專利名稱：高抵抗性奧氏體不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種奧氏體鋼和用于生產(chǎn)該奧氏體鋼的方法以及該鋼材的用途。
通過碳和氮元素的間隙溶解原子可特別增加奧氏體鋼的強(qiáng)度。為了溶解熔體中的揮發(fā)性氮元素，最重要的是將鉻和錳添加到所述合金中用以降低氮的活性。雖然鉻單獨(dú)會促進(jìn)鐵素體的形成，但是可利用錳通過固溶退火調(diào)節(jié)奧氏體結(jié)構(gòu)并通過在水中淬火至室溫使其穩(wěn)定。借助計(jì)算相圖通過
圖1中具有18質(zhì)量％的鉻和18質(zhì)量％的錳的鐵合金對碳和氮的影響進(jìn)行了說明。所述計(jì)算是基于從數(shù)據(jù)庫中的文獻(xiàn)匯編并進(jìn)行處理以說明相平衡的熱力學(xué)物質(zhì)數(shù)據(jù)，″Thermo-Calc，User′s Guide，Version N，Thermo-Calc Software AB，StockholmTechnology Park，Stockholm″。
從圖1a可看出，C為1質(zhì)量％時不存在均勻奧氏體。富鉻碳化物可阻止基體的足夠鈍化，因此鋼Cr18Mn18C1(在這里組成基于質(zhì)量％)盡管有高的鉻含量也不算在不銹鋼內(nèi)。如果由氮替代碳，可通過例如在1100℃固溶退火獲得均勻奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，如圖1中所示。繪出的1巴平衡空氣壓力PL揭示熔體吸收了約0.55質(zhì)量％的氮，但是氮傾向于在初生鐵素體凝固時脫氣。因此，不增加壓力實(shí)際上不可能在奧氏體中獲得1質(zhì)量％的氮含量。在含有1質(zhì)量％碳的鋼中，沒有出現(xiàn)這個有關(guān)壓力依賴性的問題。
如圖1a中所示，通過間隙原子而具有高強(qiáng)度的奧氏體不銹鋼的開發(fā)受奧氏體中缺少碳溶解度的限定，并依據(jù)圖1b受常規(guī)大氣壓下熔體中缺少氮溶解度的限制。
已知不同的方法用于克服該限制。一種方法涉及同時使用鉻和錳，即(Cr+Mn)法。這里，溶解度促進(jìn)元素鉻和錳的含量增加到一定程度，使得最高達(dá)1質(zhì)量％的氮可在大氣壓力下溶解于熔體和奧氏體中。這里參考隨后的表1中的鋼A。為了避免氮化物析出，固溶退火溫度必須提升至約1150℃。另一缺陷是鍛造溫度范圍的限制和熱成形期間產(chǎn)生邊部裂紋的危險(xiǎn)。
另一方法包括同時加入碳和氮，即(C+N)法，例如B.D.Shanina，V.G.Gavriljuk，H.Berns，F(xiàn).SchmaltSteel research 73(2002)3，第105-113頁中所指出的方法。在這里采用通過同時溶解碳和氮來增加奧氏體晶格中的自由電極濃度。這穩(wěn)定了奧氏體，即，使間隙元素的溶解度范圍增加。由于碳部分替代了氮，因此在按照(Cr+Mn)方法所要求的減少的鉻和錳含量的情況下可以避免從熔體中脫氣。迄今為止根據(jù)(C+N)法已經(jīng)在大氣壓力下熔煉(C+N)含量約0.8質(zhì)量％的CrMn鋼；參見隨后表1中的鋼B。根據(jù)下表1的鋼C和D也必須歸于該組。
表1
在具有高間隙原子含量的敞式熔煉的鋼中不可能發(fā)現(xiàn)CrNi鋼，因?yàn)檎绻瑁嚳蓽p少碳和氮的溶解度。該組X5CrNi18-10中的標(biāo)準(zhǔn)鋼的Rp0.2屈服強(qiáng)度大約為220MPa。已知的鉻錳鋼達(dá)到大于該值的兩倍。此外它們具有高的真實(shí)斷裂強(qiáng)度R，這是由于強(qiáng)的加工硬化以及相應(yīng)的大的均勻伸長Ag。這種加工硬化能力也是所述高強(qiáng)度奧氏體鋼具有高耐磨性的原因。
下面對其它已知的耐腐蝕奧氏體鋼進(jìn)行簡述例如CH202283中描述了一種已知的鉻錳鋼。所述鉻錳鋼包含0.01-1.5％碳、5-25％鉻和10-35％錳、且氮含量為0.07-0.7％。然而，從根據(jù)該公開的附表可以清楚，碳和氮都可更恰當(dāng)?shù)卦谒玖康妮^低范圍內(nèi)使用，并且由此已獲得了足夠好的結(jié)果。
此外，US 4493733公開了一種耐腐蝕非磁性鋼，其包含0.4％或更少的碳、0.3-1％氮、12-20％鉻、13-25％錳和小于2％的硅。此外，根據(jù)所述組成的鋼可包含至多5％的鉬。在這種情況下，從該表也可尤其清楚的是優(yōu)選碳含量盡可能地低以獲得成品鋼的良好性能。
