使用粉末冶金工序制備鐵合金制品的方法
【專利說明】使用粉末冶金工序制備鐵合金制品的方法 相關摶術的奪叉引用
[0001] 本發明為一部分繼續申請（Continuation-In-Part)，其要求美國專利（于2013年 10月24日申請，申請號為No. : 14/061，845)的權益。
技術領域
[0002] 本發明大體涉及合金鐵的制備方法，尤其涉及一種使用粉末冶金工序制備高韌度 馬氏體（martensitic)鐵合金的制備方法。
【背景技術】
[0003] 飛行器起落架是一至關重要的部件，其在使用中高度受壓且受到多種惡劣環境條 件的影響。鋼合金，例如為AISI 4340以及300M合金，由于這些合金可以被調質（quenched and tempered)從而可提供非常高的強度（至少280ksi的極限抗張強度）以及至少 50ksi V in的斷裂韌度（K1J，所以這些合金用于制備飛機起落架已經很長時間。因而，還 需要在起落架部件上電鍍耐腐蝕性金屬，例如鎘。鎘是一種高毒性且致癌的金屬，使用這些 合金制備及維修飛機起落架及其他部件，將造成巨大的環境風險。
[0004] 一種現有的合金（以注冊商標FERRIUM S53銷售）被開發用以提供與4340以及 300M合金類似的強度以及韌度，并同樣可以提供耐腐蝕性。為了克服使用電鍍鉻從而為由 4340合金或300M合金制造出的飛機起落架提供足夠的耐腐蝕性的相關問題，FERRIUM S53 合金被設計出。然而，FERRIUM S53合金包括加入大量的鈷，這是一種非常稀有，故而昂貴 的元素。為了避免在起落架應用中使用FERRIUM S53合金所造成的高成本，已嘗試開發出 一種調質合金，其可以在不加入昂貴的鈷的情況下，提供與FERRIUM S53合金相當的強度、 韌度以及耐腐蝕性。
[0005] 如美國專利8, 071，017以及美國專利8, 361，247所描述的，不使用鈷的馬氏體鋼 合金可被調質從而提供與FERRIUM S53合金相當的強度、韌度，并可提供耐腐蝕性。然而， 卻發現通過這些鋼合金所提供的耐腐蝕性，尚有提高的空間。對于飛機起落架來說，由于其 需暴露在多種不同的的腐蝕環境中，且一些環境相較另一些環境更能引起鋼的腐蝕，因而 提高耐腐蝕性是非常重要的。相應地，需要提供一種鋼合金，其對于起落架的應用所需，可 以提供非常高的強度以及韌度，且相較已知的耐腐蝕性的調質鋼，可提供更好的耐腐蝕性， 且相較含有大量鈷的鋼，其生產所需費用減少。
[0006] 另外，已知的馬氏體鋼合金通常使用傳統的裝置，包括真空感應熔煉（V頂)，以及 VIM/真空電弧熔煉（VAR)來熔煉。而后，已知的合金，被澆鑄成金屬錠的形式，并通過乳制 或鍛造而獲得最終所需的產品，產品可以是方鋼（billet)或條鋼（bar)。然而，在用于近凈 成型工序（near net shape processing)的航天工業中，需要在相較傳統工序（例如使用 條鋼或粗鍛坯（rough forged billet))而言，更少的機械加工以及更低的金屬浪費的情形 下，制備零件。

【發明內容】

[0007] 為了解決以上這些缺陷中的一些，公開了一種制備鐵合金制品的方法。通過將鐵 合金組合物熔煉成液態，將液體霧化并固化為粉末顆粒，脫氣以去除粉末顆粒表面的氧氣， 并將粉末顆粒致密化為整塊的制品來提供鐵合金制品。
【具體實施方式】
[0008] 本發明提供了一種合金，其具有改進的，期望的金屬特性，例如為耐磨性，耐腐蝕 性，強度以及韌度。
[0009] 根據本發明的鐵合金包括選自碳（C)，錳（Mn)，硅（Si)，鉻（Cr)，鎳（Ni)，鉬（Mo)， 銅（Cu)，鈷（Co)，釩（V)，和鐵（Fe)的基本組分。然而，基本組分也可能包括鎢（W)，釩（V)， 鈦（Ti)，鈮（Nb)，鉭（Ta)，鋁（Al)，氮（N)，鈰（Ce)和鑭（La)。
[0010] 特別地，在本發明的一典型實施例中，鐵合金包括標稱的組合物，其具有的 比例為：〇· 2-0. 5wt. % 的 C, 0· 1-1. Owt. % 的 Mn, 0· 1-1. 2wt. % 的 Si, 9-14. 5wt. % 的 Cr, 3. 0-5. 5wt. % 的 Ni, l-2wt. % 的 Mo, O-L Owt. % 的 Cu, l-4wt. % 的 Co,最多為 0· 2wt. % 的 W, 0· 1-1. Owt. % 的 V,最高至 0· 5wt. % 的 Ti, 0-0· 5wt. % 的 Nb, 0-0· 5wt. % 的 Ta, 0-0· 25wt. % 的 Al,最多為 0· 05wt. % 的 N, 0-0· Olwt. % 的 Ce, 0-0· Olwt. % 的 La,以及 余量的Fe從而形成完整的組合物。
[0011] 如表1所示，鐵合金可能具有如下所示比例（Wt. % )的組合物。
[0012] 表 1 典型鋼合金組合物

