專利名稱：合金鋼的制作方法
本申請(qǐng)是于1997年7月28日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)No08/901,844，公開(kāi)于＿＿的美國(guó)專利No.＿＿＿的部分繼續(xù)申請(qǐng)。美國(guó)專利No.08/901,844的內(nèi)容充分結(jié)合在本文中。
本發(fā)明涉及鋼。尤其是，本發(fā)明涉及含有改善其特征和性能的合金組份的鋼。
渦輪機(jī)部件必須保持實(shí)用的物理和熱性能。渦輪機(jī)部件承受高溫，因而易被氧化。在運(yùn)行期間，渦輪機(jī)部件還承受經(jīng)常導(dǎo)致渦輪機(jī)材料蠕變(在固定的負(fù)荷下，尤其是在高溫下變形)的高應(yīng)力。因此渦輪機(jī)部件應(yīng)用保持其機(jī)械性能，如，但不限于，提高的抗蠕變能力和很少的脆化及在高溫下不易氧化的材料構(gòu)成。
渦輪機(jī)部件常用鋼質(zhì)材料構(gòu)成。鋼呈現(xiàn)出優(yōu)良的強(qiáng)度，低的脆性轉(zhuǎn)變溫度及好的硬化特性。但當(dāng)鋼暴露于高溫下時(shí)，它經(jīng)受氧化、脆化和蠕變。脆化至少部分地是由于在晶粒中形成有害相(不可逆的脆化)，或由于在高溫下某些有害元素在晶界上偏析(可逆的脆化)而產(chǎn)生的。渦輪機(jī)部件用鋼必須用能減少鋼的脆化、氧化和蠕變的組份構(gòu)成。
常規(guī)的用于渦輪機(jī)部件的合金鋼包括高合金鋼。高合金鋼包括含Cr大于10％，比如，大于12％(重量)的鋼。高合金鋼包括，但不限于Fe-12Cr不銹鋼(下文稱為Fe-12Cr鋼)，這種鋼在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的。在US 5,320,687(授予Kipphut等人)中公開(kāi)了一種這樣的鋼，該專利的全部?jī)?nèi)容經(jīng)參照已充分結(jié)合于本文中。
常用鋼的合金元素包括，但不限于W和Co，比如，向鋼中加W要求(1)降低Cr含量以保持鋼中鐵素體穩(wěn)定劑的平衡；或(2)添加奧氏體穩(wěn)定劑，如，但不限于Ni、Mn和Co以保持鋼的充分抗氧化性。由于絕大多數(shù)奧氏體穩(wěn)定劑很貴(Co)，或?qū)θ渥冃阅苡泻?Ni)，所以添加奧氏體穩(wěn)定劑不能保持鋼的抗氧化和抗蠕變性能。因此，鋼的制造商一直力圖降低渦輪機(jī)用鋼的Cr含量。低的Cr含量不會(huì)大量增加煉鋼成本，而且對(duì)蠕變性能無(wú)負(fù)面影響。但，鋼中Cr含量低時(shí)對(duì)抗氧化能力不利，因而是不可取的。
解決鋼的抗氧化性問(wèn)題的進(jìn)一步努力包括加Cr和Si中的一種，或加此二種元素。為提高鋼的抗氧化能力，加Cr和Si，當(dāng)然這正是希望的。但，這些方案沒(méi)有證明高含量的鉻是有效的或合乎要求的，因?yàn)殡m然較高的Cr含量提高了抗氧化性能，但由于形成α初生(γ’)相，則不合乎要求地增加了鋼中的脆化。并且加入硅促進(jìn)在鋼中形成不合要求的，脆化的萊維氏相(Laves phases)。
因此，提供這樣一種鋼的組合物是合乎要求的它提供適宜的高溫性能，又具有機(jī)械性能和氧化性能的平衡。比如，用于高溫渦輪機(jī)部件的鋼應(yīng)能減少氧化，同時(shí)又使所需的機(jī)械性能，如，提高的抗蠕變性能和降低的高溫脆化性能達(dá)到平衡。
因此，本發(fā)明提供這樣一種合金鋼組合物，它克服了已知鋼組合物中的不足。符合本發(fā)明的鋼是一種含B和稀土元素的鋼，它含錸(Re)、鋨(Os)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉑(Pt)、鈀(Pd)中的至少一種。該鋼含(％重量)Re、Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd中的至少一種 0.01-2.00稀土元素 0.50最多B 0.001-0.04C 0.08-0.15Si 0.01-0.10Cr 8.00-13.00W和Mo中的至少一種 0.50-4.00奧氏體穩(wěn)定劑，如，Ni、Co、Mn和Cu中的一種 0.001-6.00V 0.25-0.40P 0.010最多S 0.004最多N 0.060最多H 2ppm最多O 50ppm最多Al 0.001-0.025As 0.0060最多
