技术领域
本公开涉及一种双相不锈钢，其具有铁素体和回火马氏体的微结构。具体地讲，本公开涉及具有成本效益的不锈钢，其具有用于耐磨蚀和/或耐磨损应用的改善硬度。
技术背景描述
双相不锈钢可表现出所需特性的组合，这些特性使其可用于多种多样的工业应用，诸如用于油砂提取和制糖工业中。这些钢一般特征为分散在铁素体基质中的回火马氏体的微结构。
双相不锈钢的实例为ATI 412TM不锈钢(UNS 41003)，其通常按重量计含有11.75％铬(Cr)、0.90％锰(Mn)、0.70％硅(Si)、0.40％镍(Ni)、0.030％硫(S)、0.020％碳(C)、0％至0.040％磷(P)、0％至0.030％氮(N)，且其余为铁(Fe)和其它附带杂质。ATI 412TM不锈钢当在约766℃下退火时通常具有约177的布氏硬度(Brinell hardness，HB)，且当在约843℃下退火时具有约258的布氏硬度。
另一种双相不锈钢为钢，其按重量计含有11.0％至12.5％Cr、0.20％至0.35％钼(Mo)、0％至1.50％Mn、0％至1.00％Ni、0％至0.70％Si、0％至0.040％P、0％至0.030％N、0％至0.025％C、0％至0.015％S，且其余为Fe。值得注意的是，不锈钢含有Mo作为合金元素，即，有意添加的合金元素，而不是作为附带杂质。然而，由于Mo的成本升高，因此不锈钢对于某些应用而言可能成本过高。尽管不锈钢通常具有约223HB的硬度，但其可经加工以表现出300HB的标称硬度，该等级可作为300不锈钢商购获得。和300不锈钢在很大程度上具有相同的组成，但300不锈钢的硬度从260HB至360HB变化。然而，300不锈钢的硬度增加伴随韧度的降低。例如，在-40℃下300不锈钢的夏比V型缺口冲击能量(Charpy V-notch impact energy)平均仅为约15ft-lb。
在需要具有耐磨蚀性和/或耐磨损性的不锈钢的应用中，例如高达约350HB的高硬度水平可能需要与比可得自300不锈钢的韧度更高的韧度加以组合。此外，在某些应用中可能需要例如高达约450-500HB的服务中加工淬透性(in-service work hardenability)。此外，希望任何这样的合金具有成本效益。
技术实现要素：
根据本公开的一个非限制性方面，描述了高硬度双相铁素体-马氏体不锈钢的实施方案。该不锈钢按重量计包含约11.5％至约12％Cr、约0.8％至约1.5％Mn、约0.75％至约1.5％Ni、0％至约0.5％Si、0％至约0.2％Mo、0％至约0.0025％B、Fe和杂质。在某些非限制性实施方案中，本公开的不锈钢表现出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口冲击能量(CVN)使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)为约160或以上。
根据本公开的另一非限制性方面，描述了包括高硬度双相铁素体-马氏体不锈钢的制品的实施方案。该不锈钢按重量计包含约11.5％至约12％Cr、约0.8％至约1.5％Mn、约0.75％至约1.5％Ni、0％至约0.5％Si、0％至约0.2％Mo、0％至约0.0025％B、Fe和杂质。根据该制品的某些非限制性实施方案，该不锈钢表现出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口冲击能量(CVN)使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)为约160或以上。
附图简述
本文所述的不锈钢和制品的特征及优点可通过参考附图而更好地理解，在附图中：
图1为绘制根据本公开的不锈钢的非限制性实施方案的布氏硬度和夏比V型缺口冲击能量与某些常规钢相比的图。
读者在考虑到根据本公开的不锈钢和制品的某些非限制性实施方案的以下详细描述后将理解上述细节及其它细节。读者也可在制造或使用本文所述的不锈钢和制品后了解这样的其它细节中的某些细节。
具体实施方式
在非限制性实施方案的本发明描述中以及在权利要求中，除非在操作实施例中或另有指示，否则表示成分、合金和制品的量或特征、加工条件等的所有数字均应被理解为在所有情况下都由术语“约”来修饰。因此，除非有相反指示，否则以下描述和所附权利要求中所阐述的任何数值参数均为可取决于力求在根据本公开的不锈钢和制品中获得的所需特性而变化的近似值。最低限度地，且不试图限制等同原则应用于权利要求范围，各数值参数应至少根据所报告的有效数字的数值且通过应用普通舍入法来解释。
