ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СТАЛЬНОЙ СПЛАВ С ВЫСОКОЙ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТЬЮ
HIGH-STRENGTH STEEL ALLOY WITH HIGH IMPACT RESILIENCE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к высокопрочным стальным сплавам с высокой ударной вязкостью и, в частности, к сплаву, который может быть отпущен при значительно более высокой температуре без большой потери предела прочности при растяжении. Изобретение также относится к отпущенному изделию из стали с высокой прочностью и высокой ударной вязкостью.
Уровень техники
Известны дисперсионно-твердеющие мартенситные стали, которые обеспечивают сочетание очень высокой прочности и вязкости разрушения. К известным сталям относят таковые, описанные в USP 4706525 и USP 5087415. Первая известна как сплав AF1410 и вторую сбывают под зарегистрированной торговой маркой AERMET. Сочетание очень высокой прочности и ударной вязкости, обеспечиваемое этими сплавами, является следствием их составов, которые включают значительные количества никеля, кобальта и молибдена, элементы, которые обычно относят к наиболее дорогостоящим среди имеющихся в распоряжении легирующих элементов. Поэтому эти стали сбывают со значительной наценкой в сравнении с другими сплавами, не содержащими подобные элементы.
В последнее время был разработан сплав стали, который обеспечивает сочетание высокой прочности и высокой ударной вязкости без необходимости внесения легирующих добавок, таких как кобальт и молибден. Одна такая сталь описана в US 7067019. Сталь, описанная в этом патенте, представляет собой сталь CuNiCr, твердеющую на воздухе, которая не содержит кобальт и молибден. При испытаниях было показано, что сталь, описанная в патенте '019, обеспечивает предел прочности при растяжении примерно 280 ksi (килофунт или 1000 фунтов на квадратный дюйм) наряду с вязкостью разрушения примерно 90 ksi√in (килофунт на квадратный дюйм, умноженные на квадратный корень из дюйма). Для достижения подобного сочетания прочности и ударной вязкости сплав закаливают и отпускают. Температура отпуска ограничена примерно не более чем до 400°F для того, чтобы избежать размягчения сплава и соответствующей потери прочности.
Сплав, описанный в патенте '019, не является нержавеющей сталью, и поэтому его необходимо плакировать для обеспечения стойкости к коррозии. Спецификации на материалы для применения сплава в авиакосмической промышленности требуют, чтобы сплав нагревали при 375°F по меньшей мере в течение 23 часов после плакирования с целью удаления водорода, адсорбировавшегося в ходе процесса плакирования. Водород следует удалить, так как он приводит к охрупчиванию сплава и отрицательно влияет на его ударную вязкость. Так как отпуск этого сплава проводят при 400°F, тепловая обработка после плакирования в течение 23 часов при 375°F приводит к избыточному отпуску деталей, изготовленных из этого сплава, так что невозможно обеспечить предел прочности при растяжении по меньшей мере 280 ksi. Желательно было бы иметь сплав CuNiCr, который можно закалить и отпустить для обеспечения предела прочности при растяжении по меньшей мере 280 ksi и вязкости разрушения примерно 90 ksi√in и поддерживать это сочетание прочности и ударной вязкости при нагреве примерно 375°F по меньшей мере 23 часа с последующими закалкой и отпуском.
Сущность изобретения
Задача по устранению вышеуказанных недостатков известных сплавов в значительной степени решается с помощью сплава, предлагаемого в настоящем изобретении. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения предлагается стальной сплав с высокой прочностью, высокой ударной вязкостью, имеющий следующие широкие и предпочтительные составы в массовых процентах.
Элемент
Широкий
Предпочтительный
С
0,35-0,55
0,37-0,50
Мn
0,6-1,2
0,7-0,9
Si
0,9-2,5
1,3-2,1
Р
0,01 макс.
0,005 макс.
S
0,001 макс.
0,0005 макс.
Сr
0,75-2,0
1,2-1,5
Ni
3,5-7,0
3,7-4,5
Мо+<sup>1</sup>/<sub>2</sub> W
0,4-1,3
0,5-1,1
Сu
0,5-0,6
0,5-0,6
Со
0,01 макс.
0,01 макс.
V+(5/9)×Nb
0,2-1,0
0,2-1,0
Fe
Остаток
Остаток
В остаток включены обычные загрязнения, обнаруживаемые в промышленных сортах стальных сплавов, полученных для одинаковых областей применения и с одинаковыми свойствами. В пределах вышеуказанных диапазонов массовых процентов кремний, медь и ванадий сбалансированы следующим образом:
2≤(%Si+%Cu)/%V+(5/9))×%Nb)≤14.
