[发明专利]高强度、高韧性、抗疲劳、可沉淀硬化不锈钢的制备方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及可沉淀硬化不锈钢合金，且特别涉及制备此种合金以减少不利地影响此种合金提供的抗疲劳性及断裂韧性的夹杂物尺寸及分布的方法。

相关领域描述

美国专利第5,681,528号和美国专利第5,855,844号描述了高强度、缺口延性、沉淀硬化不锈钢。那些合金用于航空航天工业及许多其他非航空航天用途的结构应用中。已知合金在航空航天工业的测试表明该合金提供的疲劳寿命尽管被认为是可接受的，但还有不足之处。疲劳寿命对于设计航空航天结构构件是一项非常重要的参数。提高的疲劳寿命对于结构组件将使产品重量减轻或者延长设计使用寿命。需要提供相对于已知合金提高的疲劳强度，且仍保持已知合金提供的强度、韧性及抗腐蚀的良好组合。

上述疲劳测试已证明多数疲劳断裂起始于大的次生相夹杂物，该夹杂物存在于作为合金组成及处理的结果的材料中。本发明的合金设计成提供等同于已知合金的强度和韧性，但没有产生的不利地影响已知合金的抗疲劳性的大的次生相夹杂物。

发明概述

本发明中的合金很大程度上实现了对于已知可沉淀硬化不锈钢合金所需要的疲劳寿命的提高。本发明的合金为可沉淀硬化Cr-Ni-Ti-Mo马氏体不锈钢合金，该合金提供了抗腐蚀、抗疲劳、强度及韧性的独特组合。

本发明的沉淀硬化马氏体不锈钢的宽泛的、中等的及优选的组成范围如下所示，以重量百分比表示：

      宽泛的         中等的         优选的

C     0.03最大值     0.02最大值     0.015最大值

Mn    1.0最大值      0.25最大值     0.10最大值

Si    0.75最大值     0.25最大值     0.10最大值

P     0.040最大值    0.015最大值    0.010最大值

S     0.020最大值    0.010最大值    0.005最大值

Cr    10-13          10.5-12.5      11.0-12.0

Ni    10.5-11.6      10.75-11.25    10.85-11.25

Ti    1.5-1.8        1.5-1.7        1.5-1.7

Mo    0.25-1.5       0.75-1.25      0.9-1.1

Cu    0.95最大值     0.50最大值     0.25最大值

Al    0.25最大值     0.050最大值    0.025最大值

Nb    0.3最大值      0.050最大值    0.025最大值

B     0.010最大值    0.001-0.005    0.0015-0.0035

N     0.030最大值    0.015最大值    0.010最大值

该合金的剩余物基本上为铁-除了在商品级的此种钢中发现的普通杂质及少量其他元素，这些元素可能从千分之几的百分比至更大的量(所述更大的量不会有害地减损所需的该合金提供的性能的组合)。本发明的合金还通过多数稀少地分散于基体钢中的非强化钙基夹杂物来表征。

本发明另一方面提供了制备高强度、高韧性、可沉淀硬化不锈钢合金的方法。该方法包括熔融具有上述重量百分比组成的可沉淀硬化不锈钢合金的步骤。该方法还包括向熔融合金添加钙的步骤，添加钙的量足够与熔融合金中可用的硫和氧结合以形成可从所述合金中去除的钙基夹杂物。该方法还包括处理合金以从合金中去除至少部分夹杂物，然后使精炼的合金凝固的步骤，由此该凝固合金包含稀少分散于合金基体中的此种夹杂物。

提供的上述表格作为方便的概述，而不预期由此限制本发明合金的单元素彼此组合使用时的范围较低和较高值，也不限制彼此结合地单独使用的元素的范围。因此，宽泛组成的一种或多种元素范围可以与优选组成的剩余元素的一种或多种其他范围一起使用。此外，一个优选实施方案的元素的最小值或最大值可与来自另一优选实施方案的该元素的最大值或最小值一起使用。本申请中百分比(％)表示重量百分比-另外指出的除外。术语“夹杂物”包含次级粒子和次生相，如硫化物、氧化物、氧硫化物、碳化物、氮化物和碳氮化物。

详述