由高強度、可脫溶硬化不銹鋼材料制造出的鑄造成型制品及其制造方法

專利名稱：由高強度、可脫溶硬化不銹鋼材料制造出的鑄造成型制品及其制造方法
技術領域：
本發明涉及由高強度、可脫溶硬化不銹鋼材料鑄造而成的成形制品以及這種制品的制造方法。更具體而言，本發明涉及由這種合金材料制成的鑄造高爾夫球棒頭部。
背景技術：
為在競爭上獲得優勢，高爾夫球棒生產廠家對在空氣中可鑄造的高強度、耐蝕合金材料的需求日益高漲。至今，基于其所同時具有的高強度、高硬度以及良好的耐蝕性，可脫溶硬化不銹鋼材料一直被用于這些用途。
例如，在出版編號為WO 01/79576的國際申請中對一種適于在空氣中型材鑄造的高強度、馬氏體可脫溶硬化不銹鋼材料進行了說明。在該專利申請中，高強度被定義為當合金材料在固溶處理和時效硬化條件下，其室溫屈服強度至少為約190ksi。在已公開的國際申請中說明的這種合金材料通常屈服強度最高可達約200ksi、極限抗拉強度最高可達約210ksi。
盡管可通過已有的可脫溶硬化不銹鋼材料實現不同的高強度、韌性和耐蝕性等參數特性組合，但是在那些合金材料中都使用了具有較高反應活性的元素，例如在時效硬化熱處理過程中與鎳反應生成強化脫溶物的鈦或鋁元素。然而，鈦或鋁對氧氣和氮氣具有較強的親和性。由于熔融金屬暴露于空氣中時會與氧氣和氮氣發生一些不良反應，因此含有那些元素的合金材料不適于在空氣中鑄造型材制品。將熔融金屬與空氣隔離如使用惰性氣體氣氛的方法并不能為金屬材料提供足夠的保護。因此使用這種鋼材不能直接獲得在空氣中或非真空條件下熔融處理和鑄造所具有的經濟效益。
Carpenter科技有限公司(Carpenter Technology Corporation)已銷售過一種可時效硬化不銹鋼鐵基合金材料的可鍛制品，其商品名為PYROMET X-23。該種合金材料具有良好的切口拉伸強度(即NTS/UTS≥1)以及優良的拉伸延性，其極限抗拉強度最高可達約260ksi。基于其良好的綜合性能，如高強度、高韌性、良好的耐蝕性以及熱穩定性，PYROMET X-23合金主要用于槍筒材料。在這里，熱穩定性指的是在700-1000F溫度范圍內合金材料不產生脆化的能力。PYROMET X-23合金材料通常作為一次真空熔融(即VIM)產品或二次真空熔融(即VIM/VAR)產品進行生產。

發明內容
如本發明所述，提供在大氣壓條件下在空氣或惰性氣體氣氛中鑄造生產出的成形制品。同已有的在空氣中可鑄的不銹鋼材料相比，如本發明所述的制品所具有的綜合性能更佳，即高強度、高硬度、優良的延性以及良好的耐蝕性。如本發明所述的鑄造制品由高強可鑄不銹鋼合金材料制造而成，其組分具有以下較寬、中等和優選的重量百分含量范圍。
較寬范圍中等范圍優選范圍C 最大值0.1最大值0.025最大值0.015Mn 最大值2 最大值1最大值0.5Si 最大值1 最大值1最大值0.5P 最大值0.05 最大值0.04 最大值0.03S 最大值0.05 最大值0.03 最大值0.01Cr 9-13 9.5-12 10.0-11.5Ni 4-8 5-85.5-7.5Mo 4-8 4-85-6Co 8-16 8-16 9.5-13.5N 最大值0.1最大值0.025最大值0.015合金材料的剩余成分主要為鐵和在相近用途或服務中使用的可時效硬化不銹鋼材料商品等級中常見的雜質。此外，合金材料可有選擇地含有最高為約1％的鈮或鈮和/或鉭。合金材料也可含有最高為約0.02％的硼。由這種合金材料制成的一種鑄造制品，如高爾夫球棒頭部，具有至少約為220ksi的屈服強度以及良好的韌性和延性。
前述列表僅用作一覽表，由此并不用作限制本發明中組合使用的各個合金組分元素含量的下限值和上限值，或不限制單獨與其它組分元素組合使用的元素范圍。由此，一個或更多的較寬組分含量范圍的組分元素可與一個或更多的位于中等或優選組分含量范圍內的其余元素的其他范圍一起使用。此外，最小量或最大量的位于較寬、中等或優選組分含量范圍內的元素可與最大量或最小量的其它不同組分含量范圍之一內的元素混合使用。
在這一應用中，除非另有說明，術語“百分比”或符號“％”表示重量百分數。同時，術語“屈服強度”表示由應力-應變曲線與應變偏移量為0.2％時平行于應力-應變曲線彈性變形部分的直線的交點相對應的應力數值求出的條件屈服強度。
