淬火和回火耐腐蝕鋼合金的制作方法
【專利說明】淬火和回火耐腐蝕鋼合金
[0001] 發明背景。 發明領域
[0002] 本發明一般性涉及鋼合金，此類鋼合金提供非常高的強度與在淬火和回火條件下 具有良好的韌性的組合，具體地，本發明涉及還提供良好的耐腐蝕性的這樣的鋼合金。
[0003] 相關技術的描述 飛機起落裝置為高度受壓并且在使用中經歷不利的環境條件的決定性組件。鋼合金 (例如AISI 4340和300M合金）長期以來已用于制備用于飛機的起落裝置，因為那些合金 可淬火和回火以提供非常高的強度（極限拉伸強度為至少280 ksi)與為至少50 ksi/in 的斷裂韌性（Krc)的組合。然而，那些合金均不能提供有效的耐腐蝕性。因此，需要將起落 裝置組件鍍耐腐蝕金屬，例如鎘。鎘為高度有毒的致癌材料，并且其使用在制造和維修飛機 起落裝置和由這些合金制備的其它組件中已呈現顯著的環境風險。
[0004] 開發了以注冊商標FERRIUM S53銷售的已知的合金，以提供與4340和300M合金 提供的類似的強度和韌性的組合并且還提供耐腐蝕性。設計FERRIUM S53合金，以克服與 使用鎘電鍍相關的問題，以在由4340合金或300M合金制備的飛機起落裝置中提供足夠的 耐腐蝕性。然而，FERRIUM S53合金包括鈷的顯著添加，鈷稀有，因此為昂貴的元素。為了 避免使用FERRIUM S53用于起落裝置應用的高得多的成本，已試圖開發提供歸因于FERRIUM S53合金的強度、韌性和耐腐蝕性的淬火和回火鋼合金，但是未添加昂貴的鈷。
[0005] 在美國專利號8, 071，017和美國專利號8, 361，247中描述了不含鈷的馬氏體鋼合 金，可將其淬火和回火，以提供與FERRIUM S53合金可比的強度和韌性，并且還提供耐腐蝕 性。然而，已發現由那些鋼提供的耐腐蝕性有些地方不能令人滿意。增強的耐腐蝕性對于 飛機起落裝置尤其重要，因為它們暴露于許多不同類型的腐蝕性環境，其中的一些在引起 鋼腐蝕方面比其它的更具侵蝕性。因此，需要這樣的鋼合金，其提供起落裝置應用所需的非 常高的強度和韌性，比起已知的耐腐蝕淬火和回火鋼，提供更好的耐腐蝕性，并且相對于含 有顯著量的鈷的鋼，可價格優惠地生產。
[0006] 發明概述 根據本發明，通過淬火-和-回火合金，很大程度上解決了用于制備起落裝置的已知的 鋼的缺點。根據本發明的一方面，提供了一種具有以下寬的和優選的重量百分數組成的高 強度、高韌性、耐腐蝕鋼合金。
[0007]合金的余量為鐵和在預期用于類似的應用或服務的類似級別的淬火和回火鋼中 發現的通常雜質，包括不多于0. 01%磷、不多于0. 010%硫和不多于0. 10%氮。
[0008] 提供前述表格作為方便的匯總，并且不旨在限制用于彼此組合的單個元素的范圍 的下限和上限值，或不旨在限制僅用于彼此組合的元素的范圍。因此，一個或多個范圍可與 其余元素的一個或多個其它范圍一起使用。此外，寬范圍的元素的最低或最大值可與優選 范圍的相同元素的最低或最大值一起使用，反之亦然。此外，在整個本申請中，本發明的合 金可包含上述組成元素、基本上由或由上述組成元素組成。此處以及在整個本說明書中，除 非另外說明，否則術語"百分數"或符號"%"意味著重量百分數或質量百分數。
[0009] 根據本發明的另一方面，提供了一種經淬火和回火的鋼制品，其由上述鋼合金組 合物的任何一種制備。鋼制品的特征為拉伸強度為至少280 ksi并且斷裂韌性（Klc;)為至 少65 ksi/in。鋼制品進一步的特征為通過鹽噴霧試驗（ASTM B117)測定，對一般性腐蝕具 有良好的抗性，和通過周期動電位極化方法（修改的ASTM G61)測定，對點腐蝕具有良好的 抗性。
[0010] 根據本發明再一個方面，提供了一種用于航空航天飛行器的結構組件，其中所述 組件由上述鋼合金組合物中的任一種制備。優選，航空航天結構組件選自起落裝置、可旋轉 的軸、致動裝置、襟翼導軌和前緣縫翼導軌中的一種或多種。
[0011] 發明詳述 至少0. 2%并優選至少0. 35%碳存在于該合金中。碳與鐵組合，以形成Fe-c馬氏體結 構，其有益于由合金提供的高硬度和強度。碳還與鉬、釩、鈦、鈮和/或鉭形成碳化物，在回 火期間進一步增強合金。在本發明合金中形成的碳化物主要為MC-類型碳化物，但是還可 存在一些M2C、M 6C、M7C#P M 23C6碳化物。太多的碳不利地影響由該合金提供的韌性和延展 性。因此，碳局限于不多于0. 5%并且優選不多于0. 45%。
