钢组合物及其不锈钢的固溶渗氮
阅读：603发布：2021-02-19
专利汇可以提供钢组合物及其不锈钢的固溶渗氮专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供了制备 铁 基 合金 的方法以及所得的合金。包含少量镍(例如，0.5重量％至2.0重量％)的铁基合金被 退火 并经过机加工。该合金具有足够的延展性以降低开裂的可能性，同时没有足够高到导致硬化的合金。在该合金成形之后，该合金通过渗氮进行硬化。，下面是钢组合物及其不锈钢的固溶渗氮专利的具体信息内容。
1.一种铁基合金，包含：
21重量％至25.5重量％的铬；
0.5重量％至2.0重量％的镍；和
0至0.5重量％的钼；
其中余量为铁和微量元素。
2.根据权利要求1所述的合金，包含最多至0.7重量％的锰。
3.根据前述权利要求中任一项所述的合金，包含最多至0.6重量％的硅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的合金，包含小于或等于0.5重量％的铜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金还包含：
小于或等于0.04重量％的磷；
小于或等于0.01重量％的硫；
小于或等于0.010重量％的铝；
小于或等于0.15重量％的钒；
小于或等于0.0050重量％的钙；
小于或等于0.01重量％的氧；
小于或等于0.1重量％的钛；
小于或等于0.5重量％的铌；和
微量元素，所述微量元素中的每一种的量小于或等于0.1重量％。
6.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金包含0.8重量％至1.5重量％的氮并且处于FCC相。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的合金，其中所述合金包含小于或等于0.1重量％的氮并且处于BCC相。
8.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金具有至少300Hv的硬度。
9.根据权利要求6所述的合金，其中所述合金具有小于或等于10Hv的硬度标准偏差。
10.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金具有至少1000mVsce的点蚀电位。
11.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金在抛光后具有小于或等于
2.0×10-4mA/cm2的钝化电流密度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述合金具有小于或等于5.0×10-
3mA/cm2的钝化电流密度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述硬化的机加工的合金具有在20微米至100微米之间的重结晶晶粒尺寸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的合金，其中所述晶粒尺寸具有5微米至30微米之间的标准偏差。
15.一种合金，包括：
21重量％至25.5重量％的铬；
0.5重量％至2.0重量％的镍；
0至0.5重量％的钼；
小于或等于0.04重量％的磷；
小于或等于0.01重量％的硫；
小于或等于0.010重量％的铝；
小于或等于0.15重量％的钒；
小于或等于0.0050重量％的钙；
小于或等于0.01重量％的氧；
小于或等于0.1重量％的钛；
小于或等于0.5重量％的铌；和
小于或等于0.1重量％的微量元素；
其中余量是铁。
16.根据权利要求15所述的合金，其中所述合金包含0.8重量％至1.5重量％的氮并且所述合金处于FCC相。
17.根据权利要求15所述的合金，其中所述合金包含小于或等于0.1重量％的氮并且所述合金处于BCC相。
18.一种制备铁基合金的方法，所述方法包括：
使包含21重量％至25.5重量％的铬、0.5重量％至2.0重量％的镍和小于或等于0.5重量％的钼的铁基合金退火以形成退火的合金；
对所述退火的合金进行机加工以形成机加工的合金；以及
使所述机加工的合金在填满第一气压的氮气的加热炉内在第一高温下硬化达第一时间段以形成第一硬化的机加工的合金。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使所述第一硬化的机加工的合金在填满第二气压的氮气的加热炉内在第一高温下硬化以形成第二硬化的机加工的合金，其中所述第二气压低于所述第一气压。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
将所述第二硬化的机加工的合金淬火到共析温度达第二时间段以形成淬火的合金；
使所述淬火的合金在第二高温下重结晶达第三时间段以形成重结晶的合金；以及将所述重结晶的合金淬火到室温以形成硬化的合金。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第一气压是0.9巴至3巴。
22.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第一高温和所述第二高温均为至少1000℃。
23.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第一硬化的机加工的合金包含小于或等于0.2重量％的氮化物。
24.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第一硬化的机加工的合金具有小于或等于0.3％的线性收缩。
25.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第二硬化的机加工的合金具有FCC结构并且是非磁性的。
26.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述退火的合金具有BCC结构并且是磁性的。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述硬化的合金包含含有铬和锰的氧化物。
28.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一时间段至少为16小时，并且所述第二时间段至少为1小时，并且所述第三时间段至少为1小时。
钢组合物及其不锈钢的固溶渗氮
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)，要求于2017年3月20日提交的名称为“STEEL COMPOSITIONS AND SOLUTION NITRIDING OF STAINLESS STEEL THEREOF”的美国专利申请62/473,575的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及合金组合物以及包括不锈钢的固溶渗氮的方法。
背景技术
[0004] 不锈钢由于其可变形性和耐腐蚀性而被广泛用作结构部件。不锈钢可以通过氮进行固溶强化。例如，Nakada等人已通过固溶渗氮制备了无镍高氮奥氏体不锈钢(Scripta Materialia 57(2007)153-156，“Grain refinement of nickel-free high nitrogen austenitic stainless steel by reversion of eutectoid structure”)。通过固溶渗氮形成稳定的奥氏体结构。然而，奥氏体Fe-25Cr-1N(质量百分比)合金易碎，并且容易开裂。
[0005] 仍然需要发展技术来开发合金组合物和制备方法，以改善不锈钢性能。发明内容
[0006] 在一方面，本公开涉及一种制备铁基合金的方法。该方法包括使包含21重量％至25.5重量％的铬、0.5重量％至2.0重量％的镍和小于或等于0.5重量％的钼的铁基合金先退火以形成退火的合金。在这些低镍含量下，该合金将在加工期间固化并保持在BCC相。在这一阶段，退火的合金具有体心立方(BCC)晶体结构，并且保持磁性。对铁素体合金的一个挑战是在高应变速率和/或低温下的低延展性。这些合金的低延展性由于析出脆化的σ相而进一步降低。增加镍含量增加了铁素体合金的基体延展性，从而提供更好的加工能力。
