用混合硬化製造馬氏體鋼的方法

2023-08-03 04:13:36 2

專利名稱：用混合硬化製造馬氏體鋼的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造馬氏體鋼的方法，所述馬氏體鋼包含其他金屬含量，使得該鋼可通過金屬間化合物和碳化物析出而被硬化，其中Al含量在0. 4%與3%之間。
背景技術：
對於特定的應用，特別是用於飛機引擎傳動軸，有必要使用在高達400°C時具有非常高的機械強度(屈服強度)，同時具有良好的抗脆性斷裂性能(高硬度和延伸性)的鋼。一種這樣的馬氏體鋼由文獻US 5，393，488而得知，其包括其他金屬成分，以使其可通過金屬間化合物和碳化物析出而被硬化。此種鋼按重量的組成成分如下10 18% 的Ni，8 16%的Co，1 5%的Mo，0.5 1.3%的Al，1 3%的Cr，小於0.3%的C，小於 0. 的Ti，其餘為Fe。此種鋼的缺點為其成本較高，因為其具有較大的Co含量。另一種已知的馬氏體鋼包含其他金屬成分，以使其可通過金屬間化合物和碳化物析出而被硬化。其成分在文獻FR 2，885，142中給出如下(重量百分比)0. 18 0.3%的 C，5 7%的Co，2 5%的Cr，1 2%的Al，1 4%的Mo+W/2，極少量 0. 3%的V，極少量 0. 的Nb，極少量 50ppm的B，10. 5 15%的Ni (Ni彡7+3. 5A1)，極少量 0. 4% 的Si，極少量 0. 4%的Mn，極少量 500ppm的Ca，極少量 500ppm的稀土金屬元素，極少量 500ppm的Ti，極少量 50ppm的0(由熔融金屬發展)或 200ppm的0(通過粉末冶金髮展)，極少量 IOOppm的N，極少量 50ppm的S，極少量 1 %的Cu，極少量 200ppm 的P，其餘為Fe。此鋼FR 2，885，142具有很高的機械強度(斷裂載荷可從2000Mpa 2500Mpa)，同時具有良好的彈性(大於180 · 103J/m2)，以及與韌性和疲勞行為等其他性質的良好折衷。然而，由發明人進行的針對此種類型鋼的疲勞測試的結果顯示，無論對於低循環疲勞(應力頻率在IHz左右)還是振動疲勞(大於50Hz)，對於每個所施加的變形應力水平，壽命值(對應於導致所述鋼的疲勞測試件斷裂的循環數)都具有很大的離差。因此，在統計意義內的疲勞壽命(限制由此鋼製成的零件的壽命)的該最小值仍然很低。

發明內容
本發明致力於解決這些缺點。本發明的目的在於提供一種生產此種類型鋼的方法，該方法可減小此種類型鋼的疲勞行為離差，並增加其平均疲勞行為值。此目的的實現得益於該方法使得最後熱成形操作的熱成形溫度小於所述鋼中氮化鋁的溶度溫度，在所述最後熱成形操作後的各可選熱處理的熱處理溫度小於所述鋼中氮化鋁的固態溶度溫度。通過此方法，在最後熱成形操作(例如鍛造)後，以片或針形式的鋼的每表面單位不希望出現的氮化鋁沉澱物的數量在統計學上是可以忽略的，並可估計為每mm2小於1(Τ12單位。實際上，發明人已注意到，在氮化鋁(AlN)的沉澱物當中，片(或針)形式是不希望的，因為它們在鋼受到疲勞應力時作為應變集中點，從而減小啟動裂紋傳播所需要的能量。發明人還注意到當鋁和氮在由一高於AlN沉澱物的固態溶度溫度的溫度冷卻過程中再結合時的不希望出現的AlN沉澱物。得益於根據本發明的方法，不希望的AlN沉澱物在最後熱成形操作(例如鍛造) 過程中不形成，因為該最後熱成形操作在低於所述沉澱物固態溶度溫度的溫度下進行。而且，在此最後熱成形操作前在鋼中存在的任何不希望的AlN沉澱物(在可能以高於AlN固態溶度溫度的溫度進行的之前操作過程中形成)通過所述最後熱成形操作而破碎成碎片， 它們的尺寸在空間三維方向具有相同數量級，並且它們相互間隔開。這些碎片因此不足以能夠成為將導致鋼過早報廢的破裂開始的位置。其結果是，在最後熱成形操作末端的所不希望的AlN沉澱物(以片或針形式的沉澱物)的比例可以忽略，使得這些沉澱物可不再作為破裂的起始位置。而且，這些不希望的 AlN沉澱物在該最後熱成形操作後不重新形成，因為該鋼在任何後續熱處理過程中溫度都不再上升到AlN固態溶度溫度之上。這因此使最小疲勞壽命值以及疲勞壽命持續時間的平均值增加。本發明還涉及包含其他金屬含量的金屬鋼，使其可由金屬間化合物和碳化物沉積而被硬化，其中Al的含量在0.4% 3%之間。根據本發明，如果最後熱成形操作在低於氮化鋁的固態溶度溫度的溫度下進行， 並且在所述最後熱成形操作後各所選擇的熱處理的處理溫度小於該固態溶度溫度，則這些在鋼的每表面單位具有不希望形狀(片或針)的沉澱物的數量在統計學上小於10_12。其結果是，疲勞循環數量結果的離差將被減小，使得由所述鋼製成的零件具有更長的壽命。


