專利名稱：：硬化馬氏體鋼、使用其制備組件的方法及由此方法獲得的組件的制作方法
技術領域：
：本發明涉及馬氏體鋼，其通過雙工系統(duplexsystem)進行硬化，即通過使用鋼的合適組合物和熱時效工序所得的金屬間化合物和碳化物的析出進行硬化。
背景技術：
：這種鋼必須具有-非常高的機械強度，但同時還需要具有高韌性和延性，即脆性斷裂敏感性低；必須在高溫下(即達至400。C的溫度)保持非常高的強度；-良好的疲勞性能，特別是其不含有有害夾雜物，例如TiN和氧化物；該特征必須通過合適的組成以及小心地控制熔融金屬的生產條件而獲得。而且，其必須是表面可硬化(case-hardened)和可氮化的，以便可以硬化其表面，賦與該表面高耐磨性。這種鋼主要應用在傳動軸的生產，尤其是用于飛機發動機。在本申請中，優異的高溫機械強度的要求不允許使用碳鋼，其強度從200。C開始退化。常規使用的為馬氏體時效鋼，其在高達350400°C的溫度下具有良好強度。在溫度超過此范圍的情況下，可進行回火工序，以改變其結構。文件US-A-5,393,388提出了一種鋼組合物，其用于改善耐熱性，以及尤其用于改善疲勞性能、延性和韌性。該組合物的缺點在于需要具有高Co含量(816%)，這導致鋼價格高昂。
發明內容本發明的目的在于提供能夠用于尤其是生產機械組件(例如是傳動軸或結構部件)的鋼，其具有進一步改善的在高溫下的機械強度，以及具有使其仍然適于這些用途的疲勞性能以及脆度。目的是使這種鋼的生產成本低于現有用于這些用途的最具功效的鋼。因此，本發明涉及一種鋼，其特征在于含有下列以重量百分比表示的組成-C=0.180.30%陽Co=57%-Cr=2~5%-Al=1~2%-Mo+W/2=l4%-V=痕量~0.3%-Nb=痕量~0.1%-B=痕量50ppm-Ni=10.515%且Ni"+3.5Al-Si=痕量0.4%-Mn=痕量~0.4%-Ca=痕量500ppm-稀土元素=痕量500ppm-Ti=痕量500ppm-O=痕量200卯m(如果鋼是通過粉末冶金法獲得的)或O=痕量50ppm(如果鋼于空氣中或真空下由熔融金屬制備所得)-N=痕量100ppm-S=痕量50ppm-Cu=痕量~1%-P=痕量200ppm其余的為鐵和生產過程中不可避免的雜質。優選其含有C=0.200.25%。優選其含有0=24%。優選其含有Al=11.6%，更優選1.41.6%。優選其含有Mo》1%。優選其含有Mo+W/2=12%。優選其含有V=0.20.3%。優選其含有Nb-痕量~0.05%。優選其含有Si-痕量~0.25%，更優選痕量0.10%。優選其含有Mn-痕量0.25。/。，更優選痕量~0.10%。優選其含有Ti=痕量100ppm。優選其含有0=痕量10ppm。優選其含有N:痕量50ppm，更優選痕量10ppm。優選其含有S二痕量10ppm，更優選痕量5ppm。優選其含有P:痕量100卯m。優選地，其馬氏體轉變溫度Ms大于或等于140°C，且Ms=550-350xC0/0-40xMn0/0-17xCr%-10xMo%-17xNi%-8xW%-35xV%-10xCu%-10xCo%+30xAl%°C。本發明還涉及由鋼制備組件的方法，其特征在于包括下列步驟，用于在組件完工前為組件提供明確的形狀-制備具有上述組成的鋼；-鍛造此鋼；-在600675°C進行420小吋軟化回火工序，其后于空氣中進行冷卻；-在9001000°C進行至少1小時的溶液加熱處理，其后迅速在油或空氣中進行冷卻，以防止奧氏體基體中晶粒間碳化物的析出；-任選于-50。C或以下，優選-80。C或以下，進行低溫處理工序，使所有奧氏體轉變成馬氏體，溫度比Ms低200。C或更多，至少一個處理工序持續至少2個小時；-任選于150。C250。C對所得的馬氏體進行416小時軟化處理工序，然后于靜止的空氣中進行冷卻；-于475600。C，優選490525。C進行520小時時效硬化。還可以對該組件進行氮化工序或表面硬化工序。