[0007] 退火的合金可以经过机加工和成形。机加工的合金然后可以在填满氮气的加热炉中在至少1000℃的第一高温下硬化一段时间。在“渗氮”期间，该合金吸收氮，并且经历从BCC到面心立方(FCC)的相变。由于FCC合金的高氮含量，材料的硬度增加。具有FCC晶体形式的合金是非磁性的。
[0008] 通过在渗氮硬化之前对该合金进行退火和机加工，可以使用明显更少的能量使该合金成形，并且大幅减少用于已经硬化的合金的任何所需的预成形(例如，预锻造)。完成机加工的合金被硬化并且同时被赋予非磁性，从而减少硬化步骤的数量和相关成本。相比传统300系FCC合金，降低镍含量还显著降低了合金成本。
[0009] 在一些变型中，硬化的机加工的合金可以在第二时间段内被淬火到共析温度，以形成淬火的合金。淬火的合金可以在第二高温下在第三时间段内重结晶达。重结晶的合金可以被进一步淬火到室温以形成硬化的机加工的合金。
[0010] 在一些另外的变型中，该方法致使该合金发生小于或等于0.3％的线性收缩。收缩是两个对立现象的总和：从BCC到FCC的相变导致收缩，而吸收氮到FCC的间隙晶格位置中使材料膨胀。同样，所得合金可以具有FCC结构并且是非磁性的。
[0011] 在另一方面，本公开涉及一种具有21重量％至25.5重量％的铬、0.5重量％至2.5重量％的镍和0至0.5重量％的钼的合金。在另外的变型中，该合金包含最多至0.7重量％的锰和最多至0.6重量％的硅以便于常规的熔炼方法。在另外的变型中，该合金具有小于或等于0.5重量％的铜。在其它变型中，该合金具有小于或等于0.04重量％的磷、小于或等于0.01重量％的硫、小于或等于0.010重量％的铝、小于或等于0.15重量％的钒、小于或等于
0.0050重量％的钙、小于或等于0.01重量％的氧、小于或等于0.1重量％的钛、小于或等于
0.5重量％的铌以及各自的小于或等于0.1重量％的微量元素，其中余量为铁。在一些变型中，该合金在FCC相中具有0.8重量％至1.5重量％的氮。在一些变型中，该合金在BCC相中具有小于或等于0.1重量％的氮。
0.0050重量％的钙、小于或等于0.01重量％的氧、小于或等于0.1重量％的钛、小于或等于
0.5重量％的铌以及各自的小于或等于0.1重量％的微量元素，其中余量为铁。在一些变型中，该合金在FCC相中具有0.8重量％至1.5重量％的氮。在一些变型中，该合金在BCC相中具有小于或等于0.1重量％的氮。
[0012] 在一些变型中，该合金可以具有至少300Hv的硬度。在另外的变型中，整个转变区域上的硬度变化小于或等于10Hv。在另外的变型中，该合金具有至少1000mVsce的点蚀电位。在其它变型中，该合金在抛光后可以具有小于或等于2.0×10-4mA/cm2的钝化电流密度。在一些另外的变型中，该合金可以具有小于或等于5.0×10-3mA/cm2的钝化电流密度。
[0013] 在一些变型中，硬化的机加工的合金可以具有在20微米至100微米之间的重结晶晶粒尺寸。晶粒尺寸的标准偏差可以在5微米至30微米之间。
[0014] 在以下描述中部分地阐述了另外的实施方案和特征，并且本领域技术人员在审阅说明书之后将明白或者通过所公开的主题的实践来学习这些实施方案和特征。可通过参考构成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分来实现本公开的特点和优点的进一步理解。
附图说明
[0015] 参考以下附图和数据图更将全面地理解本说明书，这些附图和数据图呈现为本公开的各种实施方案，并且不应当被理解为对本公开范围的完整详述，其中：
[0017] 图2是流程图，示出了在本公开的实施方案中用于生产硬化的机加工的合金的包括固溶渗氮的制造过程。
[0018] 图3示出了在本公开的实施方案中耐刮擦性与硬度成正比。
[0019] 图4示出了在本公开的实施方案中在固溶渗氮后的硬度分布。
[0020] 图5示出了在本公开的实施方案中经过和未经过固溶渗氮的合金的电位与电流密度。
[0021] 图6示出了硬度数据，证明了在根据本公开的实施方案中在对本发明的铁基合金进行渗氮之后的显著改善。
[0022] 图7示出了根据本公开的实施方案的刮擦表面的光学照片。
[0023] 图8A示出了根据本公开的实施方案的本发明的铁基合金的应力-真应变曲线。
[0024] 图8B示出了根据本公开的实施方案的本发明的铁基合金的工程应力-工程应变曲线。
具体实施方式
[0025] 通过结合如下所述的附图，参考以下详细描述可以理解本公开。应当指出的是，出于说明清楚的目的，各种附图中的某些元件可以不按比例绘制。
[0027] 本公开提供了合金的制备方法和制造过程，这些制备方法和制造过程与常规的钢制造过程相比具有优势。该制造过程包括对具有足够低的镍以提供延展性的退火的合金进行计算机数字控制(CNC)机加工。预硬化的合金允许以比硬化的合金大体上少的机加工来完成成形步骤。然后通过渗氮使合金硬化，这种渗氮也使合金经历从BCC晶体结构(磁性)到FCC晶体结构(非磁性)的相变。减少的镍含量允许合金具有足够的延展性以减少开裂。
[0028] 使处于软化状态的合金成形允许延长工具寿命，并且还可以降低与CNC相关的成本和机加工时间。当与在常规制造过程中对硬化的合金进行机加工相比时，该制造过程通过加工尚未硬化的合金而非加工硬化的合金可以使工具寿命提高约30％，并且可以降低生产成本和/或时间。减少的镍含量也大体上降低了合金成本。
[0029] 本公开提供铁基合金，这些铁基合金包含21重量％至25.5重量％范围内的铬(Cr)、0.5重量％至2.0重量％范围内的低镍(Ni)含量以及小于或等于0.5重量％的钼(Mo)。Ni和Mo的含量远低于商业不锈钢合金，诸如316不锈钢。
[0030] 图1是流程图，示出了在本公开的实施方案中用于生产经过机加工的硬化的合金的常规制造过程。在常规制造过程中，在操作102，可以使合金(诸如316不锈钢)熔化以形成块状合金。316不锈钢是非磁性的，并且具有面心立方(FCC)晶体结构。在操作106，块状合金然后可以被锻造以形成达到形状和硬度的锻造合金。
[0031] 在操作110，锻造合金然后可以被退火以形成退火的合金。退火是改变合金的物理特性和(有时候)化学特性以增加其延展性并降低其硬度从而使合金具有更好的可加工性的热处理。退火涉及将合金加热到其重结晶温度以上，维持合金的温度，然后冷却。原子在晶格中迁移，并且位错的数量减少。在操作114，退火的合金然后可以通过计算机数字控制(CNC)机加工进行机加工。
[0032] 图2是流程图，示出了在本公开的实施方案中用于生产硬化的机加工的合金的包括固溶渗氮的制造过程。在操作202，合金熔化以形成块状合金。在一些实施方案中，可以使用氩氧脱碳(AOD)熔炼来熔炼合金，然后连续浇铸以形成块状合金。合金也可通过电弧或AE来熔炼。
[0033] 在操作206，块状合金然后可以被退火以形成退火的合金。退火的合金比硬化的合金软，并且因此更易于进行机加工。在操作210，退火的合金可以通过CNC进行机加工以形成机加工的合金。机加工的合金通过渗氮来硬化。由于使用具有低Ni含量的铁基合金(例如，1.0-2.0重量％)，经过硬化的机加工的合金具有更好的延展性并且耐受开裂。
[0034] 在一些实施方案中，该合金可以是包含21重量％至25.5重量％范围内的铬(Cr)、0.5重量％至2.0重量％范围内的镍(Ni)含量以及小于或等于0.5重量％的钼(Mo)的铁基合金。在固溶渗氮之前(被称为渗氮前)的铁基合金是磁性的，并且具有体心立方(BCC)晶体结构。
[0035] 该合金可以根据本领域已知的任何方法进行加工。在一些实施方案中，铁基合金可以例如通过金属注射成型(MIM)被模制成块状合金。另选地，一些实施方案中，铁基合金可以被锻造成块状合金。与常规工艺相比，将使用更少的锻造步骤。
[0036] 对于316不锈钢，CNC循环时间一般可以是约3000秒，而对于铁基合金，CNC循环时间可以减少到2250秒。因此，铁基合金的循环时间减少了25％。CNC平均功率可以是约4kW。CNC的能耗是功率与时间的乘积。由于铁基合金的循环时间被缩短，铁基合金的CNC的能耗可以降低约25％。
