專利名稱：具有優異機械性能和腐蝕性能的低碳鋼的制作方法
技術領域：
1.發明領域本發明涉及合金鋼領域，具體涉及有強度、韌性、耐腐蝕性能和冷成形性能均佳的合金鋼領域，還涉及對鋼合金進行加工形成使鋼材具有該特殊物理性能和化學性能的顯微結構的方法。
2.先有技術描述其顯微結構由馬氏體相和奧氏體相組成的，強度、韌性和冷成形性能均佳的鋼合金披露于下列美國專利(皆頒發給加里福尼亞Regent大學)，本文全部引入作為參考4,170,497(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，申請提交于1977年8月24日，發表于1979年10月9日，4,170,499(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，作為上述提交于1977年8月24日提交的申請的連續部分申請，提交于1978年9月14日，發表于1979年10月9日，4,619,714(Gareth Thomas，Jae-Hwan Ahn和Nack-Joon Kim)，作為提交于1984年8月6日的申請的連續部分申請，提交于1984年11月29日，發表于1986年10月28日，4,671,827(Gareth Thomas，Nack J.Kim和Ramamoorthy Ramesh)，申請提交于1985年10月11日，發表于1987年6月9日，顯微結構在特殊鋼合金的性能產生上起關鍵作用，因此合金的強度和韌性不僅取決于合金元素的種類和用量，還取決于存在的結晶相和它們的排列。使用于某些環境中的合金需要高強度和高韌性，并通常需要時常會發生沖突的性能結合，因為有利于某一性質的一些合金化元素會不利于另一性質。
上述專利所披露的合金是具有這種顯微結構的碳鋼合金馬氏體板條和奧氏體薄膜交替排列，并分散有自回火產生的碳化物細晶粒。一種相的板條被另一種相的薄膜分隔的排列稱作“錯位板條”結構，該結構的形成方法是先將合金加熱到奧氏體范圍內，然后將合金冷卻到相變溫度以下奧氏體轉變為馬氏體的溫度范圍內，同時進行壓延獲得所需形狀的產品并細化板條和薄膜的交替排列。這種顯微結構比孿晶馬氏體結構更好，因為板條結構的韌性更高。這些專利還披露，板條區域中的過量碳會在冷卻過程中通過稱為“自回火”的現象沉淀形成滲碳體(碳化鐵，Fe3C)。這種自回火的碳化物被認為有利于鋼的韌性。
錯位板條結構產生了既有堅韌性又有延展性的高強度鋼，這種性能是防止裂紋擴展并使由該鋼材成功制造工業部件的足夠成形性能所需要的。控制馬氏體相來獲得錯位板條結構而非孿晶結構是獲得所需程度的強度和韌性的最有效方法之一，而殘留的奧氏體薄膜有助于達到延展性和成形性能的質量。要獲得錯位板條顯微結構而非較差的孿晶結構，需要仔細選擇合金組成，因為合金組成會影響通常記為Ms的馬氏體起始溫度，該溫度是馬氏體相先開始形成的溫度。馬氏體轉變溫度是決定相變過程中形成孿晶結構還是錯位板條結構的因素之一。
在許多用途中，耐腐蝕性能對鋼部件的使用效果是很重要的。對通常用于潮濕環境的鋼以及在鋼筋混凝土中由于混凝土的多孔性特別如此。由于腐蝕性一直受到關注，所以人們不斷在努力開發具有改進耐腐蝕性能的鋼合金。本發明就是解決制造既耐腐蝕，強度和韌性又高的鋼的這些和其它問題的。
發明概述現在發現，從結構中除去存在的沉淀物，如碳化物、氮化物和碳氮化物，包括其形態隨組成、冷卻速率和其它合金化過程參數而不同的含有碳化物、氮化物或碳氮化物的自回火產物和轉變產物，如貝氏體和珠光體，可以減小錯位板條結構的腐蝕性。已經發現，這些沉淀物細小結晶與這些沉淀物分散在其中的馬氏體相之間的界面起原電池的作用，促進了腐蝕，所以鋼在這些界面上開始發生點蝕。因此，本發明部分基于不含碳化物、氮化物或碳氮化物的錯位板條顯微結構的合金鋼和該種結構合金鋼的形成方法。本發明還基于通過限制合金元素的種類和用量，使得馬氏體起始溫度Ms為350℃或更高來獲得該類顯微結構的發現。此外，本發明還基于這種發現即雖然迅速的冷卻速率能避免碳化物、氮化物或碳氮化物會在錯位板條結構中產生的自回火和其它現象，但某些合金組合物通常僅用空氣冷卻就能產生無自回火產物和沉淀物的錯位板條結構。通過下面的描述，能更好地了解本發明的這些和其它目的、特征和優點。