Вышеприведенное распределение по таблице предложено как обычное краткое изложение и не предназначено для ограничения нижнего и верхнего значений диапазонов отдельных элементов для применения в сочетании друг с другом или ограничения диапазонов элементов для применения исключительно в сочетании друг с другом. Таким образом, можно применить один или более диапазонов с одним или более другими диапазонами для остальных элементов, К тому же, можно применить минимум или максимум для элемента с широким или предпочтительным составом с минимумом или максимумом для того же элемента в другом предпочтительном или промежуточном составе. Кроме того, сплав по настоящему изобретению может включать, по существу состоять из или состоять из составных элементов, описанных выше и во всем объеме этой заявке. Здесь и везде в этом описании термин "процент" или символ "%" означает массовый процент, если не определено иначе.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагается изделие из закаленного и отпущенного стального сплава с очень высокой прочностью и вязкостью разрушения. Изделие изготовлено из сплава, имеющего вышеприведенный широкий или предпочтительный состав в массовых процентах. Изделие из сплава по этому варианту осуществления изобретения, кроме того, характеризуется отпуском при температуре примерно от 500 до 600°F.
Подробное описание осуществления изобретения
Предлагаемый в настоящем изобретении сплав включает по меньшей мере примерно 0,35% и предпочтительно по меньшей мере примерно 0,37% углерода. Углерод способствует высокой прочности сплава и способности к закаливанию. Углерод также благоприятствует стойкости этого сплава к размягчению в ходе отпуска. Слишком большое содержание углерода неблагоприятно действует на ударную вязкость сплава. Поэтому углерод ограничивают примерно не более чем до 0,55%, еще лучше примерно не более чем до 0,50% и предпочтительно примерно не более чем до 0,45%.
В предлагаемом сплаве присутствует по меньшей мере примерно 0,6%, еще лучше по меньшей мере примерно 0,7% и предпочтительно по меньшей мере примерно 0,8% марганца, главным образом для раскисления сплава. Было установлено, что марганец также благоприятствует высокой прочности сплава. При слишком высоком содержании марганца в процессе закалки и резкого охлаждения может наблюдаться нежелательное количество удержанного аустенита, что неблагоприятно влияет на высокую прочность сплава. Поэтому сплав содержит не более чем примерно 1,2% и предпочтительно не более чем примерно 0,9% марганца.
Кремний благоприятствует способности к закаливанию и стойкости сплава к размягчению в ходе отпуска. Поэтому сплав содержит по меньшей мере примерно 0,9% кремния и предпочтительно по меньшей мере примерно 1,3% кремния. Слишком много кремния неблагоприятно действует на твердость, прочность и пластичность сплава. Чтобы избежать этих неблагоприятных влияний, кремний в предлагаемом сплаве ограничивают примерно не более чем до 2,5% и предпочтительно примерно не более чем до 2,1%.
Сплав содержит по меньшей мере примерно 0,75% хрома, так как хром способствует способности к закаливанию, высокой прочности и стойкости сплава к размягчению в ходе отпуска. Предпочтительно, сплав содержит по меньшей мере примерно 1,0% и еще лучше по меньшей мере примерно 1,2% хрома. Более чем примерно 2% хрома в сплаве неблагоприятно влияет на ударную вязкость и пластичность сплава. Предпочтительно хром ограничивают примерно не более чем до 1,5% в предлагаемом сплаве и еще лучше примерно не более чем до 1,35%.
В соответствии с предлагаемым изобретением никель благоприятствует хорошей ударной вязкости сплава. Поэтому сплав содержит по меньшей мере примерно 3,5% никеля и предпочтительно по меньшей мере примерно 3,7% никеля. Выигрыш от больших количеств никеля отрицательно сказывается на стоимости сплава, не давая значительного преимущества. Чтобы ограничить высокую стоимость сплава, содержание никеля в сплаве ограничивают примерно не более чем до 7% и предпочтительно примерно не более чем до 4,5%.
Молибден образует карбид, что благоприятно для стойкости сплава к размягчению в ходе отпуска. Присутствие молибдена увеличивает температуру отпуска сплава, так что вторичный эффект закалки достигается при примерно 500°F. Молибден также способствует прочности и вязкости разрушения сплава. Преимущества, обеспечиваемые молибденом, проявляются, когда сплав содержит по меньшей мере примерно 0,4% молибдена и предпочтительно по меньшей мере примерно 0,5% молибдена. Подобно никелю, молибден не дает роста преимущества в свойствах, связанных со значительным увеличением стоимости из-за добавки больших количеств молибдена. По этой причине сплав содержит не более чем примерно 1,3% молибдена и предпочтительно не более чем примерно 1,1% молибдена. В предлагаемом сплаве молибден можно заменить некоторым количеством или полностью вольфрамом. Молибден заменяют вольфрамом в соотношении 2:1. Если сплав содержит меньше примерно 0,01% молибдена, вводят примерно 0,8-2,6%, предпочтительно примерно от 1,0 до 2,2% вольфрама для улучшения стойкости сплава к размягчению в ходе отпуска, прочности и ударной вязкости сплава.
