耐磨合金的制作方法
【專利說明】耐磨合金
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年9月13日提交的美國臨時申請系列號61/877,438的權益，其經 此引用全文并入本文。
[0003] 發明背景
[0004] 發動機排氣閥常常經受超過800°C的溫度，用于制造閥的材料應表現出強度、耐磨 性和耐腐蝕/氧化性。高溫合金已經用于形成排氣閥。用多種金屬生成某些高溫合金，包括 許多超級合金和不銹鋼合金。這些合金中的一些在制造它們所需的制造步驟、材料成本、耐 久性或高溫強度性能、耐磨性能和/或類似性能方面可能是不理想的。
[0005] 發明概述
[0006] 根據本公開的一個實施例，耐磨合金基本上由以下成分組成:0.15重量％至0.30 重量％的心最多0.50重量％的此;最多0.02重量％的？ ;最多0.015重量％的3;最多0.50重 量％的3丨；30.25重量％至35重量％的附；15.0重量％至17.0重量％的(^ ;1.60重量％至 3.20重量％的11; 1.60重量％至2.50重量％的六1; 2.10重量％至3.20重量％的恥〇&);最多 〇.015重量％的⑴以最多0.030重量％的量存在的Mg;最多0.50重量％的〇1;最多0.25重 量％的此;最多0.25重量％的1最多0.020重量％的0 &;以及余量的Fe和不可避免的雜質。 11+他〇&)大于或等于（2)該合金的4.40重量％。
[0007] 發明詳述
[0008] 本公開涉及鐵-鎳(Fe-Ni)基合金。認為，本文中公開的鐵-鎳基合金的實例表現出 熱硬度、高溫強度、疲勞強度和耐磨特性。這些特性使得該合金可用于高溫應用，包括例如 汽缸蓋、進氣閥、排氣閥和排氣再循環閥。其中可以使用該合金的其它應用包括例如渦輪應 用、緊固件、排氣后燃器(afterburner)部件、燃燒室部件、排氣系統氧傳感器的防護罩以及 暴露于提高的溫度、廢氣和冷凝物環境的其它部件。
[0009] 本文中公開的鐵-鎳基合金的實例通過沉淀硬化和固溶體強化實現了高溫機械性 能。該鐵-鎳基合金通過熱處理工序開發，所述熱處理工序可以包括溶液處理以溶解強化成 分，接著是老化熱處理以便以產生該合金預期用途所期望的機械性質的形態和分布來沉淀 相。
[0010]在所公開的合金中，細分散的、穩定和有序的金屬間相$6，附）3以1，11，他）（通常 稱為gamma prime( γ 7 )的晶體結構）的沉淀有助于該合金的高溫強度。此外，合金中的至少 一部分碳形成一次碳化物(primary carbides，例如TiC和/或NbC)以便增強耐磨性。要理解 的是，這些碳化物可能隨機沉淀在合金中。
[0011] 本文中公開的合金的實例至少包括(：、附、0、11)1、他〇&)、1%和?6。如本文中所 用，Nb(Ta)指的是鈮，其可以伴隨著少量的鉭。Nb常常伴隨著作為污染物或不可避免的雜質 的Ta，因為這兩種元素難以分離。符號Nb(Ta)承認測得的鈮可能包括少量的鉭。此外，要注 意的是，雖然Ta和Nb在合金中的表現相似，Ta更重，因此相同重量下不如Nb那么有效。
[0012] 要理解的是，當未給出范圍的下限時（例如"最多X重量％的元素"），該下限為〇重 量％，由此合金中可能不存在該特定元素。但是，當描述一種元素"以最多X重量％的量存 在"時，該下限大于0重量％，在合金中存在至少一些該元素。
[0013] 在一些情況下，特定元素可能并非故意加入到合金中，而是可能以相當于不可避 免的雜質的少量存在。例如，？、3、111、5^、1 〇和〇1是并未故意添加到合金中但仍存在的不 可避免的常見雜質的實例。
[0014] 公開的合金的實例含有提高的鎂(Mg)或Mg和鈣(Ca)含量(與其它高溫合金相比）， 其有助于該合金具有改善的晶粒細化。認為，以本文中公開的量添加 Mg或Mg與Ca對晶粒細 化具有所期望的效果。還認為，向本文中公開的合金中添加鎂或鎂與鈣的組合有利地改善 了鍛造過程中的模具壽命。在一個實例中，模具壽命可以提高15 %。
[0015]鎂以最多0.030重量％的量存在于合金中。鎂還可以以更小的量存在，例如最多 0.020重量％或最多0.010重量％。作為實例，鎂可以以0.010重量％至0.020重量％，或以 0.020重量％至0.030重量％存在。如前所述，認為，鎂有助于至少改善晶粒細化和模具壽 命。此外，可以加入Mg，同時合金的其它元素(例如(：、附、0、11)1、他〇 &)和?6)保持不變， 這在不影響合金的相平衡的情況下改善了晶粒細化。
[0016] 在一些實例中，將鈣加入到合金中，在其它實例中，在合金中不包含鈣。當存在時， 鈣可以以最多0.020重量％的最大量包含在合金中。最大量還可以更低，例如最多0.015重 量％或最多〇. 010重量％。認為(如上所述)鈣還有助于改善晶粒細化。
[0017] 碳可以以0.15重量％至0.30重量％的量存在于合金中。合金還可以含有較小范圍 的碳，其實例包括0.16重量％至0.30重量％，0.15重量％至0.25重量％，0.15重量％至0.20 重量％，或0.15重量％至大約0.17重量％。如上所述，至少一部分碳與鈮（即Nb(Ta))和鈦結 合形成一次碳化物晶粒。一次碳化物的形成可以在鑄錠凝固過程中發生。通常，當碳的百分 比下降時，一次碳化物的百分比也將如此。碳化物晶粒正向地影響合金的粘合性和耐磨性。
