具有更好的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有改善的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢，该双相钢拥有或由以下化学成分构成(以下皆为质量比)：C<0.070％，Si<1.5％，Mn<1.0％,Cr21.0％至23.0％,Ni1.0％至3.0％,Cu1.0至3,0％N0.10％至0.30％Mo<0.5％其余为铁以及杂质。按本发明的双相钢的特征在于，无需必要的热处理就具有良好的焊接性、良好的切削加工性、高强度、以及低温时(例如-40℃)的缺口冲击性，并且尤其适用于压力容器。
【专利说明】具有更好的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型双相钢，尤其节约型双相钢，其具有更好的缺口冲击韧性以 及切削加工性。
【背景技术】
[0002] 至今，在不锈钢市场上，奥氏体不锈钢具有尤其大的意义。这种奥氏体不锈钢正越 来越受到双相钢排挤。目前已知存在四大类双相钢：标准双相钢、超级（super)双相钢、超 级（hyper)双相钢以及节约型双相钢。它们之间的区别在于不同的化学组成、不同的机械 学特性及抗腐蚀特性。双相钢基于双相结构，其由份额近似相同的铁素体（α-铁）相和奥 氏体（Υ-铁）相组成。双相钢融合了各种特征，其中铁素体相实质上提供高强度和高应力 腐蚀裂纹抗性（SCC:Stress Corrosion Cracking),奥氏体相提供延展性以及通常的抗腐 蚀性。属于不锈钢和抗酸性钢之列的双相钢已有70年历史。
[0003] 近几年来，合金元素（尤其镍和钥）价格明显上升。尤其镍的高价成为了推动研 究带有不锈钢特性的替代合金的原动力。该替代合金减少镍和钥的比重，拥有与不锈钢相 同的强度特性以及实际上与不锈钢相同的抗腐蚀特性。
[0004] 该研究的成果之一便是节约型双相钢。几年以前，这种低镍钥比重的双相不锈钢 的生产曾是复杂而昂贵的。基于新生产工艺，节约型双相钢的工业生产已成为可能。节约 型双相钢的抗应力撕裂腐蚀性和抗点蚀性高于类似的奥氏体不锈钢。在相同热负担和导热 性下，它膨胀没那么强。此外，相对于奥氏体钢，这种实际上含有相同比重的铁素体和奥氏 体的材料拥有即便在焊接后状态下也双倍于奥氏体钢的基本强度。这些特性可在建筑技术 中用于建设性地减少加固元素。例如人们需要更少的加固点，这样既简化组装，又可以减少 建造建筑表面时使用冷桥的数量。生产节约型双相钢时，碳含量减少会带来更好的韧性以 及更好的延展性。
[0005] 在铁素体-奥氏体双相钢领域中已描述了很多种锻造合金和铸造合金。下文对一 些来自目前技术水平的建议进行详细说明：
[0006] 美国专利4 798 635描述一种带有高抗腐蚀性和良好的可焊接性的铁素体-奥氏 体钢合金，其中该钢合金实质上由以下元素组成（以下百分比皆为质量比）：
[0007] C:不超过 0.06%
[0008] Si:不超过 1.5%
[0009] Μη:不超过 2.0%
[0010] Cr :21· 0%至 24. 5%
[0011] Ni :2.0%至 5. 5%
[0012] Cu :0· 01%至 1. 0%
[0013] N :0.05%至 0.3%
[0014] 其余为铁以及通常杂质构成的组成成分。元素的含量如此相互对应，以致其α 铁含量在35 %至65 %之间。该合金尤其适合暴露于温度60°C以上，同时氯化物最高达 lOOOppm的环境中，其中其奥氏体相对10%至30%范围内的冷变形有抗性。
[0015] 该合金被研发于锻造领域以减少合金成本。通过节约合金元素镍和钥，生产出了 拥有相似强度而抗腐蚀性减少的双相钢。该合金也适用于铸造合金。
[0016] 此外，W0 02/27056 AI(EP 1 327 008 A1)描述一种铁素体-奥氏体不锈钢，此不 锈钢的微结构实质上由35%至65% (体积比）的铁素体及35%至65% (体积比）的奥氏 体组成，其化学成分如下（以下皆为质量比）：
[0017] (：:0.005%至0.07%
[0018] Si :0.1%至 2.0%
[0019] Mn :3%至 8%
[0020] Cr: 19 % 至 23%
[0021] Ni :0.5%至 1.7%
[0022] 可能含有Mo和/或W，总量最高为1. 0% (Mo+W/2)，
[0023] 可能含有 Cu，最 1? 1. 0
[0024] N :0· 15%至 0· 30%
[0025] 其余为铁及杂质。
[0026] 此外，对铁素体及奥氏体生成素有如下条件，也就是说Cr和Ni量如下：
[0027] 20<Creq<24. 5
[0028] 10〈Nieq，其中
[0029] Creq = Cr+1. 5Si+Mo+2Ti+0. 5Nb 及
[0030] Nieq = Ni+0. 5Mn+30(C+N)+0. 5(Cu+Co).