据称以引用方式并入本文中的任何专利、公开案或其它公开材料全部或部分地仅在所并入的材料不与本公开中阐述的现有定义、声明或其它公开材料相矛盾的程度上并入本文。因而且在必要的程度上，如本文所阐述的公开内容替代以引用方式并入本文中的任何相矛盾的材料。据称以引用方式并入本文中但与本文所阐述的现有定义、声明或其它公开材料相矛盾的任何材料或其部分仅在不会在所并入的材料与现有公开材料之间产生矛盾的程度上并入。
本公开部分地涉及具有成本效益的双相铁素体-马氏体不锈钢，其具有有利的硬度且适用于需要耐磨蚀性和/或耐磨损性的多种应用。具体地讲，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢的某些实施方案按重量计包含约11.5％至约12％Cr、约0.8％至约1.5％Mn、约0.75％至约1.5％Ni、0％至约0.5％Si、0％至约0.2％Mo、0％至约0.0025％B、Fe和杂质。在某些实施方案中，该不锈钢表现出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口冲击能量(CVN)使得满足以下条件：CVN(ft-lb)+(0.4×HB)为约160或以上。
可在本公开的合金中提供Cr以赋予耐腐蚀性。可能需要约11.5％(按重量计)或以上的Cr含量以提供足够的耐腐蚀性。另一方面，过量的Cr可能会不利地(1)稳定铁素体相和/或(2)脆化相，诸如σ相。因此，根据本公开的不锈钢的某些实施方案按重量计包含约11.5％至约12％的Cr含量。
可在本公开的合金中提供Mn以改善加工淬透性。可能需要约0.8％(按重量计)或以上的Mn含量以实现所需的工作硬化效果。另一方面，过量的Mn可能会不利地在加工不锈钢期间离析。因此，根据本公开的不锈钢的某些实施方案按重量计包含约0.8％至约1.5％的Mn含量。在某些其它实施方案中，不锈钢的Mn含量按重量计可为约1.0％至约1.5％。在根据本公开的不锈钢的某些实施方案中，添加Mn与添加其它合金元素相结合可有利地影响加工淬透性以使得钢达到约450HB或以上的硬度。
可在本公开的合金中提供Ni以帮助稳定双相(马氏体-铁素体)合金的马氏体相。可能需要按重量计约0.75％或以上的Ni含量以提供包括水平高于300不锈钢的马氏体的材料。无意受理论的约束，合金的镍含量可通过在热处理期间稳定奥氏体形成，从而允许有更多的时间进行碳扩散来促进合金的马氏体相的硬度。另一方面，归因于Ni的高成本，可能需要限制Ni含量。因此，根据本公开的钢的一些实施方案包括约0.75％至约1.5％(按重量计)的Ni含量以提供具有成本效益的双相不锈钢，其具有高达约350HB的高硬度水平，同时还具有高于300不锈钢的典型韧度的韧度。在另外的实施方案中，根据本公开的不锈钢的Ni含量按重量计可为约1.0％至约1.5％。
在根据本公开的不锈钢的某些实施方案中，Si的水平可受到限制以(1)使双相不锈钢的铁素体相不稳定和/或(2)避免脆化相，诸如σ相。因此，根据本公开的钢的某些实施方案按重量计包含0％至不超过约0.5％的Si。
在根据本公开的不锈钢的某些实施方案中，Mo的水平可受到限制以(1)使双相不锈钢的铁素体相不稳定和/或(2)避免脆化相，诸如σ相。因此，根据本公开的钢的某些实施方案按重量计包含0％至不超过约0.2％的Mo。在根据本公开的钢的某些其它实施方案中，Mo浓度按重量计为0％至不超过约0.1％。
可在本公开的双相不锈钢中提供B以改善马氏体硬度。根据本公开的钢的某些实施方案按重量计包含0％至约0.0025％B。在钢的某些实施方案中，B含量按重量计可为约0.002％至约0.0025％。
所公开的合金中的附带元素和杂质可包括例如C、N、P和S中的一或多者。在根据本公开的不锈钢的某一实施方案中，这些元素的总含量按重量计不超过0.1％。在某些实施方案中，C可按重量计以不超过0.025％的量存在于本文所公开的钢中。在某些实施方案中，S可按重量计以不超过0.01％的量存在于本文所公开的钢中。在某些实施方案中，N可按重量计以不超过0.03％的量存在于本文所公开的钢中。附带水平的各种金属元素也可存在于根据本公开的合金的实施方案中。例如，根据本公开的合金的某些非限制性实施方案按重量计可包括至多0.25％铜(Cu)。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢按重量计包含：约11.5％至约12％Cr；约1.0％至约1.5％Mn；约1.0％至约1.5％Ni；0％至约0.5％Si；0％至约0.1％Mo；0％至约0.0025％B；0％至约0.025％C；0％至约0.01％S；0％至约0.03％N、Fe和杂质。在某些实施方案中，该不锈钢还包含P。在某些实施方案中，C、N、P和S的总浓度按重量计不大于约0.1％。在某些实施方案中，钢中B的浓度按重量计为约0.002％至约0.0025％。在某些实施方案中，钢按重量计包含不超过0.25％Cu。