本發明的另一方面是提供一成形制品的生產方法。生產方法中包括熔融具有前述列出的任意合金重量百分含量的不銹鋼合金材料這一步驟。將熔融合金材料澆注到鑄模中形成可固化的成形制品。然后在一較高的溫度加熱成形制品足夠時間，以使成形制品的成分和微觀組織基本上完全均勻化。然后對成形制品進行熱處理，以使成形制品達到使用所需的強度和韌性的組合。
具體實施例方式
在上表中所述重量百分含量范圍內的合金成分均適用于在空氣中鑄造高爾夫球棒元件。合金材料可經濟地實現至少約為220ksi室溫極限抗拉強度，同時還保持適用于高爾夫球棒的足夠的延性和較好的耐蝕性。主體合金成分的可鍛制品，包括鍛件、帶材以及管材，也可用于高爾夫球棒，同時與在空氣中鑄造的元件相容。本發明中的產品也可用于與高爾夫產業不相關的小型部件，例如槍支組件。
本發明的一個重要方面是在無高反應活性元素如鈦或鋁的情況下，主體合金成分對時效硬化的響應能力。含有鈦和/或鋁的可時效硬化的不銹鋼材料通過Ni-Al或Ni-Ti化合物在低碳馬氏體基體中發生脫溶而具有較高的強度。相反，本應用所述合金材料通過Co/Mo/富Cr相金屬間化合物，已知為“R”相，發生脫溶反應而進行時效硬化。由于合金材料中不存在高反應活性元素，本發明所用合金材料在合金基體中形成氧化物和/或氮化物的能力減弱。此外，在重熔和鑄造過程中當熔融金屬暴露于空氣中時，本發明所用合金材料對其它組分含量變化如脫碳反應的敏感性降低。
如本發明所述用于鑄造制品的合金材料含有至少約9％、至少約9.5％較佳、優選至少約10.0％的鉻，以在氧化性，其中包括大氣暴露條件下獲得足夠的耐蝕性。盡管鉻含量的增加有助于改善合金材料的耐蝕性，但是鉻含量過高不利于合金材料的韌性和相穩定性。元素鉻由于可促進鐵素體的形成和保留過量的奧氏體，從而不利于合金材料的相穩定性。因此，鉻含量不應超過約1 3％，不超過約12％較佳，優選不超過約11.5％。
元素鈷在本發明合金材料中具有多種用途。例如，元素鈷促進奧氏體的形成，進而有利于合金材料的韌性。同時元素鈷也參與了“R”相發生脫溶反應的時效硬化過程。為達到較好效果，鈷元素含量至少約8％、優選至少約9.5％。鈷元素含量過高會使合金材料中的奧氏體很穩定，以使馬氏體在淬火過程中不能產生完全形變，由此阻礙合金材料獲得所能達到的更高強度和硬度。增加鈷元素含量同時也增加了合金制造成本，而不會帶來進一步經濟效益。基于這些原因，合金中鈷元素含量不應超過約16％，優選不超過約13.5％。
與鈷元素一樣，鎳元素的存在同樣促進奧氏體的形成，進而有利于合金材料的韌性。因此，本發明鑄造產品用合金材料為獲得較好韌性和延性，鎳元素含量至少約4％、至少約5％較佳、優選至少約5.5％。然而，鎳元素的存在也對在淬火過程中發生的奧氏體-馬氏體轉變有嚴重影響。因此，合金中鎳元素含量不應超過約8％，優選不超過約7.5％。
由于元素鉬的存在不僅有利于“R”相強化脫溶物的形成，而且有利于合金材料的韌性、延性和耐蝕性，因此在本發明合金材料中含有至少約4％、優選至少約5％的鉬元素。另一方面，由于鉬含量過高會使合金材料中保留過多奧氏體，促進生成不利的鐵素體，因此，合金中鉬含量不應超過約8％，優選不超過約6％。全部或部分鉬元素可被相當量的鎢元素所替代。如專業技術人員所知，按照以下比例用鎢元素替代給定量鉬元素并提供相當的效果即每1％的鉬元素相當于約2％的鎢元素。
由于硅元素的存在有利于合金材料在鑄造過程中的流動性，因此在本發明所用合金材料中可含有少量硅，如約0.01％-0.02％。同時作為去氧化劑的硅元素也有利。由于硅元素為鐵素體形成元素，在合金材料中其濃度不應超過約1％，優選不超過約0.5％。
用于如本發明所述鑄造制品的合金材料可有選擇地含有高達約1％的鈮元素。由于鈮元素與氧氣和氮氣的反應活性遠弱于鈦或鋁，因此鈮元素的存在不會損害合金材料在空氣中的可鑄性。此外，由于鈮可與鎳形成富鎳-鈮相的金屬間化合物，起到強化合金中的馬氏體基體的作用，所以鈮元素有利于改善合金材料的強度。由于合金材料中鈮元素含量超過約1％就會不利于合金的韌性和延性，因此合金中使用的鈮元素的量受限于前述量。可用元素鉭以基于重量百分含量的2比1的比例全部或部分取代鈮元素。