由EP 0875591已知了另一種耐腐蝕奧氏體合金，所述合金特別適用于與活體至少部分接觸的制品或元件。所述合金包含11-24重量％的Cr、5-26重量％的Mn、2.5-6重量％的Mo、0.1-0.9重量％的C、和0.2-2重量％的N。特別強(qiáng)調(diào)的是增加的碳含量并基于這樣的發(fā)現(xiàn)固溶體中的碳可增強(qiáng)奧氏體不銹鋼在酸性氯化物溶液中的耐裂隙腐蝕性。
此外，DE 19513407涉及奧氏體鋼合金在與皮膚相容的制品中的使用，所述鋼合金包含至多0.3質(zhì)量％碳、2-26質(zhì)量％錳、11-24質(zhì)量％鉻、大于2.5-5質(zhì)量％鉬、和大于0.55-1.2質(zhì)量％氮、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。這里據(jù)稱對于碳量來說，即使只是略微增加碳含量也會對耐腐蝕性或耐應(yīng)力腐蝕開裂性產(chǎn)生不利的影響，因此碳含量應(yīng)盡可能地小，優(yōu)選小于0.1質(zhì)量％。
本發(fā)明的目的是提供一種耐腐蝕奧氏體鋼，其特征在于具有高的耐腐蝕性并且尤其是高的強(qiáng)度和耐磨性。
通過具有下列組成的奧氏體不銹鋼實(shí)現(xiàn)了該目的，以質(zhì)量百分比計(jì)16-21％鉻、16-21％錳、0.5-2.0％鉬、總計(jì)0.80-1.1％的碳和氮，并且碳/氮比為0.5-1.1，余量為鐵，且熔煉過程所產(chǎn)生的雜質(zhì)總含量≤2.5％。
根據(jù)本發(fā)明的鋼的區(qū)別是在非常不同的環(huán)境下具有特別高的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性并因此提供了大量可能的應(yīng)用。此外，所述鋼的生產(chǎn)成本低，因此其適合于非常不同的用途，尤其是也適用于迄今由于成本原因而尚未使用相應(yīng)鋼材的用途。
本發(fā)明的鋼雖源于(C+N)法，但擴(kuò)展了所述方法。例如，將所述均勻奧氏體的間隙合金含量設(shè)定為0.80-1.1質(zhì)量％的碳和氮以便獲得高等級的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和耐磨性。根據(jù)本發(fā)明，將碳/氮質(zhì)量比設(shè)定在0.5和1.1之間，以允許鋼在約1巴的常規(guī)大氣壓下熔煉并允許其在均勻奧氏體的寬溫度范圍內(nèi)熱成形。
與已知的現(xiàn)有技術(shù)相反，通過遵守碳/氮比可以利用敞式熔煉在鋼中溶解高的間隙原子含量，因此無需限定鍛造范圍或提高代用合金含量即可獲得優(yōu)異的強(qiáng)度特性，也就是在大氣壓力下熔煉所述鋼并僅通過氮來提供高強(qiáng)度。此外，與CrNi鋼相比較，CrMn鋼的低耐腐蝕性的缺陷已經(jīng)通過加入少量Mo得到補(bǔ)償，Mo與N結(jié)合可確保期望用途所需的耐腐蝕性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，碳和氮的總含量是0.80-0.95質(zhì)量％。在其它實(shí)施方案中，碳和氮的總含量為0.95-1.1質(zhì)量％據(jù)證實(shí)是有效的。由于對碳和氮總含量的調(diào)節(jié)，因此可直接改變屈服強(qiáng)度并且所述鋼的組成因此可適于期望的用途。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方案，鉬含量是0.5-1.2質(zhì)量％。由具有所述鉬含量的鋼制成的工件據(jù)證實(shí)特別適用于工件要承受大氣腐蝕的應(yīng)用。
有利的是，鉬含量可大于1.2-2.0質(zhì)量％。相應(yīng)的鉬含量特別適于在使用期間與鹵素離子腐蝕接觸的鋼制工件。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方案，鎳作為熔煉過程引起的雜質(zhì)，其含量低于0.2質(zhì)量％。相應(yīng)生產(chǎn)的鋼特別適用于暫時與人體接觸的工件。
有利的是，所述耐腐蝕奧氏體鋼可進(jìn)行敞式熔煉，即在約1巴的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下。由于該敞式熔煉，可以特別顯著地降低生產(chǎn)成本。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施方案，溶解工藝后0.2屈服強(qiáng)度可超過450MPa，而在另一個實(shí)施方案中其可超過550MPa。因此，所述鋼可通過選定的組成以適應(yīng)期望的未來應(yīng)用所要求的性能。
