[发明专利]具有低的钴含量的硬化马氏体钢、由这种钢制造零件的方法以及如此获得的零件

说明书

本发明涉及通过双联体系(duplex system)硬化的马氏体钢，也就是通过借助合适的钢组成和合适的热时效处理而获得的金属间化合物和碳化物的析出而硬化。

这类钢提供了：

-非常高的机械强度，但同时具有高的韧性和延性，即对脆性失效的低敏感性；在温度为约400℃的热状态下继续维持这种非常高的强度；

-良好的疲劳性能，这特别意味着不存在有害夹杂物例如氮化物和氧化物；这种特性必须通过合适的组成和加工液体金属的仔细条件获得。

此外，其可渗碳和可渗氮，从而能够硬化其表面以赋予其对磨蚀和润滑摩擦的良好抵抗性。

这种钢的可能应用涉及需要结构零件或传动零件的所有机械领域，这些结构零件或传动零件在动态应力下和存在感应加热或环境加热的条件下必须兼备非常高的负载。以非穷举方式，可提及传动轴、变速箱轴、支承轴等。

在某些应用中，对优异热机械强度的要求妨碍了强度从200℃开始劣化的碳钢或所谓的“低合金化”钢的使用。此外，当对这些钢进行处理以获得大于2000MPa的机械强度水平时，其韧性通常不再令人满意，而且，通常它们的“真实”屈服强度比其在拉伸测试中测得的最大强度要小得多：因此屈服强度是在这种情况下成为不利的量度(dimensioning)指标。另外可以使用马氏体时效钢，其屈服强度极限显著更为接近其最大拉伸强度值，在高达350-400℃具有令人满意的强度，并且对于非常高的机械强度水平还提供良好的韧性。然而，这些马氏体时效钢相当系统地含有高的镍、钴和钼含量，所有这些元素均非常昂贵且它们在商品市场上的价格变化显著。它们还含有钛，用于强烈促进二次硬化，但由于形成氮化物TiN因而钛是马氏体时效钢的疲劳强度降低的重要原因，即使仅含有千分之几，也几乎不可能避免在钢的熔炼期间形成氮化物TiN。

在US-A-5,393,488中，提出了在不添加钛的情况下具有二次硬化的钢组合物，其旨在改善热强度，特别是改善疲劳性能、延性和韧性。该组合物的缺陷是需要高的Co含量(8-16％)，这使得所述钢非常昂贵(注意：在本文中，不同元素的所有含量都以重量％表示)。

在文献WO-A-2006/114499中提出了硬化的马氏体钢的组合物以及适合于该组合物的优化系列的热处理操作，相对于US-A-5,393,388代表的现有技术，该组合物具有的优势在于仅需要更低的钴含量，即5-7％。通过调整其它元素的含量和相应地调整热处理参数，能够获得提供非常令人满意的机械性能组集的零件(特别是用于航空应用)。这些性能特别是2200MPa-2350MPa的冷拉伸强度、与最佳高强度钢至少相等的延性和弹性，以及在热状态(400℃)下约1800MPa的拉伸强度，以及最佳的疲劳性能。

由于这种钢的硬化是通过同时硬化析出金属间化合物和M₂C型碳化物实现的，所以将其称为“具有双联硬化(duplex hardening)”。

然而，这种钢始终包含相对大量的钴。由于该元素无论如何都是昂贵的，并且其价格可能在商品市场上发生大的起伏，因此重要的是寻找进一步显著减少其存在的方法，特别是在意欲用于比航空应用更普通的机械应用的材料中。

对于如WO-A-2006/114499和US-A-5,393,488中所提出的钢，有可能获得良好弹性，但是对于某些应用弹性据证明是不足的。

对于相同的应用，还需要获得非常高的拉伸强度(Rm)。

本发明的目的是提出可以特别用于制造机械零件(例如传动轴)或结构部件的钢，所述钢具有较高的弹性并同时具有大的机械强度。与目前已知用于这些应用的最出色的钢相比，所述钢还应该具有较低的制造成本，特别是通过显著较为减小的钴含量。

为此，本发明的目的是一种钢，其特征在于它的组成以重量百分数计如下：

-C＝0.18-0.30％

-Co＝1.5-4％，优选2-3％

-Cr＝2-5％

-Al＝1-2％

-Mo+W/2＝1-4％

-V＝痕量～0.3％

-Nb＝痕量～0.1％

-B＝痕量～30ppm

-Ni＝11-16％其中Ni≥7+3.5Al

-Si＝痕量～1.0％

-Mn＝痕量～2.0％

-Ca＝痕量～20ppm

-稀土元素＝痕量～100ppm

-如果N≤10ppm，Ti+Zr/2＝痕量～100ppm其中Ti+Zr/2≤10N

-如果10ppm＜N≤20ppm，则Ti+Zr/2＝痕量～150ppm