由于硼元素有利于合金材料的熱加工性和韌性，如本發明所述用于鑄造物件的合金材料中也可少量但有效地含有高達約0.02％的硼元素。硼元素還可用作去氧化劑。盡管熱加工性并非鑄造制品通常所考慮的主要因素，在型材產品生產過程中可根據本發明使用熱加工操作重熔鑄造制品。
合金材料的其余成分主要為鐵和在相近用途或服務中使用的可脫溶硬化不銹鋼材料商品等級中常見的雜質。在這方面，本發明所用合金中不可避免地含有碳、氮、錳、磷和硫。然而，這些元素無論是單獨還是組合存在，若含量過高均不利于合金材料的強度和韌性，因此要控制這些元素的量。在固溶體中，碳和氮為奧氏體的強穩定劑。它們濃度過高不利于合金材料的相穩定性。同時，碳和氨易于與鉻結合形成不需要的碳化物、氮化物和碳氮化物。因此，碳和氮含量各自被限制不應超過約0.1％，不超過約0.025％較佳，優選不超過約0.015％。
錳含量被限制不應超過約1％，優選不超過約0.5％。磷含量被限制不應超過約0.050％，不超過約0.040％較佳，優選不超過約0.030％。由于對合金材料的機械性能和耐蝕性有不利影響，硫含量被限制不應超過約0.05％，不超過約0.030％較佳，優選不超過約0.01％。在成形制品中可不定量地或以合金添加得到的殘留物形式存在銅、釩、鋯、鈣、鈦、鋁和稀土金屬等其它元素。
直接制備出合金材料并將其澆注進入鑄模中以成形如高爾夫球棒頭部的元件。使用已有方法將其在空氣或惰性氣體氣氛中熔融。盡管在真空條件下熔融合金，如通過真空感應熔融(VIM)，會得到更佳效果，所增加的VIM成本并不保證高爾夫球棒組件質量的提高。可使用一種相對簡單的鑄件熱處理工藝使合金材料得到一些特性。優選實施方式為將鑄件在約2000-2300°F條件下加熱約1-4小時，使合金材料均勻化。然后在空氣中將鑄件從均勻化溫度冷卻。在均勻化熱處理后，將鑄件在約1400°F到約2000°F范圍內進行充足時間的固溶退火以確保合金材料基本上完全奧氏體化。對如本發明所述鑄造型材而言，保溫時間至少約為30分鐘。將鑄件快速從固溶退火溫度冷卻至室溫，優選在水、油或聚合物溶液中淬火，以確保對于隨后進行的時效硬化熱處理產生最佳效果。也可以實施強制氣體冷卻。
在固溶處理后，將鑄件加熱至約900°F-1100°F溫度范圍，優選約950°F-1025°F溫度范圍約1-4小時使其時效硬化，然后在空氣中冷卻。
實例如本發明所述一鑄件實例，其重量百分含量如下表1所示。
表1C Mn Si PSCr NiMoCo Cu B N0.006 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.005 ＜0.001 10.12 7.01 5.48 10.05 ＜0.01 0.003 0.002合金材料的其余成分為鐵和常見的雜質。實施例在大氣壓條件下氬氣氣氛中熔化。對在鑄造+熱處理條件下鑄件實施例的機械性能進行評估。評估結果詳見下表表2。
表2熱處理*0.2％屈服強度 UTS ％延伸率％R.A. NTS NTS/UTS 硬度(ksi) (ksi) (4D) (ksi)(HRC)A230.0 245.7 13.4 51.6 351.7 1.43 49.5B233.6 253.1 13.2 48.5 346.7 1.37 50.0C222.8 253.4 14.1 54.2 324.3 1.28 49.0D214.2 249.7 14.7 52.4 321.6 1.29 48.0E201.6 242.8 16.4 54.5 297.6 1.23 47.5F192.0 236.0 15.5 51.1 284.5 1.21 47.0*對于以上測試，所有樣品在鑄造后均經過均勻化+固溶-退火處理，工藝如下所示2100°F加熱4小時，然后在空氣中冷卻；1700°F加熱1小時，然后在水中淬火。試樣在不同溫度條件下進行時效硬化，如下所示處理工藝A-950F，4小時，空氣冷卻處理工藝B-975F，4小時，空氣冷卻處理工藝C-1000F，4小時，空氣冷卻處理工藝D-1025F，4小時，空氣冷卻處理工藝E-1050F，4小時，空氣冷卻處理工藝F-1075F，4小時，空氣冷卻如表2中數據所示，在約975 °F條件下對鑄件進行時效處理可獲得硬度峰值約為HRC 50。結果還說明主體發明中的非真空鑄造試樣在較寬時效溫度范圍內可獲得超過極限抗拉強度約220ksi的屈服強度值以及實用的延性和切口拉伸強度。