[0018] 鎳可以以30.25重量％至35重量％的量存在于合金中。合金還可以含有較小范圍 的鎳，其實例包括30.25重量％至34.50重量％，31.0重量％至35.0重量％，32.0重量％至 35.0重量％，33.0重量％至35.0重量％，或34.0重量％至35.0重量％。鎳與鐵相互可溶。可 以加入鎳以穩定奧氏體基質（γ)并促進形成γ 7相/晶體結構，這改善了合金的高溫強度。 鎳還可以促進形成gamma double prime( γ〃）晶體結構（即Ni3Nb)，其還有助于合金的高溫 強度。鎳還可以與鈦以Ni3Ti形式形成脆的Eta(n)相。小心地平衡鋁(A1)、鈦(Ti)和鈮(Nb (Ta))與鎳(Ni)將防止形成Eta相η。
[0019] 此外，認為，本文中公開的實施例中碳的相對低量和狹窄范圍和Nb(Ta)的相對高 的量(與其它已知合金相比）提高了 γ'和/或丫 〃相，并由此提高了本文中公開的合金的強 度。
[0020] 在合金的一些實例中，鈷也可以替代至少一部分鎳。鈷可以替代γ相中的鎳(導致 改善的抗蠕變強度），這允許更多鎳形成γ'相。
[0021] 鉻可以以15.0重量％至17.0重量％的量存在于合金中。鉻向合金基質提供固溶體 強化，并還形成用于抗氧化性的粘著力強的（tenacious)氧化物。這種粘著力強的氧化物被 認為是存在于合金的表面，其有利地抑制了高溫氧化形成并使腐蝕和磨損速率以及氧化速 率最小化。超出20重量％存在的絡形成sigma(〇)或alpha primeh')相，這可以在排氣工作 溫度下沉淀。這種沉淀可阻礙合金的耐磨性，因此鉻以在15.0重量％至17.0重量％的給定 范圍內的量存在。
[0022] 鋁可以以1.60重量％至2.50重量％的量存在于合金中。合金還可以含有較小范圍 的鋁，其實例為1.65重量％至2.30重量％，1.60重量％至2.20重量％，1.60重量％至2.00重 量％，或1.60重量％至1.80重量％。錯與鎳結合以沉淀γ 7相，由此可以視為γ 7晶體結構的 首要成分。此外，鋁提供一定程度的高溫氧化防護。已經發現，以本文中提供的范圍之外的 量加入鋁可能是不合意的。例如，當以低于1.60重量％的量加入鋁時，γ 7相變的不穩定，可 能轉化為扯$^附）3(11，41)]相，這會降低合金的機械性質。此外，以高于3重量％的量加 入鋁可削弱合金的熱加工性。此外，含有高含量鋁的γ 7幾乎不具有與γ基質的晶格應變失 配，并由此幾乎不增加強化能力。因此，合意的是以本文中給出的量包含鋁。
[0023] 鈦可以以1.60重量％至3.20重量％的量存在于合金中。合金還可以含有較小范圍 的鈦，其實例包括2.40重量％至3.20重量％，2.20重量％至2.60重量％，1.90重量％至2.30 重量％，或1.60重量％至1.80重量％。認為，添加鈦可以改善鋁與γ基質的晶格應變失配。 鈦還提高了 γ 7晶體結構的反相疇界能。如果鈦以低于1.5重量％存在，則γ '相的溶體溫度 被認為會降低。此外，高于1.5的鈦/鋁比或過高的鈦含量會在高于700°C的溫度下導致η相 生長/沉淀。相反，如果鈦/鋁比低于1.0,合金具有遲緩的老化變硬響應。如上所述，至少一 部分鈦還與碳結合沉淀一次碳化物，其有助于耐磨性。
[0024] 鈮（即Nb(Ta))可以以2.10重量％至3.20重量％的量存在于合金中。合金可以含有 較小范圍的Nb(Ta)，其實例包括2.10重量％至2.40重量％，2.40重量％至2.80重量％，2.60 重量％至3.00重量％，2.80重量％至3.20重量％，或2.90重量％至3.00重量％，在一些情況 下，合意的是使用甚至更高量的Nb(Ta)。如上所述，鈮（當以本文中公開的量使用時)有助于 形成γ 7相和/或γ 〃相。如上所述，兩種結構均有助于強度。鈮還有助于提高γ7和γ 〃晶體 結構之間的內聚力（coherency)，限制γ 7晶粒粗化，改善可焊性，并改善耐硫化腐蝕性。除 了形成γ '相之外，鈮還形成一次碳化物，這提供了耐磨性。
[0025]在本文中公開的實例中，合金包含最小量的碳化物形成元素 Nb(Ta)和Ti。該最小 量可以是合意的以便使所有碳反應形成碳化物，并具有足夠的Nb(Ta)和/或Ti以形成γ'相 和/或丫〃相。在一個實例中，鈮和鈦的總量（即他〇 &)+11)大于或等于4.40重量％。在另一 實例中，Nb(Ta)加 Ti的量大于或等于4.50重量％，在又一實例中，他〇&)加11的量大于或等 于4.60重量％。
[0026]合金還可以包含最多0.50重量％的銅。合金還可以較小的最大量含有銅，其實例 包括最多0.35重量％、0.25重量％、0.15重量％或甚至低至最多0.010重量％。銅可能有益 于耐硫化腐蝕性。但是，如果存在太多的銅，在一些情況下可能會妨礙高溫氧化防護。合金 的一些實例還不包括銅。
[0027]合金還可以包含鉬、鎢和/或錳。在合金中可以存在各自最多0.25