[0037] 再次参见图2，在操作214，机加工的合金然后可以被固溶渗氮以形成经过硬化的机加工的合金。与锻造必须同时实现形状和硬度的图1所示的常规制造过程不同，图2所示的制造过程中的合金硬度独立于成形。
[0038] 在一些实施方案中，固溶渗氮可以在存在氮气的情况下在高温下进行一段时间。例如，固溶渗氮可以在填充有氮气的加热炉中进行。该加热炉可以被加热到至少1000℃，另选地到至少1100℃，另选地到至少1200℃。在一些实施方案中，该加热炉可以被加热到1180℃，保温12小时，气压为例如0.95巴。氮气可以渗透合金到高达1.5mm的深度。氮扩散距离(因此bcc到fcc的转变深度)d与渗氮时间t乘以合金中的氮扩散率D，的平方根成正比，根据等式(1)：
[0039] d∝√Dt等式(1)
[0040] 在各种实施方案中，氮气气压可以在1巴至3.5巴的范围内变化。气压和加热炉温以及渗氮时间可以变化以影响扩散深度。本领域的技术人员应当理解，最厚的尺寸可以随固溶渗氮的参数(诸如气压、渗氮时间、温度等)变化而变化。
[0041] 在另选的实施方案中，可以使用两步渗氮工艺。第一步渗氮工艺可以在第一气压下进行。第二步渗氮工艺可以在低于第一气压的第二气压下进行。两步渗氮工艺可以比单步渗氮工艺更好地改善硬度。在一些实施方案中，两步渗氮工艺可以在同一高温下进行。在其他实施方案中，两步渗氮工艺可以在不同的高温下进行。用于第一渗氮工艺的第一高温可以低于或高于用于第二渗氮工艺的第二高温。
[0042] 再次参见图2，制造过程还可以包括在操作218在共析温度下使经过硬化的机加工的合金淬火以形成淬火合金的步骤。
[0043] 当渗氮后的合金被淬火到共析温度并持续一段时间时，渗氮后的合金具有含氮化铬(Cr2N)析出物的BCC晶体形式。该合金可以被淬火到本领域已知的温度并持续一段时间。例如，在一些实施方案中，该合金可以被淬火到650℃并持续一小时。通过示例而非限制的方式，通过模拟预测到在580℃至720℃之间会发生BCC-Cr2N晶粒细化。
[0044] 合金
[0045] 本公开提供铁基合金，这些铁基合金包含21重量％至25.5重量％范围内的铬(Cr)、0.5重量％至2.0重量％范围内的低镍(Ni)含量以及小于或等于0.5重量％的钼(Mo)。Ni和Mo的含量远低于商业不锈钢合金，诸如316不锈钢。如本文所述，合金中可以包含各种其他元素。
[0046] 铬
[0047] 铁基合金可以包含Cr。增加的Cr抵抗合金中的腐蚀。
[0048] 在一些实施方案中，铁基合金包含21重量％至25.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于25.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于25.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包括小于24.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于24.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于23.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于23.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于22.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于22.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含小于21.5重量％的Cr。
[0049] 在一些实施方案中，铁基合金包含大于21重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于21.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于22.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于22.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于23.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于23.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于24.0重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于24.5重量％的Cr。在一些实施方案中，铁基合金包含大于25.0重量％的Cr。
[0050] 镍
[0051] 如本文所述，铁基合金包含足够量的镍以使得合金具有足够的延展性，但是不包含太多的镍使得合金在渗氮之前是BCC晶体结构。转变成FCC和硬化相反地通过使成形的合金渗氮来实现。镍的减少允许合金在预硬化状态下成形，该合金在预硬化状态下具有足够的延展性以降低开裂的可能性。
[0052] 在一些实施方案中，铁基合金包含0.5重量％至2.0重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于2.0重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.9重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.8重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.7重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.6重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.5重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.4重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.3重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.2重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.1重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于1.0重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于0.9重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于0.8重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于0.7重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或小于0.6重量％的Ni。
[0053] 在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于0.5重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于0.6重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于0.7重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于0.8重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于0.9重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.0重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.1重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.2重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.3重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.4重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.5重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.6重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.7重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.8重量％的Ni。在一些实施方案中，铁基合金包含等于或大于1.9重量％的Ni。