[0031] 为继续减少合金成本，该钢的铬含量被进一步减少，昂贵的镍部分地被锰取代。
[0032] 与W0 02/27056 A1-致的不锈钢化学组成成分尤其在W0 2009/138570 A1(EP 2279 276 A1)中被作为铸造合金描述。所描述的高的锰含量以及与铸造合金相比更大的颗 粒大小使得该合金的转变温度受到推移，并使该材料在低使用温度下脆化。
[0033] 目前技术水平下，根据EP 1 867 748 A1已知一种合金组成成分如下（以下皆为 质量比）：
[0034] C<0. 05%
[0035] 21% <Cr<25% ,
[0036] 1% <Ni<2. 95% ,
[0037] 0. 16% <N<0. 28% ,
[0038] Mn<2. 0% ,
[0039] Mo+ff/2<0. 5% ,
[0040] Mo<0. 45%
[0041] ff<0. 15% ,
[0042] Si<l. 4% ,
[0043] ΑΚ0. 05% ,
[0044] 0. 11% <Cu<0. 50% ,
[0045] S<0. 010% ,
[0046] P<0. 040% ,
[0047] B<0. 0005% ,
[0048] Co<0. 5% ,
[0049] REM<0. 1 % ,
[0050] V<0. 5% ,
[0051] Ti<0. 1% ,
[0052] Nb<0. 3% ,
[0053] Mg<0. 1% ,
[0054] 其它为铁及杂质。
[0055] 这里涉及的是一种铸造合金，其含有最多2%的锰，但不含铜。
[0056] 此外，在2010年10月13日至15日的法国博纳的第八届不锈钢大会上，Ugitech 公司展示了一种材料编号1. 4669的新合金。但该合金含有质量比1-3%的锰，所以与依照 本发明的合金并不相同。
【发明内容】
[0057] 本发明有以下目的，提供一种铁素体-奥氏体不锈钢，该不锈钢避免目前技术水 平中的缺点。该不锈钢的昂贵合金元素含量比常规的市售双相钢更少，但仍提供好的特性， 尤其是高强度、高抗腐蚀性、高可铸造性及高可加工性。尤其镍和钥在该合金中的含量应被 减少，但同时仍应获得所期望的双相钢特性。
[0058] 依照本发明，上述目的将通过一种具有更好的缺口冲击韧性以及切削加工性的双 相钢得以实现。其中，该双相钢拥有或由化学成分构成（以下均为质量比）：
[0059] C<0. 070% ,
[0060] Si<l. 5% ,
[0061] Μη<1. 0% ,
[0062] Cr :21. 0%至 23. 0%，
[0063] Ni :1. 0%至 3· 0%，
[0064] Cu :1. 0%至 3· 0%，
[0065] Ν :0· 10%至 0· 30%
[0066] Μο<0. 5%
[0067] 其余为铁及杂质。
[0068] 由此将提供一种具有更好的缺口冲击韧性以及切削加工性的铁素体-奥氏体不 锈钢，尤其一种节约型双相钢，优选节约型双相钢铸造合金。依照本发明，通过对合金组成 成分的选择提供一种合金，其除了具有高强度以外，即使在低温也具有好的缺口冲击韧性 (例如-40°C )。
[0069] 依照本发明的钢合金也显示出好的可焊性。在焊接之后热处理的必要性和种类取 决于材料的化学组成成分、焊接添加剂、元件的形状、壁厚度、焊接条件、强度特性、无损检 测的范围以及必要遵守的额外条件。
[0070] 此外，依照本发明所提供的钢具有好的抗腐蚀性。耐点蚀当量（简写PRE :Pitting resistance equivalent)，也被称为功效和，用来评估含镍合金对点蚀和缝隙腐蚀的抗性。 点蚀通常描述位于金属上的小的以及点状的腐蚀位置。该腐蚀可能在金属表面之下大幅扩 散。缝隙腐蚀是一种局部加速的腐蚀，可导致缝隙范围内（例如关节间隙）出现腐蚀沉积。 钢对此种腐蚀形式的保护能力与不同的合金元素含量相关。耐点蚀当量按照以下公式计 算：
[0071] PRE=[质量百分比]Cr+3.3 [质量百分比]Mo+16 [质量百分比]N，
[0072] 其中铬、钥和氮在公式中为质量百分比。耐点蚀当量越高，材料对点腐蚀和缝隙腐 蚀的耐腐蚀性就越高。
[0073] 依照本发明的钢的化学组成成分，尤其节约型双相钢铸造合金的化学组成成分， 通过以下公式定义得出耐点蚀当量超过26。
[0074] PRE=[质量百分比]Cr+3.3 [质量百分比]Mo+16 [质量百分比]N>26
[0075] 此外，依照本发明的双相钢具有尤其好的机械学特性。
[0076] 室温下对依照本发明的材料最低要求如下：
[0077] 屈服强度：RpO. 2>400MPa
[0078] 切削加工性：Rm>6〇OMPa
[0079] 拉伸：A>30%
[0080] 缺口冲击韧性：Av>80J
[0081] Av(-40°C )>27J〇
[0082] 依照本发明的钢可以优先使用于双相钢特性具有优势的地方。