本發明還涉及機械組件或結構部件，其特征在于其是根據上述方法進行制備的。其中，特別的，其可以是發動機的傳動軸、發動機懸置裝置或起落裝置元件。如將要說明的，本發明首先基于其特征在于一種鋼組合物，其特別是含有較低的Co含量從而有別于現有技術。相應地調整其它合金元素的含量，尤其是A1、Mo、W、Ni的含量。此外，也提出了優化的熱處理工序。這些鋼具有的塑性域(plasticdomain)(抗張強度Rm和屈服強度Rp0.2之差)在碳鋼和馬氏體時效鋼中間。對于馬氏體時效鋼，所述的差非常低，使導致高屈服強度但在其超過(exceeded)時就會急速破裂。本發明的鋼在這方面具有能夠通過硬化相和/或碳的比例進行調整的特性。本發明的鋼可以在淬火狀態下使用適于硬度為45HRC的工具進行加工。其介于馬氏體時效鋼(由于其具冇含碳量低的軟馬氏休，其可以在未處理的淬火狀態下進行加工)和碳鋼(其必須在退火狀態下進行加工)中間。本發明基于通過聯合使用P-NiAl型金屬間化合物和M2C型碳化物使得以進行硬化工序，以及基于在時效硬化工序中形成的逆變奧氏體(reversionaustenite)，其通過形成夾層結構為馬氏體提供延性(板條馬氏體之間少量％的逆變奧氏體)。必須避免氮化物的形成，尤其是具有脆化作用的Ti和Al;因此排除任何Ti的加成(可允許的最大值為500ppm，更優選100ppm)，且盡量將N的值限制到最低，通過將其限制以防止A1N的形成。對于它們的硬化和非脆化特性，優選Fe含量非常低的Cr、Mo、W和V的M2C碳化物。它們通過Mo和W而得以穩定。Mo和一半的W含量的總含量必須至少為1%。為了不損害可鍛性，以及不形成F^Mo6型的p相的金屬間化合物(參見Cr和V)，一定不能超過Mo+W/2=4%。優選Mo+W/2在1~2%之間。Cr和V是"亞穩"碳化物M2C穩定化的前體。V形成"阻塞"晶粒接合點以及限制晶粒在高溫下的熱處理工序中增大的碳化物。為了不促使非所需要的p相的金屬間化合物的形成，一定不能超過V=0.3%。優選V在0.20.3%之間的含量。Cr(至少為2%)的存在會降低V碳化物的含量，并提高M2C的含量。為了不形成P相，和M23C6碳化物，一定不能超過5%。優選不能超過4%。相對于(i相，C的存在可促使M2C的生成。然而，過量會導致偏析和Ms的降低。其含量必須在0.180.30%之間，優選0.200.25%。CO會延遲位錯的恢復，并因此延緩高溫下馬氏體中過度的時效機理。因此其得以維持高的耐熱性。然而，令人懷疑的是，如上所述由于Co會促使p相的生成，導致現有技術具有Fe-Ni-Co-Mo的馬氏體時效鋼的硬化，其大量的存在導致可用于形成M2C碳化物的Mo和/或W數量的減少，所述碳化物根據理想而值得促進的機理進行硬化。建議的Co含量(5~7%)與其它元素的含量是這些優點和缺點之間的折衷結果。Ni和Al是相關的。如果，相對于Ni，Al的含量太高，沒有可能實現逆變奧氏體。如果有過多的Ni，NiAl型硬化相的水平會大幅度降低，而在溶液中保留大量的A1。在淬火工序結束時，必須沒有殘留奧氏體且剩下的必定為馬氏體結構。因此，如果淬火工序使用固體C02，Ms必須2140°C。根據常規的公式計算出Ms:Ms=550-350xC%-40xMn%-17xCr%-0xMo%-17xNi%-8xW%-35xV%-10xCu%-10xCo%+30xAl%°C。為此必須根據其它元素調整Ni的含量。需要A1=12%，優選11.6%，更優選1.41.6%，以及Ni=10.5-15%，且Ni^7+3.5Al。理想地，Al為1.5。/。且Ni為12~13%。這樣可有利于NiAl的存在，其會提高抗張強度Rm，且發現該抗張強度不會因CO含量較低而變差。屈服強度Rp0.2以與Rm相同的方式受影響。與US-A-5393388中已知的鋼相比，其中為了提供高延性和韌性，非常高的逆變奧氏體含量是理想的，為了獲得高溫下的高機械強度，本發明提倡含有硬化B2相(尤其是NiAl)。