具有优异机械性能和腐蚀性能的低碳钢 有关申请的互相参照
本申请与1999年7月12日提交的，Gareth Thomas为唯一发明人，题为“Micrcomposite Low Carbon Steels for Superior Mechanical and CorrosionProperties(具有优异机械性能和腐蚀性能的显微复合材料)”的美国临时申请60/143,321相关。本文引入该临时申请的全部内容作为参考，并要求该临时申请提交日期在法律上所带来的一切利益。
【发明领域】
1.发明领域
本发明涉及合金钢领域，具体涉及有强度、韧性、耐腐蚀性能和冷成形性能均佳的合金钢领域，还涉及对钢合金进行加工形成使钢材具有该特殊物理性能和化学性能的显微结构的方法。
2.先有技术描述
其显微结构由马氏体相和奥氏体相组成的，强度、韧性和冷成形性能均佳的钢合金披露于下列美国专利(皆颁发给加里福尼亚Regent大学)，本文全部引入作为参考：
4,170,497(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，申请提交于1977年8月24日，发表于1979年10月9日，
4,170,499(Gareth Thomas和Bangaru V.N.Rao)，作为上述提交于1977年8月24日提交的申请的连续部分申请，提交于1978年9月14日，发表于1979年10月9日，
4,619,714(Gareth Thomas，Jae-Hwan Ahn和Nack-Joon Kim)，作为提交于1984年8月6日的申请的连续部分申请，提交于1984年11月29日，发表于1986年10月28日，
4,671,827(Gareth Thomas，Nack J.Kim和Ramamoorthy Ramesh)，申请提交于1985年10月11日，发表于1987年6月9日，
显微结构在特殊钢合金的性能产生上起关键作用，因此合金的强度和韧性不仅取决于合金元素的种类和用量，还取决于存在地结晶相和它们的排列。使用于某些环境中的合金需要高强度和高韧性，并通常需要时常会发生冲突的性能结合，因为有利于某一性质的一些合金化元素会不利于另一性质。
上述专利所披露的合金是具有这种显微结构的碳钢合金：马氏体板条和奥氏体薄膜交替排列，并分散有自回火产生的碳化物细晶粒。一种相的板条被另一种相的薄膜分隔的排列称作“错位板条”结构，该结构的形成方法是：先将合金加热到奥氏体范围内，然后将合金冷却到相变温度以下奥氏体转变为马氏体的温度范围内，同时进行压延获得所需形状的产品并细化板条和薄膜的交替排列。这种显微结构比孪晶马氏体结构更好，因为板条结构的韧性更高。这些专利还披露，板条区域中的过量碳会在冷却过程中通过称为“自回火”的现象沉淀形成渗碳体(碳化铁，Fe3C)。这种自回火的碳化物被认为有利于钢的韧性。
错位板条结构产生了既有坚韧性又有延展性的高强度钢，这种性能是防止裂纹扩展并使由该钢材成功制造工业部件的足够成形性能所需要的。控制马氏体相来获得错位板条结构而非孪晶结构是获得所需程度的强度和韧性的最有效方法之一，而残留的奥氏体薄膜有助于达到延展性和成形性能的质量。要获得错位板条显微结构而非较差的孪晶结构，需要仔细选择合金组成，因为合金组成会影响通常记为Ms的马氏体起始温度，该温度是马氏体相先开始形成的温度。马氏体转变温度是决定相变过程中形成孪晶结构还是错位板条结构的因素之一。
在许多用途中，耐腐蚀性能对钢部件的使用效果是很重要的。对通常用于潮湿环境的钢以及在钢筋混凝土中由于混凝土的多孔性特别如此。由于腐蚀性一直受到关注，所以人们不断在努力开发具有改进耐腐蚀性能的钢合金。本发明就是解决制造既耐腐蚀，强度和韧性又高的钢的这些和其它问题的。
发明概述