有利的是，本發(fā)明的鋼可用于生產(chǎn)高強(qiáng)度、不銹、耐磨和/或不可磁化的工件。
此外，本發(fā)明提供了通過在約1巴的大氣壓力下熔煉并隨后成型來生產(chǎn)具有上述組成的耐腐蝕奧氏體鋼的方法。
由于可以通過常規(guī)方法步驟來生產(chǎn)和處理所述鋼，因此這里生產(chǎn)本發(fā)明的鋼不需要另外的設(shè)備。
有利的是，所述成型工藝選自鑄造、粉末冶金、成形以及焊接。應(yīng)當(dāng)清楚的是，可以使用非常不同的成型工藝賦予鋼材所需的形狀，因此這里也可以形成非常不同的工件。
有利的是，所述鋼可作為層施加到金屬基材上。
此外，本發(fā)明涉及本發(fā)明的鋼作為耐磨工件用于獲得和處理礦物制品以及將它們用于建筑物中的用途。
根據(jù)另一實(shí)施方案，所述鋼可用于發(fā)電機(jī)中的可加工硬化但不可磁化的帽狀環(huán)(cap ring)。
有利的是，本發(fā)明的鋼可用于可加工硬化并可用在強(qiáng)磁場附近的不可磁化的滾動軸承。
根據(jù)另一有利實(shí)施方案，本發(fā)明的鋼可用于適于吸收機(jī)械力的強(qiáng)電磁線圈的不可磁化框架或支架。
根據(jù)又一實(shí)施方案，本發(fā)明的鋼由于其高的塑性成形能力而適用于通過塑性變形而消耗產(chǎn)生的沖擊能量的構(gòu)件。相應(yīng)的構(gòu)件尤其適于在車輛的碰撞期間使用。
現(xiàn)在將通過參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中圖1a是具有18質(zhì)量％的Cr和18質(zhì)量％的Mn并與碳合金化的已知鋼的計(jì)算相圖；圖1b是具有18質(zhì)量％的Cr和18質(zhì)量％的Mn并與氮合金化的已知鋼的計(jì)算相圖；圖2a是具有18質(zhì)量％的Cr和18質(zhì)量％的Mn并且還含有碳和氮的本發(fā)明的鋼的計(jì)算相圖，所述碳/氮比是1，圖2b是具有18質(zhì)量％的Cr和18質(zhì)量％的Mn并且還含有碳和氮的本發(fā)明的鋼的計(jì)算相圖，所述碳/氮比是0.7。
圖3示出了在對所分析的奧氏體鋼進(jìn)行的沖擊磨損試驗(yàn)中測定的質(zhì)量去除的結(jié)果。
圖2通過具有18質(zhì)量％的鉻和18質(zhì)量％的錳的鋼的實(shí)施例示出了C/N質(zhì)量比對平衡狀態(tài)的影響。圖2a中的壓力線表明在C/N＝1時熔體可吸收約1質(zhì)量％的C+N，這導(dǎo)致在1150℃的固溶退火溫度下形成均勻的奧氏體。同樣，圖2b揭示在C/N＝0.7時，熔體可吸收約0.9質(zhì)量％的C+N，并且1100℃的固溶退火溫度足以使均勻奧氏體凝固。與圖1比較，可清楚的是通過同時與C+N合金化可在熔體和奧氏體中獲得所述元素的高溶解度。
當(dāng)鉻和錳的替代合金化含量為16-21質(zhì)量％時，獲得必要的氮溶解度并且使奧氏體穩(wěn)定。利用0.5-2質(zhì)量％的鉬，改良了耐腐蝕性(尤其是氯離子引起的點(diǎn)蝕)，CrMn奧氏體的所述抵抗性通常低于CrNi奧氏體。在這里使用了N+Mo的協(xié)同作用，其在0.5質(zhì)量％的Mo下產(chǎn)生了顯著的改善。大于2質(zhì)量％的鉬含量會使鍛造范圍再次變窄因此被排除。
下表2中顯示了本發(fā)明鋼的兩種變體I和II的化學(xué)組成。在空氣中在約1巴的大氣壓力下以敞開方式進(jìn)行其熔化并鑄造成坯塊。將所述坯塊熱軋成鋼條而沒有出現(xiàn)裂紋或其它瑕疵。此外通過鍛造進(jìn)一步熱成形為較小的樣品尺寸同樣沒有出現(xiàn)任何瑕疵。
表2中所示的其它鋼是常規(guī)可獲得的鋼，即鋼E為不耐腐蝕的錳硬鋼X120Mn12，而鋼11是CrNi不銹鋼X5CrNi18-10。
表2鋼 組成
表3中說明了表2所示的本發(fā)明兩種鋼根據(jù)DIN EN 100021在室溫下的拉伸試驗(yàn)中確定的機(jī)械性能，并將其與奧氏體標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼(F)＝X5CrNi18-10以及雖然為奧氏體但不耐腐蝕的耐磨錳硬鋼(E)＝X120Mn12的機(jī)械性能進(jìn)行比較。鋼B是弱耐腐蝕試驗(yàn)合金。根據(jù)本發(fā)明的變體I和II在屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于比較鋼。