[0083] 比如一些要求高强度、好的可焊性、好的切削加工性以及好的缺口冲击韧性的领 域，尤其是当低温也要考虑时。简单举例：离心机或制造分离机的转鼓壳、压力容器（以焊 接结构形式也如此），化工和造纸工业的轧辊。
[0084] 下文将着眼于其特性、意义以及在钢中的相互作用，逐一说明依照本发明的节约 型双相钢中的合金元素。
[0085] 在合金元素中要根本区分它们是碳化物生成素、奥氏体生成素还是铁素体生成 素，也就是说区分将它们加入钢的目的。每种合金元素根据不同含量给予钢不同的特性。一 些合金元素可能提高效果。但它们也可能拥有互相效果，它们相互作用产生复杂的、并不一 目了然的总体效果。一些特定合金元素的存在只是为所期望的特性创造条件，这些特性在 加工和热处理之后才会确实出现。
[0086] 碳（熔点 3974°C )
[0087] 在依照本发明的钢合金中，碳是可选成分。这个元素可以稳定奥氏体相。碳作为 铁中的合金元素降低熔点，作为间隙固溶的合金元素提高强度。随着碳成分增加，M23C6-碳 化物形成的危险也会升高，这将降低延展性、韧性以及抗腐蚀性。所以，依照本发明使用的 碳质量比将少于〇. 070%，优选质量比少于0. 050%，最优选质量比少于0. 030%，以改善抗 腐蚀性。
[0088] 硅（熔点 1410°C)
[0089] 硅，在依照本发明的钢合金中也只是可选成分，是一种铁素体稳定剂，也是去氧化 剂。
[0090] 它有个缺点，硅含量较高会加速生成脆的金属互化物相（σ相和类似相），减少 韧性。硅提高强度和磨损强度，增大融化后的钢的流动性并由此减少铸造生产中的表面缺 陷。硅含量高则增加抗结垢性，抗酸性和抗腐蚀性。所以，依照本发明使用硅含量（质量 比）〈1.5%，优选〈1.0%，最优选少于0, 50%，以改善韧性。
[0091] 锰（熔点 1221 °C)
[0092] 锰是一种奥氏体稳定剂。例如它用于提高氮的溶解度。
[0093] 锰吸附硫生成硫化锰，以此减少硫化铁的不良影响，它在双相不锈钢融化时还有 去氧化作用，加强钢的热处理性。所以锰对锻造性和焊接性有正面影响。屈服强度、强度以 及焊接抗性会通过加入锰提高。锰提高切削加工性并由此提高其承受力。但是大量的锰影 响抗腐蚀性，也使得不受欢迎的、脆的金属互化物相更易于形成。由此，依照本发明锰含量 (质量比）控制在〈1. 〇%，优选小于〇. 50%，以改善韧性。锰作为可选成分，依照本发明也 可以完全不使用。
[0094] 铬（熔点 1920°C)
[0095] 依照本发明的钢中，尤其考虑到维系抗腐蚀性以及调节铁素体与奥氏体比例，铬 是一种实质性的元素。铬会稳定铁素体。铬含量过大会强化生成金属互化物，例如〇相， 材料会由此脆化。所以依照本发明的双相钢使用铬的含量为质量比21. 0%至23. 0%。
[0096] 镍（熔点 1455°C)
[0097] 镍是面心立方体元素，所以在其固溶温度范围内是稳定奥氏体的。因为奥氏体的 堆垛层错能上升，镍有增加钢韧性的效果。堆垛层错能越高，奥氏体向马氏体的机械学和/ 或热转换将变困难，韧性将由此提高。固定的铬以及钥含量下，过高的镍含量将导致奥氏体 含量上升并由此减少强度。镍的原材料价格与其他合金元素相比较高而且波动大，所以依 照本发明将尽可能地使用其他合金元素取代镍。所以依照本发明，使用的镍含量为质量比 1. 0%至 3. 0%，优选 2. 0%至 3. 0%。
[0098] 铜（熔点 1083°C)
[0099] 铜也是奥氏体相的稳定剂，并对抗腐蚀性（尤其酸性媒介下）有正面影响。因为 铜在铁素体中的溶解度在低温下急剧下降，铁素体中会离析出高含铜相。由此屈服强度与 强度比将增加。此外，铜会减少抗点蚀性以及抗锈腐蚀性。所以依照本发明，使用铜含量为 质量比1. 0%至3. 0%，优选1. 5%至2. 5%。另外，和镍一样，铜对低温韧性具有正面影响。
[0100] 氮
[0101] 氮是奥氏体生成素，也就是说它稳定奥氏体结构成分。氮通常在双相钢中填隙溶 解，其中95%的氮浓缩于奥氏体。这导致奥氏体晶格很强的坚固性并由此提高奥氏体相的 硬度以及提高双相钢总体强度。这种强的晶格坚固性导致韧性随着温度的降低而减少。随 着被溶解氮含量的增加，抗点蚀性以及抗缝隙腐蚀性上升。
[0102] 但没被溶解的氮通过在铁素体相中产生氮化物而降低韧性。所以，依照本发明的 氮含量质量比为为0. 10%至0. 30%，优选0. 15%至0. 25%。
[0103] 钥（熔点 2622°C)
[0104] 钥依照本发明为双相钢合金的可选成分。钥用于稳定铁素体相。与铁相比，钥是 非常大的原子。所以，钥作为被溶解的取代原子提高屈服强度以及切削加工性。通过加入 钥，尤其在氯化物媒介中的抗腐蚀性得到提高。钥含量过高将导致钢在其生产中出现脆化。 由于钥原料价格非常高而且钥易挥发，所以使用钥含量低，质量比小于0. 5%。