Sb0.0030最多Sn0.0050最多Fe余量符合本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的鋼通過(guò)添加包括貴金屬、稀土金屬、Re和B的合金元素平衡了機(jī)械性能和氧化性能。該鋼減少了長(zhǎng)期時(shí)效脆化(這里是時(shí)效脆化)，并保持了，更好是提高了屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。貴金屬選自包括，但不限于，鉑族金屬如Ru、Rh、Os、Pt、Pd和Ir及其混合物。
一種由本發(fā)明舉例的示范性的鋼成分列于表1中。該鋼的成分包括Fe，稀土元素，B，錸族和鉑族金屬中的至少一種，C、Si、Cr、W和Mo中的至少一種，至少一種奧氏體穩(wěn)定劑中，V和Al。該百分?jǐn)?shù)是近似的重量百分?jǐn)?shù)，其范圍從大約的第一個(gè)數(shù)值延伸到大約的第二個(gè)數(shù)值。其中組份的重量值是按最大值(“最大”)給出的，該材料按范圍從約0到約“最大值”的量提供，但不超過(guò)“最大值”?！坝嗔俊敝傅氖瞧渌M份已加完后，剩余成分的材料量。此外，除非另行注明，無(wú)論百分?jǐn)?shù)或份數(shù)均是以重量百分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)表達(dá)的。
表1Re、Os、Ir、Ru、Rh、Pt和Pd中的至少一種 0.01-2.00稀土元素 0.50最多B 0.001-0.04C 0.08-0.15Si 0.01-0.10Cr 8.00-13.00W和Mo中的至少一種 0.50-4.00奧氏體穩(wěn)定劑如Ni、Co、Mn和Cu中的至少一種 0.001-6.00V 0.25-0.40P 0.010最多S 0.004最多N 0.060最多H 2ppm最多
O 50ppm最多Al0.001-0.025As0.0060最多Sb0.0030最多Sn0.0050最多Fe余量。
鉑族金屬和Re提高鋼的固溶強(qiáng)化作用，而且鉑族金屬還提供抗氧化能力。這些金屬在元素周期表中位置是鄰近W的位置，因而具有與W相類似的，對(duì)鋼有益的固溶強(qiáng)化作用。這些鉑族金屬包括Ru、Rh、Os、Pt、Pd和Ir。Ir具有非常有效的抗腐蝕和抗氧化的性能。因此將其加入鋼中將能提高鋼的抗腐蝕和抗氧化的性能。Re象鉑族金屬一樣，提高鋼的固溶強(qiáng)化作用。當(dāng)以約5-10重量％的量提供鉑族金屬時(shí)，則鉑族金屬提供鋼的抗氧化能力，并可能因第二相及析出物的形成提供有益作用。
當(dāng)雜質(zhì)含量低時(shí)，稀土金屬提高鋼的抗時(shí)效脆化的能力。鋼中確切的稀土元素的量取決于鋼中雜質(zhì)含量。當(dāng)鋼中雜質(zhì)含量增加時(shí)，則需較多的稀土元素。比如，根據(jù)雜質(zhì)含量，如約0.1-約0.2重量％的雜質(zhì)，提供最多為約0.5重量％的稀土元素。進(jìn)而，稀土元素的的量為約0.1-約0.15，比如為0.1重量％。
某些稀土元素對(duì)降低鋼的時(shí)效脆化作用是有效的。這些稀土元素包括，但不限于，Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Er。這些元素的合金和混合物。本發(fā)明的實(shí)施方案之一，以約0.01-約0.3重量％，如以約0.1-約0.15重量％的量提供了La和Y的至少一種。比如，La和Y中的至少一種的量為約0.1重量％。
稀土元素還控制在鋼中形成偏析。比如，已確定La減少了在鋼中形成偏析。
鋼中的硼向晶界偏析，從而占據(jù)這些晶界位點(diǎn)，因而阻止其他的偏析物占據(jù)此位置。如本發(fā)明所體現(xiàn)的那樣，在鋼中以約0.01-約0.04重量％的量提供硼。位于晶界位點(diǎn)的硼防止鋼被弱化，因而減少了時(shí)效脆性。因此，當(dāng)硼占據(jù)晶界位點(diǎn)時(shí)，它緩解鋼中的斷裂韌性下降，而且對(duì)晶界位點(diǎn)強(qiáng)度無(wú)害，并有益于提高鋼的凝聚力。此外，還認(rèn)為硼提高鋼的抗蠕變性能。