[0054] 钼
[0055] 铁基合金可以包含少量的钼(Mo)。钼是不希望的，因为对于等效合金氮含量，钼增加了渗氮期间所需的氮气气压。然而，钼是不锈钢中可能存在于用于熔炼的原材料中的常见杂质。
[0056] 在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.50重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.45重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.40重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.35重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.30重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.25重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.20重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.15重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.10重量％的Mo。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.05重量％的Mo。
[0057] 锰
[0058] 在一些实施方案中，铁基合金包含至多0.7重量％的锰(Mn)。
[0059] 在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.7重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.6重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.5重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.4重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.3重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.2重量％的Mn。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.1重量％的Mn。
[0060] 硅
[0061] 在一些实施方案中，铁基合金包含至多0.6重量％的硅(Si)。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.60重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.55重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.50重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.45重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.40重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.35重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.30重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.25重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.20重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.15重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.10重量％的Si。在一些实施方案中，铁基合金包含小于0.05重量％的Si。
[0062] 铜
[0063] 铁基合金可以包含铜(Cu)。
[0064] 在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.50重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.45重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.40重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.35重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.30重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.25重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.20重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.15重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.10重量％的Cu。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.05重量％的Cu。
[0065] 氮
[0066] 在一些变型中，铁基合金可以包含氮(N)。在多个方面，氮在渗氮期间提供奥氏体形成(FCC结晶)，并且提供相应的硬化和机械强度。在各种附加方面，氮可以增加对局部腐蚀的抗性(尤其是与钼的组合时)。
[0067] 在基本BCC合金中，在一些变型中，铁基合金包含小于或等于0.10重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.09重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.08重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.07重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.06重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.05重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.04重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.03重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.02重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.01重量％的氮。