附圖簡述
圖1是說明本發明合金處理步驟和條件的相變動力學圖。
圖2是表示本發明合金組合物顯微結構的簡圖。
圖3是本發明四種合金應力與應變的關系圖。
具體實施例方式
的描述某個相中過量的合金元素以和合金中其它元素形成化合物沉淀，能減輕該相因對該合金元素過飽和而產生的應力，所得化合物存在在分散于整個相的隔離區域中，而余下的相轉變為飽和狀態，此時合金組合物就發生了自回火。自回火會因此使過量碳沉淀為碳化鐵(Fe3C)。如果鉻以又一種合金元素存在，一些過量的碳也會沉淀為二碳化三鉻(Cr3C2)，有其它合金元素時也會產生其碳化物沉淀。自回火還會使過量的氮沉淀為氮化物或碳氮化物。本文將所有這些沉淀物都統稱為“自回火產物”。本發明完成其減輕合金對腐蝕敏感性目的的方法，就是避免產生包括沉淀物的這些產物和其它轉變產物。
根據本發明，通過合理選擇合金組成和馬氏體轉變溫度范圍內的冷卻速率，通常能避免自回火產物和碳化物、氮化物和碳氮化物的形成。在冷卻的任何特定階段的冷卻速率控制著合金冷卻時由奧氏體相產生的相變，通常用溫度為縱軸，時間為橫軸的相變動力學示圖來表示相變，該圖的不同區域顯示不同的相，相之間的線表示從一相轉變為另一相的條件。此相圖中邊界線的位置和由這些邊界線定義的各個區域隨合金組成而異。
這種相圖的一個例子示于圖1。馬氏體轉變范圍用表示馬氏體起始溫度Ms的橫線11以下的區域表示，該橫線以上的區域12是奧氏體存在的區域。Ms線上區域12內的C形曲線13將奧氏體區域分為兩個小區。“C”形曲線左邊的小區14中，合金完全保持為奧氏體相，而“C”形曲線右邊的小區15中，奧氏體相中形成各種形態的含有碳化物、氮化物、碳氮化物的自回火產物和其它轉變產物，如貝氏體和珠光體。Ms線的位置以及“C”形曲線的位置和曲率隨著合金元素的種類和用量而異。
如果選擇能避開進入或經過自回火產物小區15(“C”形曲線的內部)的冷卻規程，就能避免自回火產物的形成。如果使用例如恒定的冷卻速率，冷卻規程可用由零時間開始完全處于奧氏體區域14的恒定(負)斜率的直線表示。能避免自回火產物小區15的冷卻速率的上限用圖中與“C”形曲線相切的直線16表示。為了大致避免自回火產物即碳化物的形成，必須使用的冷卻速率用臨界線16左邊的線表示(即以相同的零時間點起始，但斜率更陡)。
因此視合金組成而異，可用水冷或空氣冷卻來獲得足以符合這種需要的冷卻速率。通常，如果可空氣冷卻并且冷卻速率仍足夠高的合金組成中某些合金元素用量減少的話，需要增加其它合金元素的用量，來保持可使用空氣冷卻的能力。例如，碳、鉻或硅這類合金元素中有一種或多種的含量減少，就可提高一種元素如鎂的含量來補償。
例如含有(i)0.05-0.1％的碳，(ii)濃度至少約為2％的硅或鉻，(iii)濃度至少約為0.5％的鎂(其余為鐵)的合金組合物(所有都以重量計)，優選用水淬火來冷卻。這些合金組合物的特定例子是(A)合金元素為2％硅、0.5％鎂、0.1％碳的合金，和(B)合金元素為2％鉻、0.5％鎂、0.05％碳的合金(所有都以重量計，且其余為鐵)。可用空氣冷卻但仍能避免形成自回火產物的合金組合物例子，是那些含有約0.03-0.05％碳、約8-12％鉻、約0.2-0.5％鎂(其余為鐵)的合金組合物(所有都以重量計)。這些合金組合物的例子是(A)含有0.05％碳、8％鉻、0.5％鎂的合金，和(B)含有0.03％碳、12％鉻、0.2％鎂的合金。需要強調的是，這些只是例子而已。對鋼合金和鋼相變動力學圖熟悉的技術人員來說，其它合金組合物是顯而易見的。
如上所述，使用其馬氏體起始溫度Ms約為350℃或更高的合金組合物，能避免相變時的孿晶現象。獲得此結果的優選方法是使用作為合金元素的碳濃度約為0.01-0.35重量％、更優選約0.05-0.20重量％或0.02-0.15重量％的合金組合物。其他合金元素的例子可以包括鉻、硅、鎂、鎳、鉬、鈷、鋁和氮，單獨使用或結合使用皆可。鉻是特別優選的，因為它能為鋼提供耐腐蝕性能的鈍化能力。如果使用鉻，其含量可以改變，但在大多數情況下，鉻在約1-13重量％的范圍內。鉻含量的優選范圍約為6-12重量％，更優選的范圍約為8-10重量％。如果存在硅，其濃度也可改變。硅的含量優選最多約2重量％，最優選為0.5-2.0重量％。