降低鋼中的雜質(zhì)，則減少了α初生相組分，因而降低了時(shí)效脆性，并提高了抗時(shí)效脆性和回火脆性的能力。降低鋼中的雜質(zhì)，是通過(guò)加至少一種防止雜質(zhì)占據(jù)晶界的元素，如加硼，和減少鋼中的Si和Al中的至少一種，更好是減少Al和Si兩者而完成的。α初生相的減少及抗回火脆性能力的提高是通過(guò)調(diào)整，比如通過(guò)平衡Cr、Mo、W中的兩種元素的量而完成的。
如由本發(fā)明所具體體現(xiàn)的那樣，在鋼中以約0.01-約0.1重量％的量提供Si。如由本發(fā)明所具體體現(xiàn)的那樣，在鋼中以約0.001-約0.025重量％的量提供Al。上述含量的此二組分防止了雜質(zhì)位于晶界上。
本發(fā)明的鋼含有增強(qiáng)抗時(shí)效脆化能力的Cr(Cr還提高抗氧化能力)。以約8.0-約1.30重量％的量提供Cr，比如以約8.0-約12.0重量％的量提供Cr。
奧氏體穩(wěn)定劑包含已知的各種奧氏體穩(wěn)定劑，而且包括，但不限于Ni、Co、Cu、Mn及這些元素與某種含量的Co的組合。在鋼中以約0.001-約6.0重量％的量提供這種奧氏體穩(wěn)定劑。該奧氏體穩(wěn)定劑包含盡可能多的Co，同時(shí)將Ni的量減少至最少，并以約0.001-約6.0重量％的量保持該奧氏體穩(wěn)定劑。雖然Ni作為鋼中的組份提供如韌性之類的所需性能，但由于Ni引起不希望有的時(shí)效特性，如提高脆性，所以Co是優(yōu)選的奧氏體穩(wěn)定劑(若可能的話)。因此，最好平衡Ni和Co的量，以提高抗時(shí)效脆化的能力及回火韌性。
由本發(fā)明具體體現(xiàn)的鋼含有碳化物穩(wěn)定劑。碳化物穩(wěn)定劑包括W和Mo中的至少一種。這些碳化物穩(wěn)定劑由于它們提高固溶強(qiáng)化作用，故為鋼中所需。碳化物穩(wěn)定劑的量最好是約0.50-約4.00重量％(以鋼的重量為基準(zhǔn)計(jì))。
符合本發(fā)明的鋼還含最多為0.50重量％的Nb，從而提高了鋼的韌性及抗蠕變性能。當(dāng)以約0.01-約0.5重量％，如以約0.05重量％的量提供Nb時(shí)，Nb控制夾雜物并增強(qiáng)細(xì)的結(jié)晶組織，如細(xì)的馬氏體組織。與受控的晶粒尺寸相結(jié)合的，由Nb提供的細(xì)的結(jié)晶組織提高了鋼的韌性。
鋼中低重量百分比的Ni、Cu、Mn和Co也提供能提高鋼的韌性的細(xì)的結(jié)晶組織，其中，這些組份的總重量百分比小于約6％。比如，符合本發(fā)明某一實(shí)施方案的鋼含約0.1-約4.0重量％的Ni和約0.5-約6.0重量％的Co?？晒┻x擇的是，鋼含約0.1-約2.0重量百分比的Ni和約1.0-約4.0重量％的Co。如上所述，使Ni的量與Co平衡，從而防止不希望的時(shí)效脆化效應(yīng)，同時(shí)保持鋼的合乎需要的韌性。
通過(guò)減少和控制偏析和第二相的形成也提高鋼的韌性。減少偏析和第二相形成是通過(guò)減少鋼中Si、Al、Ni、Mn、S、P、As、Sn和Sb的含量達(dá)到的?？晒┻x擇的是，使這些組份的量相對(duì)的低，以便控制偏析和第二相的形成。比如，鋼最好不應(yīng)含有大于約0.05的Mn，0.01的Si，0.01的P，0.005的Sn，0.003的Sb，0.006的As，0.025的Al和0.004的S(以上均為重量％)。因此，含有形成低量偏析的添加物的鋼被稱為“超純凈鋼”，而且使韌性得以提高。
控制第二相形成提高了鋼的韌性。Mo和W中的至少一種穩(wěn)定化析出物進(jìn)一步使鋼中的第二相形成得以控制。Mo和W控制和改進(jìn)了抗蠕變的能力。在鋼中含有控制和平衡量的Mo和W是需要的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，Mo重量百分比與W的1/2重量百分比之和等于約1.5，即1.5≥Mo+1/2W。這種關(guān)系減少了第二相形成并改進(jìn)了鋼的抗蠕變能力。