[0068] 渗氮之后，基本BCC合金转变成FCC相。FCC相可以具有0.8重量％至1.5重量％的氮。在一些实施方案中，铁基合金的FCC相包含等于或小于1.5重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或小于1.4重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包括等于或小于1.3重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包括等于或小于1.2重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包括等于或小于1.1重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包括等于或小于1.0重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包括等于或小于0.9重量％的氮。
[0069] 在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于0.8重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于0.9重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于1.0重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于1.1重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于1.2重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于1.3重量％的氮。在一些实施方案中，FCC相包含等于或大于1.4重量％的氮。
[0070] 其他合金元素
[0071] 在一些变型中，铁基合金可以包含硫(S)。在一些变型中，铁基合金可以包含含量小于或等于0.01重量％的硫。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.008重量％的硫。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.006重量％的硫。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.004重量％的硫。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.002重量％的硫。
[0072] 在一些变型中，铁基合金可以包含磷(P)。
[0073] 在一些实施方案中，铁基合金还可以包含小于或等于0.04重量％的磷。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.03重量％的磷。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.02重量％的磷。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.01重量％的磷。
[0074] 在一些变型中，铁基合金可以包含钙(Ca)。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0050重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0045重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0040重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0035重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0030重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0025重量％的钙。在一些实施方案中，合金包含小于或等于0.0020重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0015重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0010重量％的钙。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.0005重量％的钙。
[0075] 在一些变型中，铁基合金可以包含钒(V)。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.15重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.13重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.11重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.09重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.07重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.05重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.03重量％的钒。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.01重量％的钒。
[0076] 钒是不希望的，因为钒会降低可用的温度—压力加工窗口。在一些实施方案中，钒可以不高于500ppm。
[0077] 在一些变型中，铁基合金可以包含小于0.1重量％的钛(Ti)。
[0078] 在一些变型中，铁基合金可以包含小于0.5重量％的铌(Nb)。钛和/或铌应当被控制为小于100ppm以避免在渗氮期间可能形成稳定的Ti和/或Ni的氮化物或限制这些氮化物的分解。如果Ti和/或Nb过高，则合金可能存在抛光问题。
[0079] 在一些变型中，铁基合金可以包含铝(Al)。在一些变型中，铁基合金包含小于或等于0.01重量％的铝。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.008重量％的铝。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.006重量％的铝。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.004重量％的铝。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.002重量％的铝。
[0080] 在一些变型中，铁基合金可以包含氧(O)。在一些变型中，铁基合金包含小于或等于0.010重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.009重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.008重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.007重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.006重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.005重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.004重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.003重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.002重量％的氧。在一些实施方案中，铁基合金包含小于或等于0.001重量％的氧。