Предлагаемый сплав предпочтительно содержит по меньшей мере примерно 0,5% меди, которая способствует способности к закаливанию и ударной вязкости сплава. Слишком много меди может привести к осаждению нежелательного количества свободной меди в матрице сплава и неблагоприятно повлиять на вязкость разрушения сплава. Поэтому в предлагаемом сплаве присутствует не более чем примерно 0,6% меди.
4
13
Ванадий способствует высокой прочности и хорошей способности сплава к закаливанию. Ванадий также образует карбид и промотирует образование карбидов, которые помогают обеспечить измельчение зерен в сплаве, что благоприятствует стойкости сплава к размягчению при отпуске и вторичному закаливанию сплава. По этим причинам сплав предпочтительно содержит по меньшей мере примерно 0,25% ванадия. Слишком большое содержание ванадия отрицательно влияет на прочность сплава из-за образования больших количеств карбидов в сплаве, которые выводят углерод из материала матрицы сплава. Соответственно, сплав содержит не более чем примерно 0,35% ванадия. Ниобий может заменить некоторое количество или полностью ванадий в предлагаемом сплаве, так как подобно ванадию ниобий соединяется с углеродом с образованием карбидов МС, которые благоприятствуют стойкости сплава к размягчению в ходе отпуска и способности сплава к закаливанию. Ниобий, содержащийся в сплаве, заменяет ванадий в соотношении 1,8:1. Когда ванадий ограничен примерно не более чем до 0,01%, сплав содержит примерно от 0,2 до 1,0% ниобия.
Предлагаемый сплав может также содержать небольшое количество кальция примерно до 0,005%, удержанное из добавок в процессе плавки сплава для удаления серы, что благоприятствует вязкости разрушения сплава.
Кремний, медь, ванадий и ниобий, если он присутствует, предпочтительно сбалансированы в пределах их вышеуказанных диапазонов массовых процентов с целью благоприятствования новому сочетанию прочности и ударной вязкости, характеризующему данный сплав. Более конкретно соотношение (%Si+%Cu)/(%V+(5/9)×%Nb) предпочтительно составляет примерно от 2 до 14, еще лучше примерно от 6 до 12. Полагают, что если количества кремния, меди и ванадия, присутствующие в сплаве, сбалансированы в соответствии с этим соотношением, то границы блоков сплава укрепляются в результате предотвращения образования на них хрупких фаз и случайных элементов.
Остатком сплава являются по существу железо и обычные загрязнения, обнаруживаемые в промышленных сортах подобных сплавов и сталей. В этом отношении сплав предпочтительно содержит не более чем примерно 0,01%, еще лучше не более чем примерно 0,005% фосфора и не более чем примерно 0,001%, еще лучше не более чем примерно 0,0005% серы. Сплав предпочтительно содержит не более чем примерно 0,01% кобальта. Титан может присутствовать на уровне остаточного продукта из добавок для раскисления и предпочтительно ограничен примерно не более чем до 0,01%.
Ic
Iс
Ic
В пределах вышеприведенных диапазонов массовых процентов элементы можно сбалансировать для обеспечения разных уровней предела прочности при растяжении. Так, например, было установлено, что состав сплава, содержащего примерно 0,38% С, 0,84% Мn, 1,51% Si, 1,25% Cr, 3,78% Ni, 0,50% Mo, 0,55% Сu, 0,29% V, остаток по существу Fe, обеспечивает предел прочности при растяжении выше 290 ksi в сочетании с К вязкостью разрушения больше чем 80 ksi√in после отпуска при примерно 500°F в течение 3 часов. Было установлено, что состав сплава, содержаего примерно 0,40% С, 0,84% Мn, 1,97% Si, 1,26% Cr, 3,78% Ni, 1,01% Mo, 0,56% Сu, 0, 30% V, остаток по существу Fe, обеспечивает предел прочности при растяжении более 310 ksi в сочетании с К вязкостью разрушения более 60 ksi√in после отпуска при примерно 500°F в течение 3 часов. Кроме того, было установлено, что состав сплава, содержащего примерно 0,50% С, 0,69% Мn, 1,38% Si, 1,30% Cr, 3,99% Ni, 0,50% Mo, 0,55% Сu, 0,29% V, остаток по существу Fe, обеспечивает предел прочности при растяжении более 340 ksi в сочетании с K вязкостью разрушения более 30 ksi√in после отпуска при примерно 300°F в течение 2,5 часов плюс 2,5 часа.