通過閱讀以下作為非限制性示例給出的一實施例的詳細描述，本發明可被更好地理解，其優點將更好地呈現。該描述參照附圖，其中圖1比較根據本發明的鋼和根據現有技術的鋼的疲勞壽命曲線；圖2顯示一疲勞應力曲線；圖3為根據現有技術的鋼中次級沉澱物的掃描電子顯微鏡照片；圖4為根據本發明的鋼中主沉澱物的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式我們將考慮通過含量在0. 4% 3%的Al混合硬化的馬氏體鋼。它們的Al以及其他金屬的含量使得這些鋼可由金屬間化合物和碳化物沉積而被硬化(混合硬化)。在根據現有技術製造的這些鋼的測試件上的疲勞測試的測試結果顯示出很大的離差，即對於給定的疲勞應力應變，使用壽命在較寬的範圍內變化。該範圍的寬度，特別是此範圍的較低值，是由於這些不希望的沉澱物的存在，其要求更少的能量來起動疲勞斷裂，並導致鋼的過早斷裂。由於其化學成分，該鋼包含在高溫條件下，在此鋼仍然處於漿料階段(即鋼的固、液混合狀態)時金屬凝固過程中形成的AlN的主沉澱物。它們的數量低於10_2單位每mm2。 此主沉澱以沉澱物的形式出現，所述沉澱物的尺寸在所有三維空間方向具有相同的數量級 (即這些沉澱物具有大致球形的形狀)，並且其大小不超過50 μ m。從這些主AlN沉澱物開始斷裂需要更多的能量(比從次級沉澱物開始斷裂，見下文)，因此不產生最小疲勞使用壽命值。發明人注意到根據現有技術的鋼還包含與所述主沉澱物不同的AlN沉澱物，其被稱作次級沉澱物。這些次級沉澱物以比主沉澱物更低的比例(小於10_2單位每mm2)存在。 就是這些次級沉澱物導致鋼的過早斷裂。發明人注意到所述次級沉澱物具有由它們的所有三個方向的尺寸表徵的不希望的片(或針)的形狀a)最小尺寸比最大尺寸的1/20還小，和b)最大尺寸大於10 μ m。這些次級沉澱物作為應力集中點，從而作為斷裂開始的促進位置，因為裂縫在這些次級沉澱物上形成比在主沉澱物上形成需要的能量更少。裂縫因此在次級沉澱物上過早形成，並導致鋼件使用壽命的減少(其對應於測試結果範圍的低值)。發明人也注意到，在固體鋼中，對於氮化鋁A1N，存在第二溶度溫度(取決於化學成分)，稱作固態溶度溫度，並且，次級AlN沉澱物在鋼從一高於鋼中AlN沉澱物的所述固態溶度溫度的溫度冷卻的過程中形成。實際上，當鋼的溫度超過該溶度溫度時，主AlN沉澱物的一較低比例部分溶解。因此，當溫度在鋼冷卻過程中回到低於此溫度的時候，溶解的鋁和氮重新結合成次級AlN沉澱物。例如，在鋼的成分由FR 2，885，142所適用並提供如上的情況下，此固態溶度溫度等於 1025°C。這樣，如果最後熱成形操作的鍛造溫度低於固態鋼中AlN沉澱物的固態溶度溫度，則AlN沉澱物保持在該狀態(鋁和氮不溶解)。次級AlN沉澱物因此不形成。而且，在最後鍛造操作前可能存在的次級AlN沉澱物(可由在前的熱處理在高於固態溶度溫度的情況下進行而產生)一方面傾向於由於鍛造操作而破碎為更小的沉澱物， 其形狀在所有三個空間方向具有相等的尺寸(不象不希望的形狀(片或針))，另一方面傾向於互相間隔開。因此，低於AlN沉澱物固態溶度溫度而進行的熱成形操作將有害的次級沉澱物轉換成更類似主沉澱物的沉澱物，它們因此對於鋼的疲勞使用壽命來說害處較小。發明人已在使用根據本發明的方法製造的鋼上進行了測試，即最後熱成型操作溫度低於該鋼中AlN沉澱物的固態溶度溫度(並且無高於該溫度的後續熱處理)，那些測試的結果介紹如下。圖1定性地顯示由根據本發明方法所產生的改進。任何人確定斷裂一遭受循環拉應力的鋼測試件所需的斷裂循環的數量N的值，作為虛交替應力C (此為由該測試件在施加以變形的情況下經歷的應力，根據用於這些測試的Snecma標準DMC0401)的函數。一此種循環應力示意性地顯示在圖2中。周期T代表一個循環。應變在最大值Cmax 與最小值Cmin之間演進。通過對統計學上足夠數量測試件的疲勞測試，發明人獲得複數個點N = f(C)，從這些點，發明人繪製一平均統計學曲線C_N(應變Cmax作為疲勞循環的數量N的函數)。對於一給定數量的循環，在這些應變上的標準偏差於是被計算出。