[0012]本發明的合金含有至少9%鉻，以有益于合金的耐腐蝕性和可淬硬性。優選，合金 含有至少9. 5%鉻。在合金中多于14. 5%鉻不利地影響由合金提供的韌性和延展性。優選， 合金含有不多于12. 5%鉻。
[0013]鎳對于由本發明的合金提供的韌性和延展性是有益的。因此，合金含有至少3. 0% 鎳并且優選至少3. 2%鎳。為了限制合金的上部成本，鎳的量局限于不多于5. 5%。優選合金 含有不多于4. 3%鎳。
[0014]鉬為形成M6C和M23C6碳化物的形成碳化物的元素，其對由該合金提供的耐回火性 是有益的。鉬還有助于由合金提供的強度和斷裂韌性。此外，鉬有助于由合金提供的耐點腐 蝕性。當合金含有至少1%鉬并且優選至少1.25%鉬時，實現由鉬提供的益處。與鎳一樣， 相對加入較大量的鉬的提高的成本，鉬不能提供提高的性質優點。出于該原因，合金含有不 多于2%鉬并且優選不多于1. 75%鉬。
[0015]本發明的合金含有陽性添加的鈷，以有益于由合金提供的強度和韌性。采用與鉬 類似的方式，鈷還有益于合金的耐回火性。出乎意料地，鈷看起來對由合金提供的耐腐蝕性 有益。出于這些原因，合金含有至少1%鈷并且優選至少2%鈷。鈷稀有，因此為非常昂貴的 元素。因此，在該合金中為了得到鈷的益處并且相對于含有6%或更多鈷的其它高強度鋼合 金仍保持成本優勢，該合金含有不多于4%鈷。優選，合金含有不多于3%鈷。
[0016]釩和鈦與一些碳組合以形成MC-類型碳化物，其限制粒度，進而有益于由本發明 的合金提供的強度和韌性。在該合金中由釩和鈦形成的MC-類型碳化物也有益于合金的 耐回火性和二次硬化。因此，合金含有至少0.1%釩和至少0.01%鈦。優選，合金含有至少 0. 3%釩。太多的釩和/或鈦不利地影響合金的強度，因為在合金中形成較大量的碳化物耗 盡來自馬氏體基質材料的碳。因此，在該合金中，釩優選局限于不多于〇. 6%，并且鈦優選局 限于不多于0.2%。當通過粉末冶金術生產合金時，可能不需要鈦。因此，當以粉末形式生產 合金時，預期不會有意地包括鈦。
[0017] 至少0. 1%錳可存在于該合金中，主要用于使合金脫氧。認為錳還可有益于由合金 提供的高強度。如果存在太多的錳，則在淬火后可保持不期望量的保留的奧氏體，使得不利 地影響由合金提供的高強度。因此，合金含有不多于1. 0%并且優選不多于0. 7%錳。
[0018] 硅有益于該合金的可淬硬性和耐回火性。因此，合金優選含有至少0. 1%硅。太多 的硅不利地影響合金的硬度、強度和延展性。為了避免這樣的不利的影響，在該合金中，硅 局限于不多于1. 2%并且優選不多于1. 0%。
[0019] 銅可存在于該合金中，因為其有助于合金的可淬硬性、韌性和延展性。銅也可有益 于合金的機械加工性和耐腐蝕性。合金優選含有至少0.1%并且還更好至少0.3%銅。本發 明人已發現銅和鎳應在該合金中平衡，特別是當合金含有非常低或不含陽性添加銅時。因 此，當合金含有小于〇. 1%銅，例如，不多于〇. 01%銅時，應存在至少3. 75%并且優選不多于 4. 0%鎳，以確保提供強度、韌性和延展性的期望的組合。太多的銅可導致在合金基質中不期 望量的游離銅沉淀并且不利地影響合金的斷裂韌性。因此，當在合金中存在銅時，銅局限于 不多于1. 0%并且優選不多于0. 7%。
[0020] 鎢為形成碳化物的元素，與鉬一樣，當存在時，其有助于該合金的硬度和強度。少 量的鎢（最多0.2%)可存在于該合金中以代替一些鉬。然而，鎢看起來不有益于合金的耐 腐蝕性。因此，合金優選含有不多于0.1%鎢。
[0021] 鈮和鉭為形成碳化物的元素，其與碳組合以形成M4C 3碳化物，有益于合金的耐回 火性和可淬硬性。因此，合金可含有鈮和/或鉭，條件是鈮和鉭的組合量（Nb+Ta)不多于 〇. 5%。然而，為了避免形成過量的碳化物，合金優選含有不多于0. 01%的鈮和/或鉭。
[0022] 在熔融期間，來自脫氧添加劑的最多0.25%鋁可存在于合金中。優選，合金含有不 多于0. 01%鋁。
[0023] 在