依照對于Ni和Al所定的條件可確保足以保留適于預期的用途的延性和韌性的逆變奧氏體含量。可加入B，但為了不使鋼的可鍛性變差，其不可多于50ppm。本發明的一個特征還在于能夠用W替代至少一部分Mo。就一當量原子分數來說，W與Mo相比在固化過程中較少偏析，且通過形成對溫度表現穩定的碳化物，可在高溫下提供機械強度。其缺點在于成本高，且其能夠與Mo聯合使用從而優化成本。按照規定，Mo+W/2必須為14%之間，優選12%。為了限制鋼的成本，優選保留Mo為1%的最低含量。如果煉鋼是在空氣中進行，且在Nb和/或V碳氮化物中N是固定的，為了防止脆化氮化物A1N的形成，N最多可以為100ppm。為了使NS50ppm,或^10ppm，優選在真空下進行煉鋼。CU最多可以是1%。其能夠使用其S相而包括在硬化工序中，且Ni的存在限制了它的有害的影響。一般，必須要將例如P和s等的能夠于晶粒接合點偏析并使晶粒脆化的元素控制在下列限度內S=痕量~50ppm,優選痕量10ppm,更優選痕量5ppm，iP=痕量200ppm，優選痕量100ppm。可以使用Ca作為抗氧化劑，其最終發現有殘留量(S500ppm)。同樣地，按照用于精煉熔融金屬的工序最終可以保留殘余的稀土元素(S500ppm)。可接受的氧氣含量取決于鋼是通過粉末冶金法而獲得還是通過在空氣中或真空下由熔融金屬生產所得而變化。在第一個情況下，可容許最多為200ppm的含量。在第二個情況下，最大含量為50ppm，優選10ppm。作為實例，測試了鋼的樣品，其組成(重量百分比)顯示在表1中:<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表l:測試樣品的組成參照物鋼A對應為US-A-5393388的鋼，因此具有高Co含量。參照物鋼B對應為與鋼A相當的鋼，其中在不改變Co含量的情況下加入V。鋼C對應為本發明，尤其是與鋼A和B相比，提高了其Al的含量，降低了Co的含量。本發明的鋼D進一步加入B。本發明的鋼E進一步加入Nb。這些樣品按下列條件由200kg錠鐵進行鍛造(forged)成75x35mm的扁鋼條。于1250。C下進行至少16個小時均化處理工序，然后進行用于分割錠鐵的粗結構的第一個鍛造工序；在溫度再次達到1180°C后對橫截面為75x75mm的半制成品進行鍛制；最后，將每個半制成品放置在950°C的烘箱中，然后，在此溫度下，將其鍛制成75x35mm的扁鋼條，通過這些連續的工序使其粒狀結構被精煉。鍛造后，對樣品進行下列處理-在卯0。C進行1小時的溶液加熱處理，其后在空氣中進行冷卻；-于-80。C進行8個小時的低溫處理工序；-于495。C進行5小時時效硬化，其后在空氣中進行冷卻。樣品的特性(抗張強度Rm，彈性極限Rp0.2，伸長率A5d，收縮率Z，回彈性KV，HRC硬度，ASTM粒度)在表2示出。在此情況下，它們是在標準的環境溫度下進行測量的。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2:測試樣品的特性可見本發明的樣品C、D和E具有遠大于參照物樣品A和B的抗張強度。彈性極限至少為相同的數量級。與抗張強度的測量相反，如果進行了所述的熱處理工序，則降低延性(面積減少和斷裂伸長率(reductionofareaandelongationatbreak))禾口回彈性。參照物樣品B顯示出僅向鋼A加入V，僅僅改善某些特性，且其改善比例大多數低于本發明的例子。特別是，在本發明的例子中增加Al，并保持高含量Ni，導致出現更多的硬化相NiAl，且其為改善抗張強度的一個重要的因素。為了獲得本發明優先的高機械強度向樣品D和E分別加入B和Nb是不必要的。所進行的其它實驗，尤其是對樣品C所進行的實驗，使得確定除了進行處理工序外，在溶解前于至少600°C的溫度下進行軟化回火工序對于在溶液加熱處理過程中鋼完全重結晶是必須的。例如，軟化回火工序可在650°C下進行8個小時，然后在空氣中進行冷卻。