上文參考的Thmas等人的四項美國專利中所述的包括和鋼筋廠的處理步驟和條件，可用于本發明的實施，將合金組合物加熱為奧氏體相，使合金從奧氏體相經過馬氏體轉變區冷卻，并在該過程的一個或多個階段進行壓延。根據這些步驟，使合金組合物加熱為奧氏體相，優選在高達約1150℃的溫度進行，或更優選在900-1150℃的范圍內進行。然后將合金在奧氏體形成溫度下保持足夠的時間，使元素獲得符合奧氏體相晶體結構基本上完全的取向。在奧氏體形成和冷卻步驟中，一個或多個階段的壓延以可控方法進行，使晶粒變形，并將應變能儲存在晶粒中，還引導新形成的奧氏體相轉變為馬氏體板條被殘留奧氏體薄膜所隔開的錯位板條排列。這是通常通過壓延10％或更多的壓縮量、優選約30-60％的壓縮量來完成的。
在部分冷卻之后，可以再進行壓延，引導晶粒和晶體結構朝向錯位板條的結構轉變，然后進行最終冷卻，其冷卻速率務使能避開上述自回火或轉變產物形成的區域。馬氏體錯位板條和奧氏體膜的厚度可根據合金組成和處理條件而不同，本發明對此沒有什么限制。但在大多數情況下，殘留奧氏體膜約占顯微結構體積的0.5-15％，優選約為3-10％，最優選為至多約5％。圖2是合金的錯位板條結構簡圖，基本上平行的板條21由馬氏體相晶粒組成，該板條被殘留奧氏體相的薄膜22所隔開。值得注意的是，該結構基本上沒有碳化物，一般也沒有沉淀物(包括氮化物和碳氮化物)，先有技術中這些沉淀物以比所示的兩相尺寸小得多的另一針狀結構物形式出現，分散在整個錯位馬氏體板條中。不存在這些沉淀物就大大增加了合金的耐腐蝕性能。這種鋼澆鑄以后，并且以足夠快的速率冷卻，也能獲得圖2所示的上述顯微結構。
圖3是本發明范圍內四種合金顯微結構的應力對應變的關系圖，這四種結構都是錯位板條排列，且不含自回火產物。各合金都有0.05％的碳和不同量的鉻，方塊表示2％，三角表示4％，圓表示6％，而平滑線表示8％的鉻。各應力-應變曲線下的面積是鋼韌性的一種衡量，注意此面積隨著鉻含量的增加而增加，因此韌性也增加，所有四種鉻含量都顯示出下方面積相當大即韌性佳的曲線。
本發明的鋼合金特別適用于需要抗張強度高，并由包括冷成形法的方法制造的產品，因為此合金的顯微結構特別適合于冷成形。這些產品的例子是用于汽車的金屬板材以及例如用于徑向增強汽車輪胎的金屬絲材或棒材。
上述內容主要是為了說明而提出的。可對合金組合物的各種參數和處理步驟及條件進行改進和改變，而仍能實施本發明基本和新穎的概念。對本領域的技術人員這些是容易做到的，只要包括在本發明的范圍內。
權利要求
1.高強度、耐腐蝕性能、韌性的合金碳鋼的制造方法，它包括(a)形成由鐵和至少一種合金元素組成的的合金組合物，所述的合金組合物中包含的碳的比例選為能為合金組合物提供馬氏體起始溫度Ms至少350℃的馬氏體轉變范圍，所述的比例還選為能使所述的合金組合物經過所述的馬氏體轉變范圍進行空氣冷卻而不形成碳化物；(b)將所述的合金組合物加熱至高到足以奧氏體化的溫度，所用條件使所述的合金組合物轉變為所有合金元素均固溶的均勻奧氏體相；(c)以快到足以避免發生自回火的冷卻速率，將所述的均勻奧氏體相經過所述的馬氏體轉變范圍冷卻，獲得含有馬氏體板條和殘留奧氏體膜交替排列而基本上不含碳化物的顯微結構。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.01-0.35重量％。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.05-0.20重量％。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.02-0.15重量％。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的至少一種合金元素還包括其用量足以為所述的碳鋼提供耐腐蝕性能的鉻。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的鉻占所述合金組合物的1-13重量％。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的鉻占所述合金組合物的6-12重量％。