如本發明所述鑄件對應的時效硬化溫度低于約950°F。然而該種處理被認為“時效不足”熱處理，也就是說，結果導致合金材料強度小于所能達到的峰值強度。經過這種“時效不足”熱處理后，合金材料依然具有有效的強度值。該特征使本發明所述合金材料與其它在較低溫度條件下如約900-950°F進行時效處理時達到峰值強度的可脫溶硬化不銹鋼材料“設計相容”。這一特征有利于高爾夫球棒頭部的設計，其中成形于一質量等級的可脫溶硬化不銹鋼材料的可鍛帶材的一端面與另一可脫溶硬化不銹鋼合金材料的主體相連接。當在高爾夫球棒頭部設計中不使用多種材料時，如本發明所述合金材料優選在最高溫度條件下進行時效硬化處理以達到規定或指定的強度要求。
可控數量的復原奧氏體的存在對本發明合金材料的韌性和延性有利。下表3中列出了在上表1中合金材料樣品中含有的奧氏體數量。熱處理標號與上表2中規定的工藝相對應。
表3

表3中列出的數據說明隨著時效硬化溫度升高，經過時效硬化處理的鋼材中含有的奧氏體數量增多。
值得注意的是盡管晶粒尺寸有些粗大(即，ASTM晶粒尺寸No.0-1)，這種情況在高爾夫球棒頭部的鑄造過程中很常見，合金材料還是達到了在此規定的機械性能。此外，本發明的另一特征為如上所述在固溶退火處理之前采用了均勻化熱處理工藝，這樣對鑄造部件有利，其中包括改善鑄件的強度、拉伸延性和性能的均勻性。為說明均勻化熱處理工藝的優勢，制備如表4所示組分重量百分含量的第二表4C Mn Si PSCr NiMoCo Cu B N0.002 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.005 ＜0.001 10.09 6.98 5.48 10.96 ＜0.01 0.0020 0.005合金材料的其余成分為鐵和常見的雜質。
表5熱處理 0.2％屈服強度UTS％延伸率％RA(ksi)(ksi) (4D)A1192.0230.8 9.3 15.4B2206.8245.3 13.442.01處理工藝A1700°F固溶退火處理1小時，隨后在水中淬火處理+1025°F時效4小時，空氣冷卻。
2處理工藝B2100°F均勻化處理4小時，隨后空氣冷卻+1700°F固溶退火處理1小時，隨后在水中淬火處理+1025°F時效4小時，空氣冷卻。
表5中列出的數據說明在固溶退火處理前進行過均勻化熱處理的試樣比未經均勻化熱處理的試樣具有更好的強度和延性等綜合性能。
在此使用的術語和表達方法用作說明性術語，而不作為限制性術語。使用這些術語和表達方法并不意味著排除要素、特征或步驟的其它等效表示法。然而，在本發明權利要求范圍內可以進行各種修改。
權利要求
1.一種鑄造成形制品，由高強度、可脫溶硬化的不銹鋼合金材料制成，大體上含有如下組分，其重量百分含量約為C最大值0.1Mn 最大值2Si 最大值1P最大值0.05S最大值0.05Cr 9-13Ni 4-8Mo 4-8Co 8-16N最大值0.1其余成分基本上為鐵和常見的雜質。
2.如權利要求1所述的成形制品，其特征在于，其在鑄造和熱處理條件下提供至少約為220ksi的室溫屈服強度。
3.如權利要求1所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約1％的鈮元素。
4.如權利要求1所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約0.02％的硼元素。
5.如權利要求1所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料大體上含有如下組分，其重量百分含量約為C最大值0.025Mn 最大值1Si 最大值1P最大值0.04S最大值0.03Cr 9.5-12Ni 5-8Mo 4-8Co 8-16N 最大值0.025其余成分基本上為鐵和常見的雜質。
6.如權利要求5所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約1％的鈮元素。
7.如權利要求5所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約0.02％的硼元素。