因此，由熱機械轉化(thermomechanicaltransformation)直接所得的廣品易于進行最后完成工序(修整、去皮、加工...)，其賦予組件明確的形狀。在650。C進行8個小時軟化回火工序并于空氣中進行冷卻后，在935。C下進行1個小時的溶液加熱處理，其后在油中進行冷卻，然后，于-80。C進行8個小時的低溫處理工序，然后于200°C進行8小吋(對于抗拉試驗試片)或16小時(對于回彈性試驗試片)消除應力的工序，接著，于500°C進行12小時時效(ageing)工序，其后在空氣中進行冷卻，使獲得ASTM粒度為8以及下列的機械特性-在20°C下，縱向Rm=2271MPa;Rp0.2=1983MPa;A5d=11.8%;Z=57%;KV=27J;-在20°C下，橫向Rm=2273MPa;Rp0.2=2023MPa;A5d=8.8%;Z=41%;KV=2224J;-在400。C下，縱向Rm=1833MPa;Rp0.2=1643MPa;A5d=11.1%;Z=58%。因此在縱向20。C下，抗張強度、延性和回彈性之間取得優異的折衷。在橫向下，回彈性保持著可接受的值。而且，在400°C，保持著很高的抗張強度，因此本發明的鋼有效地克服了上述的問題。一般，為了最終獲得的組件具有理想的特性，本發明的最佳熱處理鋼的方法是在鍛造組件坯后，并在最后完成工序(finishingoperation)前給予該組件明確的形狀-在600675°C進行420小時軟化回火工序，然后于空氣中進行冷卻；-在9001000。C進行至少1個小時的溶液加熱處理，然后迅速在油或空氣中進行冷卻，以防止奧氏體基體中晶間碳化物的析出；-任選于-50。C或以下，優選-80。C或以下，進行低溫處理工序，使所有奧氏體轉變成馬氏體，溫度比Ms低200。C或更多，至少一個處理工序中持續至少2個小時；尤其是對于Ni含量較低的組成，此低溫處理工序是不太有利的；-任選于150。C250。C對淬火后所得的馬氏體進行416小時軟化處理工序，然后于靜止的空氣中進行冷卻；-于475600。C，優選490~525°C進行520小時時效硬化。本發明的鋼的優選用途是作為機械工程和結構部件的耐用組件，其需要在低溫下具有2200MPa2350MPa的抗張強度，結合延性和回彈性，其至少等于最佳的高強度鋼的特性，并在高溫下(400。C)具有1800MPa的抗張強度和最佳的疲勞特性。本發明的鋼還具有可表面硬化和可氮化的優點。因此，其能夠賦予使用此鋼的組件高耐磨性。其對于所述預期的應用是尤其有利的。權利要求1.一種鋼，其特征在于含有下列以重量百分比表示的組成-C＝0.18～0.30％-Co＝5～7％-Cr＝2～5％-Al＝1～2％-Mo+W/2＝1～4％-V＝痕量～0.3％-Nb＝痕量～0.1％-B＝痕量～50ppm-Ni＝10.5～15％且Ni≥7+3.5Al-Si＝痕量～0.4％-Mn＝痕量～0.4％-Ca＝痕量～500ppm-稀土元素＝痕量～500ppm-Ti＝痕量～500ppm當鋼是通過粉末冶金法獲得時，O＝痕量～200ppm；或當鋼于空氣中或真空下由熔融金屬制備所得時，O＝痕量～50ppm-N＝痕量～100ppm-S＝痕量～50ppm-Cu＝痕量～1％-P＝痕量～200ppm其余的為鐵和生產過程中不可避免的雜質。2.根據權利要求1所述的鋼，其特征在于其含有C=0.200.25%。3.根據權利要求1或2所述的鋼，其特征在于其含有Cr=24%。4.根據權利要求13中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Al=11.6%，優選1.4~1.6%。5.根據權利要求14中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Mo》1%。6.根據權利要求1~5中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Mo+W/2=卜2%。