发中，目标是排除对镉和铬镀层的需要性，而没有机械性缺乏或者强度的减小。对于本专利技术合金的一个特性目的是用抗拉强度大于240ksi的不锈钢或抗腐蚀的钢取代非不锈钢的结构钢，这不需要镉镀层，并证明没有镀铬或其他保护性和抗磨性镀层，仍具有抗磨性。然而，注意这种合金仍然可以用包含保护性镀层的各种材料涂覆。在用于航天航空构件的一种最广泛使用的超高强度钢为300M。这种合金主要是改进的4340钢，以提供稍高级I的回火温度，因而，在处理过程中可以烘干引入的脆性氢气。航天航空材料说明书AMS 6257A，列入本文作参考，它报导了在航天航空应用中的300M的多种用途。在这说明书中，最小拉伸特性是280ksi的极限抗拉强度(UTS)，230ksi的屈服强度(YS)，8％的延伸率和30％的面积缩减率。平均平面应变摸式I断裂韧性为 T.V.和T.J.McCaffrey，超高强度钢，Properties and SelectionIrons.Steelsand High-Performance Alloys，Materials Park，OH，ASM International，1430-448，1990]，列入本文作参考。报导了在3.5wt％的氯化钠水溶液中抗应力腐蚀裂纹性能为 300M的高抗拉强度可设计航天航空系统内的轻质构件，诸如着陆起落架。然而，一般缺乏抗腐蚀性，要求镉镀层，由于环境下脆化，低的抗应力腐蚀裂纹性，导致重要方面出现故障。沉积硬化不锈钢，主要是15-5PH，，列入本文作参考，也可以用作航天航空构件，但主要是仅用于轻负载应用，由于其强度低，所以重量损失不大。对于这种合金，抗腐蚀性能要足以能够省略镀镉；然而，在最大强度为H900的条件下，15-5PH的最小的拉伸特性只有190ksi UTS和170ksi YS，这就限制了不受强度限制的构件的应用。另一种沉积增强不锈钢，Carpenter Custom 465TM，列入本文作参考，使用金属间沉积并达到稍低于270ksi的最大UTS。在那种强度水平下，Custom 465TM具有约为5ft-1b的低的夏氏V形缺口冲击能量，列入本文作参考。对于大多数结构应用，为了保持足够的抗夏氏V形缺口冲击性能，Custom 465TM必须在限定其UTS到适当低的270ksi的条件下使用。已开发研制出许多二次硬化不锈钢，它们达到了至多270ksi的极限强度水平。这些公开在美国专利号Re.26,225、3,756,808、3,873,378和5,358,577中。这些不锈钢使用较高量的铬，以保持其抗腐蚀性能，而且兼顾了强度。这些合金的主要特征是在二次硬化期间保存并形成有大量的奥氏体。奥氏体改进了合金的流动性能，并同时它们可以获得高达270ksi的UTS，它们的屈服强度不大于200ksi。这种屈服和极限之间的极大差距，限制了可以使用这些钢的应用。因此，仍然存在需要超高强度、非腐蚀性的钢合金，具有至少约230ksi的屈服强度，和至少约280ksi的极限抗拉强度。在Rockwell C刻度中具有硬度超过57(HRC)的超高硬度抗腐蚀钢一般含有非常高的碳含量，并且依赖于由大的不可溶的合金碳化物增强的组合物以获得最大的硬度。在工业用途中，这种钢的实例包括AISI 440C、CPMS30V、CPM S60V、CPM S90V、ATS-134和154CM。这些实例均含有超过1wt％的碳。这种非常高量的碳在一般的奥氏体化温度下是不溶解的，并且导致在处理过程中的高温下含有形成的大的初始合金碳化物和低温回火过程中形成的细小的碳化物的混合物的微观结构。大的合金碳化物明显有利于高的硬度和抗磨损性能，这些合金能够获得，但是它们也限制了可制造性、抗腐蚀性能和韧性。