[0081] 在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.10重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.09重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.08重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.07重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.06重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.05重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.04重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.03重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.02重量％的其他微量元素。在一些实施方案中，铁基合金包含含量小于或等于0.01重量％的其他微量元素。微量元素可以包括可能例如作为加工和制造的副产物存在的杂质元素。
[0082] 在一些变型中，该合金可以包含小于或等于0.04重量％的磷。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.01重量％的硫。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.010重量％的铝。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.15重量％的钒。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.0050重量％的钙。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.01重量％的氧。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.1重量％的钛。在另外的变型中，该合金可以包含小于或等于0.5重量％的铌。在另外的变型中，该合金可以包含微量元素，每种微量元素的量均小于或等于0.1重量％。在一些变型中，该合金在FCC相中具有0.8重量％至1.5重量％的氮。在另外的变型中，该合金在BCC相中可以包含小于或等于0.1重量％的氮。
[0083] 重结晶和晶粒尺寸
[0084] 再次参见图2，在操作222，淬火合金可以被重结晶。淬火合金可以在高温下重结晶一段时间以形成重结晶的合金。重结晶可提供对晶粒尺寸控制的控制，例如更细的晶粒尺寸和更均匀的晶粒尺寸。当经过淬火的渗氮后的合金在高温(诸如1180℃)下维持1小时重结晶时，新的FCC晶粒生长并且Cr的氮化物(Cr2N)可以重新溶解。在操作226，重结晶的合金然后可以被淬火到室温以形成硬化的机加工的合金。
[0085] 重结晶温度可以通过使用以下步骤来确定，包括：(a)在Cr的氮化物相(根据Ti或Nb的杂质水平，仅为FCC或可能的FCC+Ti或Nb的氮化物)的固溶温度附近渗氮；(b)淬火到发生共析反应(FCC→BCC+Cr的氮化物)的中间温度。这形成大量的BCC晶粒；并且(c)返回至步骤(1)的初始温度以溶解Cr的氮化物，同时大量的BCC晶粒转化成大量(并且因此细晶粒尺寸)的FCC。
[0086] 在多个方面，特性(诸如硬度和强度)与晶粒尺寸成反比。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于100微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于90微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于80微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于70微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于60微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于50微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于40微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸小于30微米。
[0087] 在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于20微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于30微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于40微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于50微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于60微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于70微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于80微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸大于90微米。
[0088] 在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差小于30微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差小于25微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差小于20微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差小于15微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差小于10微米。
[0089] 在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差大于5微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差大于10微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差大于15微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差大于20微米。在一些实施方案中，平均晶粒尺寸偏差大于25微米。
[0090] 转变深度和非磁性FCC
[0091] 如本文所述，渗氮前的合金可以通过固溶渗氮而转变成渗氮后的合金。表1总结了铁基合金转化之前和之后的晶体结构和磁性特性的变化。该合金经过相变从BCC晶体结构转变成FCC晶体结构。渗氮前的合金具有BCC结构，并且是磁性的。渗氮后的合金具有FCC晶体结构，并且是非磁性的。
[0092] 表1
[0093]渗氮前合金 渗氮后合金
BCC FCC
α相，铁素体 γ相，奥氏体
磁性 非磁性
BCC FCC
α相，铁素体 γ相，奥氏体
磁性 非磁性