7.根據權利要求16中任一項所述的鋼，其特征在于其含有V=0.20.3%。8.根據權利要求17中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Nb:痕量0.05%。9.根據權利要求18中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Si=痕量0.25%，優選痕量~0.10%。10.根據權利要求1~9中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Mn=痕量0.25%，優選痕量0.10%。11.根據權利要求110中任一項所述的鋼，其特征在于其含有Ti=痕量100ppm。12.根據權利要求111中任一項所述的鋼，其特征在于其含有0=痕量10ppm。13.根據權利要求112中任一項所述的鋼，其特征在于其含有N-痕量50ppm，優選痕量10ppm。14.根據權利要求113中任一項所述的鋼，-K特征在于其含有S=痕量10ppm，優選痕量5ppm。15.根據權利要求114中任一項所述的鋼，其特征在于其含有P-痕量100ppm。16.根據權利要求115中任一項所述的鋼，其特征在于其馬氏體轉變溫度Ms大于或等于140。C，且Ms=550-350xC%-40xMn%-17xCr%-10xMo%-17xNi%-8xW%-35xV%-10xCu%-10xCo%+30xAl%°C。17.由鋼制備組件的方法，其特征在于其包括下列歩驟，用于在組件完工前為組件提供明確的形狀-制備具有權利要求116中任一項所述組成的鋼；-鍛造所述鋼；-在600675。C進行420小時軟化回火工序，然后于空氣中進行冷卻；-在9001000。C進行至少1小時的溶液加熱處理，其后迅速在油或空氣中進行冷卻，以防止奧氏體基體中晶粒間碳化物的析出；國于475600。C，優選490~525。C進行5~20小時時效硬化。18.根據權利要求17所述由鋼制備組件的方法，其特征在于其進一步包括在-50。C或以下，優選-80。C或以下進行低溫處理工序，使所有奧氏體轉變成馬氏體，溫度比Ms低200°C或更多，至少一個處理工序持續至少2個小時。19.根據權利要求17或18中任一項所述由鋼制備組件的方法，其特征在于其進一步包括在150。C250。C對所得的馬氏體進行416小時的軟化處理工序，然后于靜止的空氣中進行冷卻。20.根據權利要求1719中任一項所述由鋼制備組件的方法，其特征在于所述組件還進行表面硬化或氮化工序。21.機械組件或結構部件組件，其特征在于其是根據權利要求17~20中任一項所述的方法制備所得。22.根據權利要求21所述的機械組件，其特征在于其為發動機傳動軸。全文摘要本發明涉及一種鋼，其特征在于含有下列以重量百分比表示的組成C＝0.18～0.30％、Co＝5～7％、Cr＝2～5％、Al＝1～2％、Mo+W/2＝1～4％、V＝痕量～0.3％、Nb＝痕量～0.1％、B＝痕量～50ppm、Ni＝10.5～15％且Ni≥7+3.5Al、Si＝痕量～0.4％、Mn＝痕量～0.4％、Ca＝痕量～500ppm、稀土元素＝痕量～500ppm、Ti＝痕量～500ppm、O＝痕量～200ppm(如果鋼是通過粉末冶金法獲得的)或O＝痕量～50ppm(如果鋼于空氣中或真空下由熔融金屬制備所得)、N＝痕量～100ppm、S＝痕量～50ppm、Cu＝痕量～1％和P＝痕量～200ppm，其余的為鐵和生產過程中不可避免的雜質。本發明還涉及使用所述鋼制備組件的方法及由此方法獲得的組件。文檔編號C22C38/52GK101166844SQ200680013994公開日2008年4月23日申請日期2006年4月20日優先權日2005年4月27日發明者伊莎貝爾·佩斯萊爾布,克洛德·蒙斯,菲利普·埃里捷,雅克·蒙塔尼翁申請人:奧貝特迪瓦爾公司;斯奈克瑪馬達公司