雖然公開(kāi)了述于本文的各實(shí)施方案，但從說(shuō)明書(shū)可知，本領(lǐng)域技術(shù)中的普通技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)對(duì)元素進(jìn)行各種組合，改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種硼和稀土元素鋼，它含有以重量％表示的下列成分Re、Os、Ir、Ru、Rh、Pt和Pd中的至少一種 0.01-2.00稀土元素0.50最多B 0.001-0.04C 0.08-0.15Si 0.01-0.10Cr 8.00-13.00W和Mo中的至少一種 0.50-4.00至少一種奧氏體穩(wěn)定劑 0.001-6.00V 0.25-0.40P 0.010最多S 0.004最多N 0.060最多H 2ppm最多O 50ppm最多Al 0.001-0.025As 0.0060最多Sb 0.0030最多Sn 0.0050最多Fe 余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，它含小于約0.05重量％的Mn、0.01重量％的Si、0.01重量％的P、0.005重量％的Sn、0.003重量％的Sb、0.0030重量％的As。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，它含小于0.05重量％的Mn、0.01重量％的Si、0.01重量％的P、0.004重量％的S、0.005重量％的Sn、0.003重量％的Sb、0.006重量％As。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，該稀土元素選自Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Er和它們的組合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其中Cr的量為約8.0-約12.0重量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其中稀土元素的量為約0.1-約0.2重量％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其中稀土元素的量為約0.1重量％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其中N的量不超過(guò)約0.04重量％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，它還含W和Mo，而且W的量與Mo的量相關(guān)，其中Mo的重量百分比和W的1/2重量百分比之和等于1.5.
10.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其中至少一種奧氏體穩(wěn)定劑選自Ni、Co、Mn和Cu。
全文摘要
一種鋼含有包括稀土元素、B及在Re、Os、Ir、Ru、Rh中的至少一種的添加劑。該鋼具有抗脆化、氧化和蠕變的能力。該鋼還含平衡量的,使Ni與Co之比為最小,以及優(yōu)化如回火韌性方面的抗時(shí)效脆化能力的Ni和Co。該鋼含(重量%):0.01—2.00的Re、Os、Ir、Ru、Rh中的至少一種;最多為0.50的稀土元素;0.001—0.04的B;0.08—0.15的C;0.01—0.10的Si;8.00—13.00的Cr;0.01—2.00的W和Mo中的至少一種;0.001—6.00的至少一種奧氏體穩(wěn)定劑;0.25—0.40的V;最多為0.010的P;最多為0.004的S;最多為0.060的N;最多2ppm的H;最多為50ppm的O;0.001—0.025的Al;最多為0.0060的As;最多為0.0030的Sb;最多為0.0050的Sn及余量的Fe。
文檔編號(hào)C22C38/22GK1243169SQ99109040
公開(kāi)日2000年2月2日 申請(qǐng)日期1999年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月27日
發(fā)明者T·M·安格利烏 申請(qǐng)人:通用電氣公司