[0105] 除了以上元素，依照本发明的钢除了铁和无法避免的杂质外，实质上不再优选加 入其他成分。无法避免的杂质是例如硫、磷等。由此，依照本发明的双相不锈钢是相对奥氏 体钢的另一种经济的选择（尤其节约型双相钢合金），优选节约型双相钢铸造合金，它具有 特别好的特性，例如改善的缺口冲击韧性（尤其在低温下，例如-40°C )、好的切削加工性、 高强度以及无需后期热处理的良好可焊接性。依照本发明的双相不锈钢，尤其以铸造合金 形式，尤其在一些不同的、本发明特别符合其要求的应用中具有优势。
[0106] 本发明的目的也在于将依照本发明的双相钢在高压或温度低于0°C的环境下使 用。
[0107] 尤其优选的应用例于离心机及分离机，尤其转鼓壳；各类压力容器；
[0108] 化工以及造纸工业的轧辊。
[0109] 以下通过举例说明本发明，这些例子将说明但不限制依照本发明的理论。
[0110] 举例：
[0111] 以下表1所示熔体，其生产根据本发明双相钢的化学成分：
[0112] 表 1
[0113]
【权利要求】
1. 一种具有改善的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢，该双相钢拥有或由以下化学 成分构成（以下皆为质量比）： C<0. 070%, Si<l. 5%, Μη<1. 0% , Cr21. 0%至 23. 0% , Nil. 0%至 3· 0% , Cul. 0 至 3, 0% NO. 10%至 0· 30% Mo<0. 5% 其余为铁以及杂质。
2. 根据权利要求1中所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比最多达0.050%的碳。
3. 根据权利要求1中所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比最多达0.030%的碳。
4. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比〈1. 0%的 硅。
5. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比〈0.50% 的硅。
6. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比〈1. 0%的 猛。
7. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比〈0. 50% 的锰。
8. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比21. 5%至 22. 5 %的铬。
9. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比2. 0%至 3. 0 %的镍。
10. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比1.5%至 2. 5 %的铜。
11. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比〇. 15% 至0. 25%的氮。
12. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其铁素体相的体积比在 35 %至65 %之间，且其奥氏体相的体积比在35 %至65 %之间。
13. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其通过以下公式所定义 的耐点蚀当量（PRE)大于26。 PRE =[质量百分比]Cr+3. 3 [质量百分比]Mo+16 [质量百分比]N
14. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其缺口冲击能量Αν (室 温）>80J。
15. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其缺口冲击能量 Av(-40°C )>27J〇
16. 根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢在高压和/或温度低于0°C条件下之 使用。
17.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢用于： 离心机及分离机，尤其是转鼓壳； 各种压力容器； 化工以及造纸工业中的轧辊制造。
【文档编号】C22C38/40GK104254627SQ201380006194
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年1月30日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】F·维西瑙斯基 申请人:克劳斯·库恩不锈钢铸造有限公司