现在发现，从结构中除去存在的沉淀物，如碳化物、氮化物和碳氮化物，包括其形态随组成、冷却速率和其它合金化过程参数而不同的含有碳化物、氮化物或碳氮化物的自回火产物和转变产物，如贝氏体和珠光体，可以减小错位板条结构的腐蚀性。已经发现，这些沉淀物细小结晶与这些沉淀物分散在其中的马氏体相之间的界面起原电池的作用，促进了腐蚀，所以钢在这些界面上开始发生点蚀。因此，本发明部分基于不含碳化物、氮化物或碳氮化物的错位板条显微结构的合金钢和该种结构合金钢的形成方法。本发明还基于通过限制合金元素的种类和用量，使得马氏体起始温度Ms为350℃或更高来获得该类显微结构的发现。此外，本发明还基于这种发现：即虽然迅速的冷却速率能避免碳化物、氮化物或碳氮化物会在错位板条结构中产生的自回火和其它现象，但某些合金组合物通常仅用空气冷却就能产生无自回火产物和沉淀物的错位板条结构。通过下面的描述，能更好地了解本发明的这些和其它目的、特征和优点。
附图简述
图1是说明本发明合金处理步骤和条件的相变动力学图。
图2是表示本发明合金组合物显微结构的简图。
图3是本发明四种合金应力与应变的关系图。
具体实施方式的描述
某个相中过量的合金元素以和合金中其它元素形成化合物沉淀，能减轻该相因对该合金元素过饱和而产生的应力，所得化合物存在在分散于整个相的隔离区域中，而余下的相转变为饱和状态，此时合金组合物就发生了自回火。自回火会因此使过量碳沉淀为碳化铁(Fe3C)。如果铬以又一种合金元素存在，一些过量的碳也会沉淀为二碳化三铬(Cr3C2)，有其它合金元素时也会产生其碳化物沉淀。自回火还会使过量的氮沉淀为氮化物或碳氮化物。本文将所有这些沉淀物都统称为“自回火产物”。本发明完成其减轻合金对腐蚀敏感性目的的方法，就是避免产生包括沉淀物的这些产物和其它转变产物。
根据本发明，通过合理选择合金组成和马氏体转变温度范围内的冷却速率，通常能避免自回火产物和碳化物、氮化物和碳氮化物的形成。在冷却的任何特定阶段的冷却速率控制着合金冷却时由奥氏体相产生的相变，通常用温度为纵轴，时间为横轴的相变动力学示图来表示相变，该图的不同区域显示不同的相，相之间的线表示从一相转变为另一相的条件。此相图中边界线的位置和由这些边界线定义的各个区域随合金组成而异。
这种相图的一个例子示于图1。马氏体转变范围用表示马氏体起始温度Ms的横线11以下的区域表示，该横线以上的区域12是奥氏体存在的区域。Ms线上区域12内的C形曲线13将奥氏体区域分为两个小区。“C”形曲线左边的小区14中，合金完全保持为奥氏体相，而“C”形曲线右边的小区15中，奥氏体相中形成各种形态的含有碳化物、氮化物、碳氮化物的自回火产物和其它转变产物，如贝氏体和珠光体。Ms线的位置以及“C”形曲线的位置和曲率随着合金元素的种类和用量而异。
如果选择能避开进入或经过自回火产物小区15(“C”形曲线的内部)的冷却规程，就能避免自回火产物的形成。如果使用例如恒定的冷却速率，冷却规程可用由零时间开始完全处于奥氏体区域14的恒定(负)斜率的直线表示。能避免自回火产物小区15的冷却速率的上限用图中与“C”形曲线相切的直线16表示。为了大致避免自回火产物即碳化物的形成，必须使用的冷却速率用临界线16左边的线表示(即以相同的零时间点起始，但斜率更陡)。
因此视合金组成而异，可用水冷或空气冷却来获得足以符合这种需要的冷却速率。通常，如果可空气冷却并且冷却速率仍足够高的合金组成中某些合金元素用量减少的话，需要增加其它合金元素的用量，来保持可使用空气冷却的能力。例如，碳、铬或硅这类合金元素中有一种或多种的含量减少，就可提高一种元素如镁的含量来补偿。