Для изготовления сплава в соответствии с предлагаемым изобретением не требуется специальная техника плавки. Сплав преимущественно представляет собой продукт вакуумно-индукционной плавки ВИП, и при необходимости в случае ответственных применений его очищают с применением вакуум-дугового переплава ВДП. Полагают, что этот сплав можно также плавить в электрической дуге в воздухе. После плавки в воздухе сплав предпочтительно очищают с помощью электрошлакового переплава ЭШП или ВДП.
Сплав, предлагаемый в настоящем изобретении, предпочтительно подвергают горячей обработке, начиная с температуры примерно 2100°F с образованием разных промежуточных форм продукта, таких как бруски и стержни. Сплав предпочтительно подвергают горячей обработке путем аустенизации от примерно 1585°F до примерно 1635°F в течение примерно 30-45 минут. Затем сплав охлаждают в воздухе или подвергают резкому охлаждению в масле с температуры аустенизации. Сплав предпочтительно подвергают глубокому охлаждению до -100°F или -320°F в течение по меньшей мере примерно одного часа и затем нагревают в воздухе. Сплав предпочтительно отпускают при примерно 500°F в течение примерно 3 часов и затем охлаждают в воздухе. Сплав можно отпускать при температуре до 600°F, если не требуется оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости.
Предлагаемый в изобретении сплав имеет широкий диапазон применений. Очень высокая прочность и хорошая вязкость разрушения сплава делают его пригодным для изготовления деталей металлорежущих станков и также конструктивных элементов летательных аппаратов, включая шасси самолета. Предлагаемый в изобретении сплав также пригоден для изготовления деталей автомобилей, включая, но этим не ограничиваясь, детали конструкции, приводной вал, рессоры и коленчатые валы. Полагают, что сплав также пригоден для изготовления броневых плит, листовых металлов и стержней.
Рабочие примеры
3
4
Для оценки было проведено семь 35-фунтовых ВИП плавок. Составы плавок в массовых процентах представлены в нижеследующей таблице 1. Все плавки были проведены с применением ультрачистых сырьевых материалов и кальция в качестве обессеривающей добавки. Плавки разливали в 4-дюймовые квадратные литейные формы. Литейные формы были выкованы в 2 1/4-дюймовые стержни квадратного сечения с начальной температуры примерно 2100°F. Стержни были разрезаны на более короткие образцы, и половину более коротких стержней далее выковали в 1-дюймовые стержни квадратного сечения также с начальной температуры 2100°F. 1-Дюймовые стержни были разрезаны на еще более короткие образцы, которые были выкованы в /-дюймовые стержни квадратного сечения с начальной температуры 2100°F.
3
1
3
4
4
4
Стержни квадратного сечения в / дюйма и остальные стержни квадратного сечения в 2 / дюйма были подвергнуты отжигу при 1050°F в течение 6 часов и затем охлаждены в воздухе до комнатной температуры. Из /-дюймовых стержней каждой плавки приготовили стандартные образцы для испытания на растяжение и стандартные образцы для испытания Чарпи на удар с V-образным надрезом (Charpy V-notch impact testing). Из 2 1/4-дюймовых стержней квадратного сечения каждой плавки приготовили стандартные компактные натяжные блоки для испытания на вязкость разрушения. Все образцы были подвергнуты термообработке при 1585°F в течение 30 минут и затем воздушному охлаждению. Затем опытные образцы охладили при -100°F в течение одного часа и нагрели в воздухе до комнатной температуры. После этого резервные образцы каждой плавки были подвергнуты отпуску при одной из трех разных температур: 400, 500 и 600°F с выдержкой их при каждой температуре в течение 3 часов. После этого отпущенные образцы охладили в воздухе до комнатной температуры.
Iс
Результаты механического испытания, испытания Чарпи на удар с V-образным надрезом и испытания на вязкость разрушения на отпущенных образцах представлены в нижеследующей таблице II, включая 0,2%-ный условный предел текучести (Y.S.), предел прочности при растяжении (U.T.S.) в ksi, процент удлинения (Elong.), процент уменьшения площади (R.A.), энергию удара в испытании Чарпи на удар с V-образным надрезом (CVN I.E.) в футах-фунтах (ft-lbs) и вязкость разрушения К в ksi√in.
Данные, представленные в таблице II, показывают, что состав плавки 1484 в массовых процентах, соответствующий сплаву, описанному в настоящем документе, является единственным составом сплава, который обеспечивает предел прочности при растяжении 280 ksi и вязкость разрушения по меньшей мере 90 ksi√in после отпуска при 500°F.
Термины и выражения, применяемые в настоящем документе, используют как описательные, а не ограничительные. В намерение не входит применение этих терминов и выражений, исключающих любые эквиваленты показанных и описанных характерных признаков или их частей. Признается возможность разных модификаций в пределах изобретения, описанного и заявленного в настоящем документе.