表3
圖3示出了抗沖擊磨損性。附著于轉(zhuǎn)動體兩臂的樣品板被篩分尺寸為8至11mm的破碎硬砂巖顆粒以26m/s的相對速度豎直擊打。繪制質(zhì)量損失相對于顆粒接觸數(shù)目的曲線圖并表明本發(fā)明的變體與不耐腐蝕錳硬鋼相等，但是明顯超過標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼F。
變體I和II同樣在沖擊磨損試驗(yàn)中的塑性變形之后保持不可磁化，這表現(xiàn)為低的相對磁導(dǎo)率μrel＝1.0012，使用為此目的設(shè)置在沖擊磨損表面的市售磁導(dǎo)率傳感器測得。對于錳硬鋼E，μrel＝1.0025。標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼由于變形馬氏體的形成而μrel＝1.1并因此可弱磁化。
在根據(jù)DIN 50905部分1和2的持久浸沒試驗(yàn)中，本發(fā)明的變體I和II于室溫下在pH＝2的1質(zhì)量％H2SO3水溶液中120小時而沒有被侵蝕。該測試溶液模擬礦井中的酸性礦井水。相比之下，迄今使用的錳硬鋼E顯示出腐蝕引起的明顯質(zhì)量損失，如下表4中所示。盡管標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼F據(jù)證實(shí)是耐腐蝕的，但是由于其低的耐磨性而不適合于操作用途。根據(jù)表4的開始裂隙腐蝕的臨界電勢是通過根據(jù)DIN 50918在3質(zhì)量％NaCl的水溶液中測量電流密度-電勢曲線而確定的。這表明本發(fā)明的變體I和II的抵抗性在海水中優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鋼的抵抗性。
表4
由于C+N法的擴(kuò)展，能夠以低的成本生產(chǎn)本發(fā)明的鋼，即在沒有壓力或粉末冶金的情況下敞式熔煉，并獲得優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)、摩擦和物理性能的組合。特別地，這產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的鋼的下列用途實(shí)例。
(a)礦井中的破碎工具在略微升高的溫度下與腐蝕性礦井水接觸，并且除了耐腐蝕性之外還需要高的屈服強(qiáng)度和耐磨性。
(b)發(fā)電站發(fā)電機(jī)中作為繞組末端支架的帽狀環(huán)冷脹至高屈服強(qiáng)度并在操作期間必須是非磁性的而且不腐蝕。
(c)超導(dǎo)磁體附近的滾動軸承必須是高強(qiáng)度、不可磁化且通常也是不銹的。
(d)施加大作用力的強(qiáng)磁鐵必須由不可磁化的實(shí)心框架載持。如(a)中，型鑄通常提供了廉價(jià)的制造。
(e)作用力×位移定義了拉伸試驗(yàn)中的破壞功。斷裂之后的高屈服強(qiáng)度、加工硬化和伸長使得本發(fā)明的鋼具有非常高的成形能力，這通常用于消耗沖擊能，例如車輛碰撞中產(chǎn)生的沖擊能。
(f)為了避免鎳過敏，無鎳奧氏體不銹鋼可用于醫(yī)學(xué)工程。
權(quán)利要求
1.一種具有下列組成的耐腐蝕奧氏體鋼，以質(zhì)量百分比計(jì)16-21％鉻16-21％錳0.5-2.0％鉬總計(jì)0.80-1.1％的碳和氮，且碳/氮比為0.5-1.1，余量為鐵，且熔煉過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)總量≤2.5％。
2.如權(quán)利要求1所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于碳和氮的總含量為0.80-0.95質(zhì)量％。
3.如權(quán)利要求1所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于碳和氮的總含量為0.95-1.1質(zhì)量％。
4.如權(quán)利要求1至3中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于鉬含量是0.5-1.2質(zhì)量％。
5.如權(quán)利要求1至3中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于鉬含量是1.2-2.0質(zhì)量％。
6.如權(quán)利要求1至5中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于作為熔煉所引起的雜質(zhì)的鎳的含量低于0.2質(zhì)量％。
