三相复合钢制造技术

介绍了一种高性能碳钢，它包含铁素体（１１）晶粒与含错位板条结构的晶粒结合而成的三相显微结构，所述错位板条结构中马氏体（１３）板条与奥氏体（１４）膜交替分布。该结构包含与马氏体－奥氏体晶粒（１２）结合的铁素体晶粒（１１），每个马氏体－奥氏体晶粒（１２）具有错位板条结构，它包含由马氏体相晶粒组成的基本平行的板条（１３），所述板条为残余奥氏体相薄膜（１４）所分隔。所述显微结构可通过一种独特的奥氏体化方法形成，它采用分步冷却方式，避免形成贝氏体和珠光体，同时避免在相界面上形成沉淀物。所述显微结构可通过铸造、热处理、在线轧制、锻造和其他常用冶金处理方法获得，产生优越的机械性能和抗腐蚀性能。（*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、高抗腐蚀性和具有特殊物理和化学性质的高冷成形性的钢合金，还涉及加工钢合金形成能使钢显微结构的技术。
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对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和它们的排列。用于某些环境的合金需要高强度和韧性，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，专利4619714所介绍的合金是低碳两相钢合金。这些专利介绍的某些合金中，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相变温度的一个温度范围，使奥氏体转变为马氏体，同时轧制或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硬度。所述专利还介绍，板条区中的过剩碳在冷却过程中发生所谓的“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即马氏体相先开始形成的温度为350℃或更高来加以避免。在某些合金中，乍动回火碳化物能提高钢的硬度，而在其他合金中该碳化物则限制硬度。错位板条结构形成高强度钢，它又硬又脆，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。获得所需强度和硬度的最有效途径是控制马氏体相，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脆性和成形性能。要获得这种错位板条显微结构而非不太好的孪生结构，可仔细挑选合金组成，而这又会影响Ms值。在某些应用中，要求钢合金能在非常宽的条件范围(包括非常低的温度)内保持强度、脆性、硬度和抗腐蚀性。本专利技术介绍了能形成高强度、高硬度，能抗腐蚀的钢的各个方面。专利技术概述现在已经发现，具有三相晶体结构的碳钢合金在较宽的条件范围内能表现出高的性能和抗腐蚀性。三相晶体结构是铁素体、奥氏体和马氏体结晶相的独特组合，其中铁素体晶体与包含以上专利所介绍的错位板条结构，即马氏体板条与奥氏体薄膜交替之结构的合金结合。此三相结构可通过多种方法形成，可用组成广泛，加工路径多种多样，包括各类铸造、热处理和轧制或锻造过程。用于形成三相结构的合金组合物的马氏体起始温度约为300℃或以上，宜为约350℃或以上。这可保证错位板条马氏体结构成为整体显微结构中的一部分。为此，碳含量最多为0.35重量％。形成此显微结构的优选方法涉及单碳钢合金组合物的冶金过程，即从奥氏体相分段冷却。此方法的第一个冷却阶段发生奥氏体相的部分再结晶，沉淀铁素体，从而形成奥氏体和铁素体组成的双相晶体结构。此第一个冷却阶段达到的温度决定了奥氏体与铁素体之比，这从具体合金的相图中很容易看出来。一旦达到此温度后，可对钢进行热加工，以进一步均匀化和尺寸减小，并根据所需成品进行成形。热加工可以是进行受控轧制，形成圆的或平的成品，或者进行锻造成为各种成形产品，如刀片、农具、钢盔、太阳椅等。在此中等温度热加工后，进行第二个阶段的冷却过程，大部分奥氏体在此阶段转变成马氏体，剩余的奥氏体以薄膜形式与马氏体板条交替存在，从而使奥氏体相转变为错位板条结构。第二阶段的冷却过程要进行迅速，以防形成贝氏体相和珠光体相，并一般地防止沉淀中间相(即在分隔两个相邻相的边界的沉淀物)。这里的最小冷却速率随合金组成而异，但一般从每个合金的转变-温度-时间相图中很容易看出。这种相图的一个例子见图3，下面将加以讨论。所得三相晶体结构能形成各种性质优于传统钢的钢合金，这些性质包括应力-应变关系、冲击能量-温度关系、抗腐蚀性能和疲劳断裂硬度。借助以下描述，可更好地理解本专利技术的上述及其他目标、特点和优点。附图简述附图说明图1是本专利技术合金显微结构的示意图。图2是显示本专利技术一种具体碳钢合金在不同温度与碳含量时不同结晶相的相图。图3是说明本专利技术一种具体Fe/Si/C钢的处理过程和第二个冷却阶段的条件的动力学转变-温度-时间图。图4是比较本专利技术合金与先有技术AISI钢A706的应力-应变曲线的图。图5是本专利技术合金的charpy摆锤式冲击能量-温度曲线，显示出异常的低温硬度。 具体实施例方式详述本专利技术的三相晶体结构包含两类晶粒——铁素体晶粒和马氏体-奥氏体晶粒，它们连贯地结合在一起，其中马氏体-奥氏体晶粒包含具有错位板条结构的马氏体板条。单个晶粒尺寸不是关键因素，可有很大变化。但为获得最佳结果，粒径(或其他合适的线性尺寸特征)一般在约2-100微米范围内，宜在约5-30微米范围内。在马氏体-奥氏体晶粒中，马氏体板条一般宽约0.01-0.3微米(奥氏体薄膜隔开的相邻板条宽度)，宜宽约0.05-0.2微米。铁素体相相对于马氏体-奥氏体的量可有很大变化，也不是本专利技术的关键因素。但多数情况下，当马氏体-奥氏体晶粒占三相晶体结构约5-95重量％，宜为约15-60重量％，最好为约20-40重量％时，能获得最佳结果。碳含量也可在0.35重量％的限制内变化。多数情况下，碳含量约为0.01-0.35％，宜约为0.03-0.3％，最好约为0.05-0.2％时，可获得最佳结果。如上所述，板条内碳化物或碳氮化物可能沉淀，即沉淀物存在于马氏体板条内而不是沿着板条边界，这就有利地避免了中间相(沿边界)沉淀物。本专利技术的某些实施方式中还存在其他合金元素。一个例子是硅，其在优选实施方式中的含量约为0.1-3％，宜约为1-2.5％。另一个例子是铬，它可以完全不存在(如在无铬Fe/Si/C钢中)，如果存在的话，其含量约为1-13wt％，宜约为6-12wt％，更宜约为8-10重量％。本专利技术各实施方式中可包含的其他合金元素有锰、镍、钴、铝和氮等，它们可以单独存在，也可以混合存在。也可以存在微量合金元素，如钼、铌、钛和矾。这里所有的百分数均为重量百分数。本专利技术的优选三相晶体结构也可以基本上不含碳化物。如上所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含铁和最多０．３５重量％碳的合金碳钢，其特征在于，所述合金碳钢具有铁素体与马氏体－奥氏体结合形成的三相显微结构，所述马氏体－奥氏体包含和奥氏体薄膜交替排列的马氏体板条。

【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]