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于所述的鉻占所述合金組合物的8-10重量％。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的至少一種合金元素還包括其用量足以為所述的碳鋼提供耐腐蝕性能的硅。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述的硅占所述合金組合物的含量至多約為2.0重量％。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述的硅占所述合金組合物的0.5-2.0重量％。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的至少一種合金元素還包括氮，并且所述的步驟(c)的冷卻速率快到足以獲得包含馬氏體板條和殘留奧氏體膜交替排列而基本上不含碳化物、氮化物或碳氮化物的顯微結構。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(b)在900-1150℃的溫度范圍內進行。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(b)在最高約為1150℃的溫度進行。
15.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的殘留奧氏體膜占所述步驟(c)顯微結構的0.5-15％。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的殘留奧氏體膜占所述步驟(c)顯微結構的3-10％。
17.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的殘留奧氏體膜占所述步驟(c)顯微結構約5％。
18.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.05-0.1重量％，所述的至少一種合金元素還包括(i)選自硅和鉻且濃度至少約為2重量％的元素和(ii)濃度至少約為0.5重量％的鎂，并且步驟(c)用水淬火來進行。
19.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.05-0.1重量％，所述的至少一種合金元素還包括(i)選自硅和鉻且濃度約為2重量％的元素和(ii)濃度約為0.5重量％的鎂，并且步驟(c)用水淬火來進行。
20.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述的碳占所述合金組合物的0.03-0.05重量％，所述的至少一種合金元素還包括(i)濃度為8-12重量％的鉻和(ii)濃度為0.2-0.5重量％的鎂，并且步驟(c)用空氣冷卻來進行。
21.產品，它用權利要求1所述方法制造。
22.產品，它用權利要求1所述方法制造產品，并包含0.05-0.2重量％碳和6-12重量％鉻。
23.產品，它用權利要求1所述方法制造，并包含0.05-0.2重量的碳和約2重量％的硅。
24.產品，它用權利要求1所述方法制造，其中所述的步驟(b)在最高約為1 150℃的溫度進行，并且所述的殘留奧氏體膜占所述步驟(c)顯微結構約5％。
25.產品，它用權利要求18所述的方法制造。
26.產品，它用權利要求19所述的方法制造。
27.產品，它用權利要求20所述的方法制造。
全文摘要
將高強度、高韌性與高耐腐蝕性能結合在一起的錯位板條顯微結構的合金鋼,其中基本不含孿晶的錯位馬氏體板條和殘留奧氏體薄膜交替排列,且錯位馬氏體板條和殘留奧氏體膜中都沒有自回火的碳化物、氮化物和碳氮化物。通過選擇其奧氏體起始溫度為350℃或更高的合金組合物,并選擇從奧氏體相經過馬氏體相而避開發生自回火區域的冷卻規程,獲得該顯微結構。
文檔編號C21D1/22GK1360640SQ00810210
公開日2002年7月24日 申請日期2000年3月28日 優先權日1999年7月12日
發明者G·托馬斯 申請人:美國Mmfx鋼材股份有限公司