[0013] 如前所述，鐵合金的余量為Fe。在另一本發明的典型實施例中，鐵合金可包括具 有本領域技術人員所公知的其他元素及雜質的組合物，例如包括約〇. 01%以下的磷或約 0. 002%以下的硫。
[0014] 上述制表，僅被提供作為方便的簡要說明，而并不意在對使用中各個單一元素彼 此組合的范圍的上、下限值進行任何限制，或對元素在彼此組合中的單獨使用的范圍進行 限制。因而，一種元素的一種或多種范圍，可與其他元素的一種或多種其他范圍一起使用。 此外，范圍1中的一種元素的最低或最高值，可與范圍2中同一元素的最低或最高值一起使 用，反之亦然。此外，根據本發明的鐵合金可包括以上或全文所述元素，或實質由這些元素 組成，或由這些元素的構成要素組成。在此處及全文中，除另有說明，百分比或符號" ％ "代 表的是質量百分比或重量百分比。
[0015] 根據本發明的另一方面，提供有一種使用以上任一所述鐵合金組合物制成的調質 鋼制品。鋼制品的特征在于，具有至少約為280ksi的抗張強度以及至少約為65ksi V in 的斷裂韌度（K1J。鋼制品的進一步特征在于，具有由鹽水噴霧實驗（ASTM B117)確定的對 抗全面腐蝕的良好耐腐蝕性，以及具有由循環動電位極化法（ASTM G61Modif ied)確定的對 抗點狀腐蝕的良好耐腐蝕性。
[0016] 在鐵合金中，存在至少約為0. 2%的碳，而在另一實施例中，存在至少約為0. 35% 的碳。C與鐵結合從而形成Fe-C馬氏體結構，其利于鐵合金提供高硬度和高強度。同時，C 也可與Mo, V，Ti，Nb,和/或Ta -起形成碳化物，從而進一步在回火時強化鐵合金。形成在 本合金中的碳化物，主要是MC-型碳化物，但M2C, M6C, M7C3，以及M23C6類型的碳化物也可存 在于本合金中。過多的碳，有害地，將影響鐵合金所提供的韌度以及可鍛性。因而碳被限定 為大約0. 5%以下，而在另一實施例中，其在0.45%以下。
[0017] 根據本發明的鐵合金，包括至少大約為9%的Cr，以利于鐵合金的耐腐蝕性以及 可硬化度。鐵合金可包括至少大約為9. 5 %的鉻。在另一實施例中，鐵合金可包括大約 12. 5%以下的Cr。在另一典型實施例中，由于更高含量的Cr可能有害地影響鐵合金所提供 的韌度及可鍛性，鐵合金可包括大約14. 5%以下的Cr。
[0018] Ni有助于根據本發明的鐵合金提供的韌度及可鍛性。因而，鐵合金包括至少大約 3.0%的Ni，而在另一實施例中，包括至少大約3. 2%的Ni。Ni的含量可限制為大約5. 5% 以下。在另一實施例中，Ni的含量可限制為大約4. 3 %以下。
[0019] Mo是碳化物的形成元素，其可形成M6C，以及M23C6類型的碳化物，有助于鐵合金中 的耐回火性。Mo同樣有助于鐵合金所提供的強度以及斷裂韌度。此外，Mo有助于鐵合金所 提供的點狀腐蝕的耐腐蝕性。當鐵合金含有至少大約為1 %的Mo時，Mo可提供這些益處。 在另一實施例中，鐵合金可包括至少大約為1. 25%的Mo。在另一實施例中，鐵合金可包括 大約1. 75%以下的Mo。然而在另一實施例中，鐵合金可包括大約2%以下的Mo。
[0020] 本發明的鐵合金包括少量的Co的正加入，從而利于鐵合金所提供的強度和韌度。 Co對于鐵合金的耐腐蝕性同樣有利。基于這些理由，鐵合金可至少包括大約1%的Co。在 另一實施例中，鐵合金可至少包括大約2%的Co。由于Co是稀有元素，非常昂貴。為了在 鐵合金中獲得Co的益處，并保持成本的降低，鐵合金可不包含6%或更多的Co。在另一實 施例中，鐵合金可包括大約4%以下的Co。而在另一實施例中，鐵合金可包括大約3%以下 的Co。
[0021] V以及Ti與某些碳C組合形成MC型碳化物，其可限制粒徑從而反過來利于本發明 的鐵合金所提供的強度和韌度。因而，鐵合金包括至少大約為〇. 3%的V。在另一實施例中， 鐵合金包括至少大約為0. 1 %的V。而在另一實施例中，鐵合金可不包含Ti或Ti的含量大 約僅達到0.01 %。由于在鐵合金中的碳化物的形成量過多將耗盡馬氏體胎體材料（matrix material)中的碳，所以過多的V和/或Ti將不利于鐵合金的強度。相應地，在一典型實施 例中，