[0094] 在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面4mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面3.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面3mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面2.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面2.0mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
1.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.4mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.3mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
1.2mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.1mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.0mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.9mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.8mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.7mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.6mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.4mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.3mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.2mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.1mm。
1.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.4mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.3mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
1.2mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.1mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面1.0mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.9mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.8mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.7mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.6mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.5mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.4mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面
0.3mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.2mm。在一些实施方案中，转变深度等于或小于距合金表面0.1mm。
[0095] 硬度
[0096] 在本公开的变型中，硬度可以随着合金组成和固溶渗氮参数的变化而变化。在一些变型中，硬度为至少300Hv。在一些变型中，硬度为至少310Hv。在一些变型中，硬度为至少320Hv。在一些变型中，硬度为至少330Hv。在一些变型中，硬度为至少340Hv。在一些变型中，硬度为至少350Hv。在一些变型中，硬度为至少360Hv。在一些变型中，硬度为至少370Hv。在一些变型中，硬度为至少380Hv。在一些变型中，硬度为至少390Hv。在一些变型中，硬度为至少400Hv。在一些变型中，硬度为至少410Hv。
[0097] 在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于30Hv。在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于25Hv。在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于20Hv。在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于15Hv。在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于10Hv。在一些变型中，硬度变化的标准偏差不大于5Hv。
[0098] 耐腐蚀性
[0099] 合金的耐腐蚀性可以被测量为较低的钝化电流密度或较高的点蚀电位。在一些变型中，抛光的合金的点蚀电位为至少800mVSCE。在一些变型中，抛光的合金的点蚀电位为至少900mVSCE。在一些变型中，抛光的合金的点蚀电位为至少1000mVSCE。在一些变型中，抛光合的金的点蚀电位为至少1100mVSCE。
[0100] 在一些变型中，未抛光的合金的点蚀电位为至少600mVSCE。在一些变型中，未抛光的合金的点蚀电位为至少650mVSCE。在一些变型中，未抛光的合金的点蚀电位为至少700mVSCE。在一些变型中，未抛光的合金的点蚀电位为至少750mVSCE。
[0101] 本领域的技术人员应当理解，耐腐蚀性可以随着组成、固溶渗氮参数和抛光条件的变化而变化。
[0102] 尺寸变化
[0103] 在加工期间维持合金的一致尺寸允许在加工期间进行一致的测量。在一些方面，当合金的晶体从BCC晶体变化到FCC晶体时，堆垛密度的减小会导致合金的收缩(例如，线性收缩)。
[0104] 堆垛密度的减小可以通过在固溶渗氮期间向样品添加氮来补偿。渗氮的增加可以导致合金膨胀(例如，线性膨胀)。这种变化可以通过例如渗氮前和渗氮后的线性尺寸变化来测量。
[0105] 在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.3％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.2％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.1％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.05％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.04％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.03％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.02％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.01％。在一些实施方案中，线性尺寸变化小于0.005％。
[0106] 所公开的合金和方法可以用于制备电子设备。本文的电子设备可以指本领域已知的任何电子设备。例如，这些设备可以包括可穿戴设备，诸如手表(如， )。设备也可以是电话，诸如移动电话(如， )、有线电话或任何通信设备(例如，电子邮件发送/接收设备)。这些合金可以是显示器的一部分，诸如数字显示器、电视监视器、电子书阅读器、便携式网页浏览器(如， )以及计算机监视器。这些合金还可以是娱乐设备，包括便携式DVD播放器、常规DVD播放器、蓝光碟片播放器、视频游戏控制台、音乐播放器诸如便携式音乐播放器(如 )等。这些合金还可以是提供控制的设备的一部分，诸如控制图像、视频、声音流(如Apple )，或这些合金可以是用于电子设备的遥控器。这些合金可以是计算机或其附件的一部分，诸如硬盘塔外壳或保护套、膝上型计算机外壳、膝上型计算机键盘、膝上型计算机触控板、台式计算机键盘、鼠标和扬声器。