在圖1中，第一曲線15(細線)(示意性地)為對於根據現有技術製造的鋼所獲得的平均曲線。此第一平均曲線C-N由兩條細虛線16和14包圍。這些曲線16和14分別距離第一曲線15的距離為+3 ο工和 3 σ O1為在這些疲勞測試過程中獲得的實驗點的分布的標準偏差，士3 σ工在統計學上對應於置信區間的99. 7%。在這兩條以虛線顯示的曲線 14和16之間的距離因此為結果的離差的測量。曲線14為對於件的尺寸的限制因素。在圖1中，第二曲線25 (粗線)(示意性地)為在根據圖2的應力條件下，通過在根據本發明所製造的鋼上進行的疲勞測試的結果所獲得的平均曲線。此第二平均曲線C-N 被兩條粗虛線曲線26和24所包圍，分別距離第二曲線25的距離為+3 ο 2和-3 σ 2，ο 2為在這些疲勞測試過程中獲得的實驗點的分布的標準偏差。曲線24為對於該件尺寸的限制因素。應當注意到，第二曲線25位於第一曲線15之上，這意味著在應變水平Cmax處的疲勞應力下，該根據本發明製造的鋼測試件比根據現有技術製造的鋼測試件平均起來以更高的循環次數而斷裂。而且，顯示為粗虛線的兩條曲線26和24之間的距離比顯示為細虛線的兩條曲線 16和14之間的距離小，這意味著根據本發明製造的鋼的疲勞行為離差比根據現有技術的鋼的疲勞行為離差低。這樣，對於給定的應變，相關於根據現有技術製造的鋼的曲線14比相關於根據本發明製造的鋼的曲線24產生更低的使用壽命值。圖1圖示了由下面的表1和表2總結得出的實驗結果。表1提供了在零應變Cmin，以及不同溫度20°C、20(TC和400°C下根據圖2的低循環疲勞應力的結果。低循環疲勞意味著應力頻率在IHz左右(該頻率定義為每秒周期T的數目)。應注意到，對於一給定的循環數N的值，使根據本發明的鋼斷裂所需的平均疲勞應變值高於使根據現有技術的鋼斷裂所需的平均疲勞應變值M(設置在100% )。對於根據本發明的鋼在該循環數N處的結果的離差( = 6o)低於對於根據現有技術的結果的離差 (離差表示為平均值M的百分數)。表 權利要求
1.一種製造馬氏體鋼的方法，所述馬氏體鋼包含其他金屬含量，使得該鋼可由金屬間化合物和碳化物沉積而被硬化，其中Al的含量在0. 4% 3%之間，其特徵在於，最後熱成形操作的熱成形溫度低於所述鋼中氮化鋁的固態溶度溫度，在該最後熱成形操作之前每次熱成形操作的熱成形溫度低於所述鋼中氮化鋁的固態溶度溫度，在所述最後熱成形操作之後每個可選的熱處理的熱處理溫度低於所述鋼中氮化鋁的固態溶度溫度。
2.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於，所述鋼中的Al含量在0.5% 2%之間。
3.根據權利要求1或2所述的製造方法，其特徵在於，在所述鋼中，C含量小於0.4%， Cr含量在0. 5% 7%之間，Ni含量在6% 18%之間，Co含量在4% 18%之間。
4.一種馬氏體鋼，其包含其他金屬含量，使得該鋼可由金屬間化合物和碳化物沉積而被硬化，其中Al的含量在0.4% 3%之間，其特徵在於，關於其形狀的所述鋼的每表面單位氮化鋁的數量使得所述沉澱物的最小尺寸至多為所述沉澱物最大尺寸的1/20，該最大尺寸大於10 μ m，統計學上小於10_12。
5.根據權利要求4所述的馬氏體鋼，其特徵在於，所述鋼中的Al含量在0.5% 2%之間。
6.根據權利要求4或5所述的馬氏體鋼，其特徵在於，在所述鋼中，C含量小於0.4%， Cr含量在0. 5% 7%之間，Ni含量在6% 18%之間，Co含量在4% 18%之間。
7.一種由根據權利要求4 6中任何一項所述的馬氏體鋼製成的零件。
8.一種由根據權利要求4 6中任何一項所述的馬氏體鋼製成的飛機引擎傳動軸。
全文摘要
本發明涉及一種製造馬氏體鋼的方法，所述馬氏體鋼包含其他金屬含量，使得該鋼可由金屬間化合物和碳化物沉積而被硬化，其中Al的含量在0.4％～3％之間。所述鋼的最後熱成形操作的熱成形溫度低於所述鋼中氮化鋁的溶度溫度，在所述最後熱成形操作之後各潛在熱處理的處理溫度低於所述鋼中氮化鋁的固態溶度溫度。
文檔編號C22C38/08GK102471815SQ201080028861
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月2日 優先權日2009年7月3日
發明者勞倫特·費勒, 飛利浦·海瑞蒂爾 申請人:奧伯特&杜瓦爾, 斯奈克瑪