7.如權(quán)利要求1至6中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，其可在約1巴的常規(guī)大氣壓下熔煉。
8.如權(quán)利要求2所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于固溶退火之后0.2屈服強(qiáng)度超過450MPa。
9.如權(quán)利要求3所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于固溶退火之后0.2屈服強(qiáng)度超過550MPa。
10.如權(quán)利要求1至9中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，其用于生產(chǎn)高強(qiáng)度、不銹、耐磨和/或不可磁化的工件。
11.如權(quán)利要求1至10中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于下面的組成X50CrMn 19-19。
12.如權(quán)利要求1至10中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼，特征在于下面的組成X35CrMn 18-19。
13.一種用于生產(chǎn)具有下列組成的耐腐蝕奧氏體鋼的方法，以質(zhì)量百分比計(jì)16-21％鉻16-21％錳0.5-2.0％鉬總計(jì)0.80-1.1％的碳和氮，且碳/氮比為0.5-1.1，余量為鐵，熔煉過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)總量≤2.5％，該方法通過在約1巴的大氣壓力下熔煉并隨后成型。
14.如權(quán)利要求13所述的用于生產(chǎn)耐腐蝕奧氏體鋼的方法，特征在于成型選自鑄造、粉末冶金、成形和焊接。
15.如權(quán)利要求13所述的用于生產(chǎn)耐腐蝕奧氏體鋼的方法，特征在于所述鋼作為層施用在金屬基材上。
16.如權(quán)利要求1至12中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼或如權(quán)利要求13至15所述的方法生產(chǎn)的鋼作為耐磨工件的用途，該耐磨工件用于獲得和處理礦物制品以及將它們用于建筑物中。
17.如權(quán)利要求1至12中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼或如權(quán)利要求13至15所述的方法生產(chǎn)的鋼在不可磁化帽狀環(huán)中的用途，該帽狀環(huán)可加工硬化并可用于發(fā)電機(jī)中。
18.如權(quán)利要求1至12中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼或如權(quán)利要求13至15所述的方法生產(chǎn)的鋼在不可磁化的滾動軸承中的用途，該滾動軸承可加工硬化并可用于強(qiáng)磁場附近。
19.如權(quán)利要求1至12中至少之一所述的耐腐蝕奧氏體鋼或如權(quán)利要求13至15所述的方法生產(chǎn)的鋼在強(qiáng)電磁線圈的不可磁化框架或支架中的用途，該電磁線圈用于吸收機(jī)械力。
20.如權(quán)利要求1至12中至少之一的耐腐蝕奧氏體鋼或如權(quán)利要求13至14所述的方法生產(chǎn)的鋼在具有大的成形能力的構(gòu)件中的用途，該構(gòu)件通過塑性變形用于消耗能量。
全文摘要
利用碳和氮進(jìn)行CrMnMo鋼的組合合金化可以生產(chǎn)高抵抗性奧氏體不銹鋼。根據(jù)本發(fā)明，所述合金包含(以質(zhì)量％計(jì))16－21Cr、16－21Mn、0.5－2.0Mo、0.8－1.1C+N且C/N比為0.5－1.1。所述鋼進(jìn)行熔煉并適合于需要下列一個或多個特征的用途機(jī)械抵抗性、延展性、耐腐蝕性、耐磨損性、非磁性。
文檔編號C22C38/22GK101035922SQ200580033670
公開日2007年9月12日 申請日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者H·伯恩斯, V·G·加夫里尤克 申請人:能源管理埃森有限公司, 謝夫勒兩合公司, Ksb股份公司, 波鴻聯(lián)合交通工程有限公司, 魁珀恩發(fā)展有限及兩合公司