用非传统的处理技术，如在CPM合金中使用的固化之后的粉末雾化，以细化大的原始合金碳化物，但是这些方法限制了效果并且仍然导致碳化物尺寸超过1μm。专利技术简要简单地说，本专利技术的不锈钢合金含有，以重量计，约0.1到0.3％的碳(C)，约8到17％的钴(Co)，小于10％的镍(Ni)，大于6％并且小于13％的铬(Cr)，小于3％的钼(Mo)，小于3％的钨(W)和小于1％的钒(V)，与其他的选自少量的Si、Cu、Mn、Nb、Ta、Ti、Zr，稀土和B的元素添加剂，余量为铁(Fe)，和偶存的元素和杂质，根据成分的选择和定量以及加工规程进行加工，以形成主要是具有超高强度且非腐蚀的物理特性的马氏体相。本专利技术的合金具有以重量计小于约0.3％碳，其可以获得约300ksi的极限抗拉强度(UTS)和约230ksi的屈服强度(YS)，而且，用以重量计大于约6％并且小于约11％，优选小于约10％的铬，提供了抗腐蚀性能。本专利技术的合金提供一种组合了目前是镉镀层的结构钢，和用于航天航空应用中的观测的机械特性，没有专门涂覆或电镀的不锈钢的腐蚀特性。高效纳米级碳化物(M2C)增强，以较低的碳和合金含量提供了超高强度，同时，由于纳米级碳化物的氧化能力和提供的铬，作为钝化氧化物膜，从而提高了抗腐蚀性能。这种超高强度和抗腐蚀特性在单一材料中的结合，排除了对镉镀层的要求，而没有涉及目前结构钢的重量损失。此外，由于本专利技术的合金不再依赖于防护环境的不可靠镀层，所以不会因环境脆化而导致磁场失效。作为本专利技术的另一个目的，具有碳含量为约0.3％到0.5％的合金能够获得超过57HRC的超高硬度，而没有有利于硬度的大尺寸初始碳化物。本专利技术的这些合金以重量计包括约0.3-0.5％的碳(C)、8-20％的钴(Co)、0％到5％的镍(Ni)、6-13％的铬(Cr)、小于3％的钼(Mo)、小于3％的钨(W)和小于1％的钒(V)，与小于0.1％硼(B)和的钛(Ti)的添加剂。这些合金使用高效的纳米级碳化物(M2C)增强以获得这些极大的硬度，具有比含有原始合金碳化物的可比较的合金更好的韧性和抗腐蚀性能。本专利技术的超高硬度的合金提供优越的边角防护和抗磨损性能，具有好的可加工性能、抗腐蚀性能和抗冲击性能。因此，本专利技术的一个目的是提供一种新一类的超高强度、抗腐蚀性的结构钢合金。本专利技术的另一个目的是提供一种不需要电镀或涂覆以抗腐蚀的超高强度、抗腐蚀性的结构钢合金。本专利技术还有一个目的是，提供一种具有钴、镍和铬合金化元素，与其他元素相结合的超高强度、抗腐蚀性的结构钢合金，由此该合金是抗腐蚀性的。本专利技术还有一个目的，是提供一种超高硬度、抗腐蚀性的结构钢合金，它具有大于约240ksi，优选大于约280ksi的极限拉伸强度(UTS)，和大于约200ksi，优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化物增强合金组合物，包括：按重量计约０．３－０．５％的碳（Ｃ）、８－２０％的钴（Ｃｏ）、０－５％的镍（Ｎｉ）、６－１３％的铬（Ｃｒ）、小于３％的钼（Ｍｏ）、小于３％的钨（Ｗ）和小于１％的钒（Ｖ），包括具有组成为Ｍ↓［２］Ｃ的沉积碳化物颗粒，其中Ｍ是选自Ｆｅ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ和Ｗ中的一种或多种，和主要以铁（Ｆｅ）平衡和偶存的元素和杂质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩E塔夫茨，查尔斯J库曼，格雷戈里B奥尔森，周恒正，
申请(专利权)人：奎斯泰克创新公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]