纳米复合马氏体钢制造技术

介绍了一种高性能碳钢，它包含板条结构，其中，马氏体板条与奥氏体薄膜交替分布，但是所述错位板条结构的各晶粒限于通过在相同方向上对所有奥氏体薄膜取向形成的单个显微结构变量。这可以通过小心地将晶粒度控制为小于１０微米来实现。通过用以避免形成贝氏体、珠光体和相间沉淀的方式加工所述钢可以进一步提高钢的性能。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢合金，特别是那些具有高强度、高韧性、高抗腐蚀性和高冷成形性的钢合金，还涉及能形成使钢显微结构，对钢合金加工技术。
技术介绍
以下一些美国专利介绍了高强度、高韧性且可冷成形的钢合金，它们具有马氏体和奥氏体复相显微结构，这些专利全部参考结合于此4170497(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，发布于1979年10月9日，申请提交于1977年8月24日；4170499(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，发布于1979年10月9日，申请提交于1978年9月14日，是提交于1977年8月24日的以上申请的部分续申请；4619714(Gareth Thomas，Jae-Hwan Ahn和Nack-Joon Kim)，发布于1986年10月28日，申请提交于1984年11月29日，是提交于1984年8月6日的申请的部分续申请；4671824(Gareth Thomas，Nack-Joon Kim和Ramamoorthy Ramesh)，发布于1987年6月9日，申请提交于1985年10月11日；6273968(Gareth Thomas)，发布于2001年8月14日，申请提交于2000年3月28日。显微结构对于特殊钢合金性质的形成具有关键作用，因而合金强度和韧性不仅取决于合金元素种类和用量的选择，还取决于显微结构中存在的结晶相及其排列。用于某些环境的合金需要高的强度和韧性，并且通常需要一些相互矛盾的性质的组合，因为有利于一种性质的某些合金元素可能不利于另一种性质。以上所列专利介绍的合金是碳钢合金，它们的显微结构包含交替的马氏体板条和奥氏体薄膜。有些情况下，马氏体中分散着自动回火产生的碳化物细晶粒。一种板条相为另一种薄膜相分隔的排列称作“错位板条”结构，其形成过程是先将合金加热到奥氏体范围，然后将合金冷却到低于马氏体起始温度Ms的一个温度范围，在该温度范围奥氏体转变为由马氏体板条被未转变而稳定化的奥氏体薄膜相隔的结构，所述马氏体起始温度是马氏体相开始形成的温度。此时进行着标准的冶金加工，如铸造、热处理、轧制和锻造获得所需产品形状，并改善板条和薄膜交替的排列方式。此显微结构较之孪生马氏体结构较好，因为板条结构具有较大的韧性。这些专利还介绍，在冷却过程中板条区中的过剩碳会发生所谓的“自动回火”现象，形成渗碳体(碳化铁，Fe3C)而沉淀，据专利’968介绍，自动回火可通过限制合金元素的选择，使马氏体起始温度Ms为350℃或更高来加以避免。在某些合金中，自动回火产生的碳化物能提高钢的韧性，而在其他合金中该碳化物却限制韧性。错位板条结构形成高强度钢，它又韧又有延展性，这些性质正是阻止裂纹散布和由钢成功制造工程部件的充分成形性能所需要的性质。获得所需强度和韧性的最有效途径之一是控制马氏体相，以便形成错位板条结构而不是孪生结构，而残余奥氏体的薄膜则能提高延展性和成形性能。要获得这种错位板条显微结构而非不太好的孪生结构，可仔细选择合金组成，而这又会影响Ms值。错位板条显微结构中奥氏体的稳定性是合金保持其韧性的能力中的一个因素，尤其是当合金暴露在苛刻的机械和环境条件下。在某些条件下，奥氏体在300℃以上的温度不稳定，会转变形成碳化物沉淀，使合金相对较脆，不大能耐受机械应力。这种不稳定性是本专利技术要着手解决的问题之一。专利技术概述现在已经发现，具有上述错位板条显微结构的碳钢合金晶粒容易单个晶粒结构中形成在奥氏体薄膜取向方向不同的多个区域。在伴随形成错位板条结构时转变应变形成的过程中，所述奥氏体结晶结构的不同区域在面心立方排列(是奥氏体的特征)的不同平面上发生剪切作用。