例如含有(i)0.05-0.1％的碳，(ii)浓度至少约为2％的硅或铬，(iii)浓度至少约为0.5％的镁(其余为铁)的合金组合物(所有都以重量计)，优选用水淬火来冷却。这些合金组合物的特定例子是(A)合金元素为2％硅、0.5％镁、0.1％碳的合金，和(B)合金元素为2％铬、0.5％镁、0.05％碳的合金(所有都以重量计，且其余为铁)。可用空气冷却但仍能避免形成自回火产物的合金组合物例子，是那些含有约0.03-0.05％碳、约8-12％铬、约0.2-0.5％镁(其余为铁)的合金组合物(所有都以重量计)。这些合金组合物的例子是(A)含有0.05％碳、8％铬、0.5％镁的合金，和(B)含有0.03％碳、12％铬、0.2％镁的合金。需要强调的是，这些只是例子而已。对钢合金和钢相变动力学图熟悉的技术人员来说，其它合金组合物是显而易见的。
如上所述，使用其马氏体起始温度Ms约为350℃或更高的合金组合物，能避免相变时的孪晶现象。获得此结果的优选方法是使用作为合金元素的碳浓度约为0.01-0.35重量％、更优选约0.05-0.20重量％或0.02-0.15重量％的合金组合物。其他合金元素的例子可以包括铬、硅、镁、镍、钼、钴、铝和氮，单独使用或结合使用皆可。铬是特别优选的，因为它能为钢提供耐腐蚀性能的钝化能力。如果使用铬，其含量可以改变，但在大多数情况下，铬在约1-13重量％的范围内。铬含量的优选范围约为6-12重量％，更优选的范围约为8-10重量％。如果存在硅，其浓度也可改变。硅的含量优选最多约2重量％，最优选为0.5-2.0重量％。
上文参考的Thmas等人的四项美国专利中所述的包括和钢筋厂的处理步骤和条件，可用于本发明的实施，将合金组合物加热为奥氏体相，使合金从奥氏体相经过马氏体转变区冷却，并在该过程的一个或多个阶段进行压延。根据这些步骤，使合金组合物加热为奥氏体相，优选在高达约1150℃的温度进行，或更优选在900-1150℃的范围内进行。然后将合金在奥氏体形成温度下保持足够的时间，使元素获得符合奥氏体相晶体结构基本上完全的取向。在奥氏体形成和冷却步骤中，一个或多个阶段的压延以可控方法进行，使晶粒变形，并将应变能储存在晶粒中，还引导新形成的奥氏体相转变为马氏体板条被残留奥氏体薄膜所隔开的错位板条排列。这是通常通过压延10％或更多的压缩量、优选约30-60％的压缩量来完成的。
在部分冷却之后，可以再进行压延，引导晶粒和晶体结构朝向错位板条的结构转变，然后进行最终冷却，其冷却速率务使能避开上述自回火或转变产物形成的区域。马氏体错位板条和奥氏体膜的厚度可根据合金组成和处理条件而不同，本发明对此没有什么限制。但在大多数情况下，残留奥氏体膜约占显微结构体积的0.5-15％，优选约为3-10％，最优选为至多约5％。图2是合金的错位板条结构简图，基本上平行的板条21由马氏体相晶粒组成，该板条被残留奥氏体相的薄膜22所隔开。值得注意的是，该结构基本上没有碳化物，一般也没有沉淀物(包括氮化物和碳氮化物)，先有技术中这些沉淀物以比所示的两相尺寸小得多的另一针状结构物形式出现，分散在整个错位马氏体板条中。不存在这些沉淀物就大大增加了合金的耐腐蚀性能。这种钢浇铸以后，并且以足够快的速率冷却，也能获得图2所示的上述显微结构。
图3是本发明范围内四种合金显微结构的应力对应变的关系图，这四种结构都是错位板条排列，且不含自回火产物。各合金都有0.05％的碳和不同量的铬，方块表示2％，三角表示4％，圆表示6％，而平滑线表示8％的铬。各应力-应变曲线下的面积是钢韧性的一种衡量，注意此面积随着铬含量的增加而增加，因此韧性也增加，所有四种铬含量都显示出下方面积相当大即韧性佳的曲线。
本发明的钢合金特别适用于需要抗张强度高，并由包括冷成形法的方法制造的产品，因为此合金的显微结构特别适合于冷成形。这些产品的例子是用于汽车的金属板材以及例如用于径向增强汽车轮胎的金属丝材或棒材。
上述内容主要是为了说明而提出的。可对合金组合物的各种参数和处理步骤及条件进行改进和改变，而仍能实施本发明基本和新颖的概念。对本领域的技术人员这些是容易做到的，只要包括在本发明的范围内。