8.如權利要求1所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料大體上含有如下組分，其重量百分含量約為C 最大值0.015Mn最大值0.5Si最大值0.5P 最大值0.03S 最大值0.01Cr10.0-11.5Ni5.5-7.5Mo5-6Co9.5-13.5N 最大值0.015其余成分基本上為鐵和常見的雜質。
9.如權利要求8所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約1％的鈮元素。
10.如權利要求8所述的成形制品，其中可脫溶硬化的不銹鋼合金材料含有高達約0.02％的硼元素。
11.一種成形制品的生產方法，包括下列步驟熔融含有如下組分的不銹鋼合金材料，組分含量以重量百分含量表示C最大值0.1Mn 最大值2Si 最大值1P最大值0.05S最大值0.05Cr 9-13Ni 4-8Mo4-8Co8-16N 最大值0.1其余成分基本上為鐵和常見的雜質；將熔融合金材料澆鑄進入鑄模，成型為鑄造制品；使鑄造制品固化；然后熱處理鑄造制品以使該鑄造制品產生時效硬化。
12.如權利要求11所述的方法，其中熔融合金材料在空氣中進行鑄造。
13.如權利要求11所述的方法，其中熔融合金材料在惰性氣體氣氛中進行鑄造。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，其包括以下步驟，即對鑄造制品進行熱處理，使鑄造制品的成分和微觀結構大致均勻化，在鑄造制品固化完成后，但在鑄造制品時效硬化處理進行前，進行所述均勻化熱處理。
15.如權利要求14所述的方法，其中均勻化熱處理步驟包括以下步驟，即在均勻化溫度約2000-2300°F下將鑄造制品加熱，然后將鑄造制品冷卻。
16.如權利要求15所述的方法，其中均勻化熱處理步驟包括以下步驟，即加熱鑄造制品約1-4小時。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，其包括以下步驟，即將鑄造制品從均勻化溫度冷卻至接近室溫。
18.如權利要求11所述的方法，其中時效硬化熱處理步驟包括以下步驟在一足夠高的溫度下加熱鑄造制品以使不銹鋼合金材料基本上完全奧氏體化；將鑄造制品快速冷卻至接近室溫；然后在硬化溫度約900-1100°F下將鑄造制品加熱。
19.如權利要求18所述的方法，其中不銹鋼合金材料的奧氏體化步驟包括在約1400-2000°F的溫度下將鑄造制品加熱至少30分鐘。
20.如權利要求18所述的方法，其中奧氏體化合金材料的加熱步驟包括以下步驟，即在約950-1025°F的溫度下將奧氏體化合金材料加熱，以提供至少約為220ksi的屈服強度。
21.如權利要求18或20所述的方法，其中加熱奧氏體化合金材料約1-4小時。
22.一種高爾夫球棒頭部，由高強度、可脫溶硬化的不銹鋼合金材料制成，大體上含有如下組分，其重量百分含量約為C 最大值0.1Mn 最大值2Si 最大值1P 最大值0.05S 最大值0.05Cr 9-13Ni 4-8Mo 4-8Co 8-16N 最大值0.1其余成分基本上為鐵和常見的雜質；所述高爾夫球棒頭部采用如下方法成形，即將所述合金材料在鑄模中進行鑄造，固化該合金材料，然后在一定溫度和時間條件下對合金材料充分進行熱處理，以便為所述高爾夫球棒頭部提供至少約為220ksi的屈服強度。
全文摘要
公開一種在標準大氣壓條件下空氣或惰性氣體環境下生產出的成型制品。與已有的在空氣中鑄造的不銹鋼材料相比較，這種成型制品具有高強度、高硬度，良好的延性和耐蝕性等較優的綜合性能。如本發明所述鑄造制品由一種高強度、可鑄不銹鋼材料制成，該材料所含組分及其重量百分含量如下C最大值0.1、Mn最大值2、Si最大值1、P最大值0.05、S最大值0.05、Cr 9－13、Ni 4－8、Mo 4－8、Co 8－16、N最大值0.1。合金材料的其余成分基本上為鐵和常見的雜質。本文中同樣也對該制品的生產方法進行了說明。
文檔編號C22C38/34GK1505691SQ02809225
公開日2004年6月16日 申請日期2002年2月28日 優先權日2001年3月2日
發明者J·W·馬丁, J W 馬丁 申請人:Crs控股公司