虽然并不拘泥于这一解释，但是本专利技术人认为，这就导致在整个晶粒中的不同方向上因此剪切作用而形成马氏体相，由此形成如下所述的多个区域各区域内部各奥氏体薄膜呈一共同的角度排列，但是在相邻区域之间则呈互相不同的角度。由于所述奥氏体结晶结构，结果可以多达四个区域，各自具有不同的角度。这些区域的这种汇合形成了奥氏体薄膜的稳定性有限的结晶结构。注意到所述晶粒本身被其晶粒边界处的奥氏体壳所包住，而不同奥氏体薄膜取向的晶粒之间的区域并不会包在奥氏体中。还发现所述具有单一取向奥氏体膜的错位板条结构的马氏体-奥氏体晶粒，可以通过将晶粒度限制在10微米或以下来获得，并且还发现具有所述晶粒的碳钢合金暴露在高温和大的机械应变下时，其稳定性更高。因此，本专利技术涉及包含错位板条微结构晶粒的碳钢合金，各晶粒含有单一取向的奥氏体薄膜，即各晶粒是错位板条微结构的单一变量。本专利技术还涉及通过如下步骤制备这种显微结构的方法将合金组合物在能使铁完全处于奥氏体相，并使所有合金元素固溶其中的温度进行保温(奥氏体化)，然后使该相保持在恰高于其奥氏体结晶温度的某个温度，形成直径为10微米或更小的小晶粒。之后，将奥氏体相迅速冷却至马氏体起始温度，并通过马氏体转变区将部分奥氏体转化成错位板条排列的马氏体相。这个最后的冷却步骤应以足够快的速度进行，以免形成贝氏体、珠光体以及沿相间边界形成沉淀。所得显微结构由以奥氏体壳为界的许多个晶粒组成，各晶粒具有单变量错位板条取向，而不是会限制奥氏体稳定性的多变量取向。本专利技术适用的合金组合物是能通过这种加工类型而形成所述错位板条结构的那些组合物。这些组合物含有合金元素，含量选择能使马氏体起始温度Ms至少约为300℃，较好至少约为350℃。附图简要说明附图说明图1是已有技术合金显微结构的示意图。图2是本专利技术合金显微结构的示意图。 具体实施例方式详述为了能形成所述错位板条微结构，合金组合物必须是其Ms约为300℃或以上，较好是350℃或以上的合金组合物。虽然合金元素通常会影响Ms，但是对Ms影响最大的合金元素是碳，所以将合金中碳含量限制于最大0.35重量％，可以容易地将Ms限制在所需的范围内。在本专利技术优选的实施方式中，碳含量约为0.03-0.35％，在更加优选的实施方式中，所述范围约为0.05-0.33％，均以重量计。还优选选择如下所述的合金组合物它能避免在合金从奥氏体相最初冷却的过程中形成铁素体，即避免在进一步冷却奥氏体来形成错位板条微结构之前形成铁素体晶粒。也优选包含一种或多种奥氏体稳定元素类的合金元素，它们是碳(如上所述可能已经包含)、氮、锰、镍、铜和锌。尤其优选的奥氏体稳定元素是锰和镍。当存在镍时，其浓度较好约为0.25-5％，当存在锰时，其浓度较好约为0.25-6％。在本专利技术许多实施方式中也可以包含铬，当存在时，其浓度较好约为0.5-12％。本文所述所有浓度均以重量计。各合金元素存在与否及其含量会影响合金的马氏体起始温度，如上所述，本专利技术所用合金是其马氏体起始温度至少约为350℃的合金。因此，必须在这一限制条件下选择合金元素及其量。对马氏体起始温度影响最大的合金元素是碳，并且将碳含量限制于最大0.35％，通常能确保所述马氏体起始温度在所需的范围内。也可以存在其它合金元素，如钼、钛、铌和铝，其量足以起到形成细晶粒所需的成核位点，并且其浓度要足够低，使其存在不会影响最终合金的性质。本专利技术优选的合金还基本上不含碳化物。术语“基本上不含碳化物”是指若实际存在碳化物的话，沉淀的分布和量会使碳化物对最终合金的性能，尤其是腐蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种马氏体起始温度至少约为３００℃的合金碳钢，它包含直径为１０微米或更小的马氏体－奥氏体晶粒，各晶粒以奥氏体壳分界，并具有在所述整个晶粒中包含与奥氏体薄膜交替分布的马氏体板条的均匀取向显微结构。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GJ库辛斯基，D伯拉克，G托马斯，
申请(专利权)人：MMFX技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]