[发明专利]沉淀硬化不锈钢及其制造

说明书

提供具有以下成分的沉淀硬化不锈钢：C：0.05‑0.30wt％、Ni：9‑10wt％、Mo：0.5‑1.5wt％、Al：1.75‑3wt％、Cr：10.5‑13wt％、V：0.25‑1.5wt％、Co：0‑0.03wt％、Mn：0‑0.5wt％、Si：0‑0.3wt％，并且至100wt％的剩余部分为Fe和杂质元素，附加条件为Al和Ni的量也满足Al＝Ni/4±0.5wt％。此外，Cr_eq在区间11‑15.4wt％内，并且Ni_eq在区间10.5‑15wt％内。可以具有非常少量的钴，远低于0.01wt％。沉淀硬化不锈钢显示出低偏析、在高温下的高屈服强度，并且也能够适当地被氮化。与根据现有技术的在高温下具有相同强度的不锈钢相比，沉淀硬化不锈钢制造更经济。

技术领域

本发明一般涉及适于在高温下使用的高强度沉淀硬化不锈钢。优化沉淀硬化不锈钢成分，以给出碳化物的沉淀硬化和回火后存在的Ni-Al的金属间沉淀两者。新型钢包含高比例的马氏体相，并且被设计成具有低的微观和宏观偏析。可以提供基本上不含钴的钢。

背景技术

一次硬化是当钢从奥氏体相场淬火成马氏体或贝氏体微观结构时。通常，包含碳化物的钢为已知的。低合金碳钢在回火期间生成碳化铁。这些碳化物在高温下粗化，这降低钢的强度。当钢含有强碳化物形成元素(诸如钼、钒和铬)时，通过在高温下长时间回火可以增加强度。这是由于合金碳化物将在某些温度下沉淀。通常，这些钢在100℃至450℃下回火时降低其一次硬化强度。在450℃至550℃下，这些合金碳化物沉淀并且增加强度达到或甚至高于一次硬度，这称为二次硬化。出现这种情况是因为合金元素(诸如钼、钒和铬)可在长时间退火期间扩散，以沉淀出细分散的合金碳化物。在二次硬化钢中发现的合金碳化物在热力学上比碳化铁更稳定，并且几乎没有粗化倾向。

金属间沉淀硬化钢也为已知的。碳化物沉淀和金属间沉淀硬化两者都依赖于固体溶解度随温度的变化而产生杂质相的细颗粒，这阻碍晶格中位错或缺陷的移动。因为位错常常为塑性的主要载体，所以这用于硬化材料。沉淀硬化钢可例如包含形成杂质相的铝和镍。

第二相颗粒的存在常常引起晶格畸变。当沉淀颗粒的尺寸和结晶结构与主原子不同时产生这些晶格畸变。主晶格中较小的沉淀颗粒引起拉伸应力，而较大的沉淀颗粒引起压缩应力。位错缺陷也形成应力场。位错上方存在压缩应力，并且下方存在拉伸应力。因此，在位错与沉淀之间存在负相互作用能，各自分别引起压缩和拉伸应力，反之亦然。换句话说，位错将被沉淀吸引。此外，在位错与具有相同类型应力场的沉淀之间存在正相互作用能。这意味着位错将被沉淀排斥。

沉淀颗粒也通过局部改变材料的刚度来起作用。位错被较高刚度的区域排斥。相反，如果沉淀导致材料局部更柔顺，则位错将被吸引到该区域。

虽然包含合金碳化物和金属间沉淀两者的钢为罕见的，但是它们为已知的。然而，这些钢没有对低偏析或回火后的优化硬度进行优化。例如，US 5,393,488公开具有双重硬化机制的钢，其具有金属间沉淀和合金碳化物两者。这种钢包含：

C：至多0.30wt％

Ni：10-18wt％

Mo：1-5wt％

Al：0.5-1.3wt％

Cr：1.75-3wt％

Co：8-16wt％。

众所周知，钴具有负面的健康影响以及负面的环境影响。与此同时，通常期望增加特性，并且特别是在高温下的强度。

取决于钢的成分，每种钢种都将或多或少地偏析。已经检查多种钢种的化学成分的变化。碳对各种碳化物形成元素(诸如Mo、Cr和V)的分配具有巨大影响。碳含量越高，将发生越多的偏析。在微观和宏观尺度两者上。Cr、Mo或V的绝对值将为偏析指数乘以钢的标称含量。因为铬具有低的偏析倾向，所以可设定量的宽松限制。在另一方面，由于Mo和V趋于偏析，因此Mo和V的量应控制在至多1.0-1.5wt％。