[0107] 实施例
[0108] 下列非限制性实施例被包括作为本公开的举例说明。
[0109] 实施例1
[0110] 对合金Fe-24Cr-1.5Ni进行模拟，预测到渗氮温度可以在1120℃至1180℃的范围内变化。
[0111] 在1180℃下固溶渗氮(氮气气压为0.95巴，时间12小时)之后，该合金发生表面硬化，深度为约0.75mm。氮的表面扩散过程被限制在具有厚度为1.5mm的横截面的样品中。比处理深度薄的合金可以完全转变成FCC而成为非磁性的。在固溶渗氮之后，该合金从BCC相变成FCC，并且变成非磁性的。
[0112] 表2示出了铁基合金的计算的最厚尺寸和渗氮时间。
[0113] 表2
[0114]
[0115] 在重结晶之前和之后测量合金的平均晶粒尺寸。渗氮后的合金在未经过重结晶处理的情况下的平均晶粒尺寸为137微米，标准偏差为44微米。经过重结晶，渗氮后的合金经过测量具有63微米的平均晶粒尺寸，标准偏差为17微米。
[0116] 实施例2
[0117] 根据ASTM E384测量Fe-24.0Cr-1.5Ni-0.5Si-0.5Mn合金的硬度。图3示出了在各种实施方案中耐刮擦性与硬度成正比。如图3所示，当硬度为250Hv时，耐刮擦性较差。
[0118] 渗氮的合金的硬度为320Hv(标准偏差为10Hv)，该合金比硬度为270Hv(标准偏差为60Hv)的合金的耐刮擦性好。具有高硬度的合金也可以更耐点蚀或变形。
[0119] 实验表明，在固溶渗氮之后的硬度比常规的钢显著增加。硬度也比常规的合金更加均匀，偏差小得多。
[0120] 图4示出了在本公开的实施方案中的Fe-24.0Cr-1.5Ni-0.5Si-0.5Mn合金在固溶渗氮之后的硬度分布。如图所示，平均硬度为320Hv，标准偏差为8Hv。
[0121] 实施例3
[0122] 可以测量晶粒尺寸以比较重结晶之前和之后的合金。
[0123] 实验表明，在重结晶之后，晶粒尺寸变得比未经过重结晶的情况下的晶粒尺寸更小并且更加均匀。对于合金Fe-24.0Cr-1.5Ni-0.5Si-0.5Mn，未经过重结晶的平均晶粒尺寸为137微米，标准偏差为44微米。经过重结晶，平均晶粒尺寸为63微米，标准偏差为17微米。
[0124] 实施例4
[0125] 根据ASTM B117，通过盐水喷雾试验评估合金的耐腐蚀性。
[0126] 图5示出了在本公开的实施方案中经过和未经过固溶渗氮的Fe-24.0Cr-1.5Ni-0.5Si-0.5Mn合金的电位与电流密度。表3示出了渗氮后的合金或渗氮的合金(抛光和未抛光)与渗氮前的合金或未渗氮的合金的腐蚀比较。
[0127] 表3
[0128]
[0129] 如图5所示，与渗氮前的合金相比，未抛光的渗氮后的合金显示出点蚀电位增加。未渗氮的合金的点蚀电位具有470mVSCE的点蚀电位，而未抛光的渗氮的合金具有782mVSCE的点蚀电位。抛光的渗氮的合金具有1130mV SCE的点蚀电位。未抛光的渗氮后的合金的点蚀电位低于抛光的渗氮后的合金的点蚀电位。这与表面粗糙度的观察结果一致，表面粗糙度是影响点蚀电位的属性。
[0130] 渗氮的合金的钝化电流密度为2×10-4，而抛光的渗氮的合金的钝化电流密度为4.6×10-3。未抛光的渗氮后的合金的钝化电流密度低于抛光的渗氮后的合金的钝化电流密度。实验表明，抛光的和未抛光的渗氮的合金都具有比未渗氮的合金好的耐腐蚀性。
[0131] 实施例5
[0132] 通过在第一步渗氮过程之后的第二步渗氮过程，可以进一步改善硬度。在一个实施方案中，第二步渗氮过程可以在比第一渗氮过程低的气压下进行。例如，第一渗氮过程可以在2.3巴的氮气气压下进行。第二渗氮过程可以在1.8巴的氮气气压下进行。第二渗氮过程的温度可以与第一渗氮过程的温度相同。
[0133] 两步渗氮过程提高了合金中的氮含量，这最小化了氮化物形成并且增加了硬度。例如，通过两步渗氮过程可以使氮增加到1.4重量％。除其他技术之外，可以通过仪器气体分析(IGA)或火花源光学发射光谱法(spark optical emission spectroscopy)来测量合金中的氮含量。
[0134] 渗氮引起的硬度提高会随着合金组合物的变化而变化。例如，对本发明的合金执行渗氮实验。测量本发明的铁基合金的硬度。
[0135] 图6示出了硬度数据，证明了在根据本公开的实施方案中在对本发明的铁基合金进行渗氮之后的显著提高。如图6所示，本发明的铁基合金的硬度约为360Hv，如条604A所示，该硬度高于基准或参考合金(例如，锻造的316合金)的硬度(约为280Hv)，如基准602所示。ThermoCalc建模所预期的硬度(如条604B所示)约为295Hv，该硬度在如虚线602所示的基准值以上。
[0136] 相比之下，对316合金渗氮并未提高硬度。如图6所示，316合金在渗氮后的硬度约为280Hv，如条606A所示，该硬度保持与基准(例如，锻造的316合金)大致相同，如条602所示。ThermoCalc建模所预期的硬度(如条606B所示)约为230Hv，该硬度在如虚线602所示的基准值以下。因此，渗氮比锻造出人意料地提高了本发明的铁基合金的硬度。本发明的铁基合金包含21重量％至25.5重量％范围内的铬(Cr)、0.5重量％至2.0重量％范围内的低镍(Ni)含量以及小于或等于0.5重量％的钼(Mo)。Ni和Mo的含量远低于商业不锈钢合金，诸如316不锈钢。
[0137] 高硬度似乎与本发明的铁基合金中观察到的高氮值相关。本发明的铁基合金中的氮含量在上述两步渗氮过程之后被确定为1.4重量％。然而，本发明的铁基合金在单步渗氮过程之后的氮含量被确定为1.0重量％，在两步渗氮过程之后的氮含量小于1.4重量％。ThermoCalc建模还确定了本发明的铁基合金中的氮为1.0重量％。令人惊讶的是，两步渗氮过程导致本发明的铁基合金中的氮含量高于单步渗氮过程或来自ThermoCalc建模的估计值。
[0138] 图7示出了根据本公开的实施方案的刮擦表面的光学照片。如图7所示，部件具有可以由合金形成的区域702，即，锻造的316不锈钢(被称为“锻造316”)、渗氮的316不锈钢(被称为“渗氮316”)和本发明的铁基合金。附图标记702A、702B和702C分别示出了锻造316、渗氮316和本发明的铁基合金的放大光学照片。由702A标记的锻造后的合金316显示出最多的划痕。由702B标记的渗氮后的合金316显示出提高的耐刮擦性。由702C标记的本发明的铁基合金显示出最好的耐刮擦性。
[0139] 图8A示出了根据本公开的实施方案的当前的铁基合金的应力-真应变曲线。如图8A所示，曲线802示出了几个样品的真应力随真应变增大而增大。真应力是在拉伸试验中施加的载荷除以试样在该载荷下的实际横截面积(随时间变化的面积)。真应变等于当前长度L与原始长度的商L0的自然对数，如以下等式所给出的：
[0140]
[0141] 试样A-E的延展性略有不同，在约0.4至约0.5或约40％至约50％的范围内变化。
[0143] 图8B示出了根据本公开的实施方案的当前的铁基合金的工程应力-工程应变曲线。如图8B所示，曲线806示出了几个样品的应力随应变增大而增大。工程应变被表示为在拉伸测试中每单位的样品原始长度L的长度变化ΔL。工程应力施加的载荷除以材料的原始横截面积。
[0144] 本领域的技术人员应当理解，除了其他以外，包括304SS的其他铁基合金也可以通过渗氮来硬化。两步渗氮过程的条件可以随合金的变化而变化。
[0145] 本文所引用的任何范围均包括端值在内。在本说明书的全文中所用的术语“基本上”和“约”用于描述和说明小的波动。例如，它们可指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％、诸如小于或等于±1％、诸如小于或等于±0.5％、诸如小于或等于±0.2％、诸如小于或等于±0.1％、诸如小于或等于±0.05％。
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