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢按重量计基本上由以下组成：约11.5％至约12％铬；约0.8％至约1.5％锰；约0.75％至约1.5％镍；0％至约0.5％硅；0％至约0.2％钼；0％至约0.0025％硼；0％至约0.025％碳；0％至约0.01％硫；0％至约0.03％氮；任选地铜和磷中的至少一者；铁；和杂质。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢按重量计基本上由以下组成：约11.5％至约12％铬；约1.0％至约1.5％锰；约1.0％至约1.5％镍；0％至约0.5％硅；0％至约0.1％钼；0％至约0.0025％硼；0％至约0.025％碳；0％至约0.01％硫；0％至约0.03％氮；任选地铜和磷中的至少一者；铁；和杂质。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢按重量计由以下组成：约11.5％至约12％铬；约0.8％至约1.5％锰；约0.75％至约1.5％镍；0％至约0.5％硅；0％至约0.2％钼；0％至约0.0025％硼；0％至约0.025％碳；0％至约0.01％硫；0％至约0.03％氮；任选地铜和磷中的至少一者；铁；和杂质。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢按重量计由以下组成：约11.5％至约12％铬；约1.0％至约1.5％锰；约1.0％至约1.5％镍；0％至约0.5％硅；0％至约0.1％钼；0％至约0.0025％硼；0％至约0.025％碳；0％至约0.01％硫；0％至约0.03％氮；任选地铜和磷中的至少一者；铁；和杂质。
对于给定的钢，硬度一般与韧度呈逆相关。在本公开中，布氏硬度(HB)为硬度的主要量度，而在-40℃下的夏比V型缺口冲击能量(CVN)为韧度的主要量度。参考图1，对于根据本公开的钢的某些实施方案，钢的CVN(ft-lb)+(0.4×HB)为约160或以上。在根据本公开的钢的某些实施方案中，硬度为约300HB或以上，且CVN为约50ft-lb或以上。在某些实施方案中，根据本公开的钢具有高达约450HB或以上硬度的服务中加工淬透性。
实施例
表1包括根据本公开的双相铁素体-马氏体不锈钢的实施方案和常规ATI 412TM不锈钢及常规300不锈钢的组成和某些特性。将表1中所列的三种合金的热块熔融成重约15,000lb的板坯然后在约1950°F的温度下轧制以产生约6mm厚的材料。在轧制过程后，在766℃或843℃下使钢退火15分钟，然后空气冷却。
测量表1中所列的实验钢实施方案的机械特性，且与两种所列的常规钢的机械特性相比较。表1中示出三种合金的布氏硬度和在-40℃下的CVN(ft-lb)。根据美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)标准A370，在室温下使用碳化钨球压头对测得标距长度为约5cm且厚度为约0.5cm的样品进行拉伸测试。根据ASTM标准A370和E23，在约-40℃下对测得为约10mm×2.5mm的横向样品进行夏比测试(Charpy test)。由于这些样品按照ASTM-A370被视为小尺寸的，因此将所测得的冲击能转换成表1中的标准尺寸试件值。
如表1中的实验结果所示，本公开的实验钢样品相对于常规合金表现出极有利的硬度和韧度(CVN冲击能)。这是特别意想不到且令人惊讶的。提供相当的硬度和韧度的商业合金通常为碳钢，其不能经受腐蚀环境。
在某些可能的非限制性实施方案中，根据本公开的双相不锈钢系使用常规不锈钢生产实践来制备，包括例如在电炉中熔融起始材料、经由AOD脱碳以及铸造成铸锭。铸锭可例如通过连续铸造或铸锭浇注来铸造。在某些实施方案中，铸造材料可经热处理(奥氏体化)或以轧制状态出售。
表1
根据本公开的合金的潜在用途众多。如上文描述和证明的，本文所述的双相不锈钢能够用于耐磨蚀性和/或耐磨损性较重要的许多应用中。根据本公开的钢将尤其有利的制品包括例如用于油砂提取中的部件和设备以及用于糖加工中的部件和设备。根据本公开的不锈钢的其它应用将为普通技术人员显而易知的。普通技术人员可使用常规制造技术由根据本公开的不锈钢容易地制造这些及其它制品。
尽管以上描述已必要地仅展现出有限数量的实施方案，但相关领域的普通技术人员将了解，本领域的技术人员可对已在本文中描述及说明的合金和制品及实施例的其它细节作出多种改变，且所有这样的修改将仍在如本文及所附权利要求中表述的本公开的原理和范围内。例如，尽管本公开已必要地仅展现出根据本公开的不锈钢的有限数量的实施方案，而且已必要地仅论述了有限数量的包括不锈钢的制品，但是应了解，本公开和相关权利要求不受此限制。普通技术人员将容易地鉴别另外的钢组成，且可沿着所述路线并在必要地有限数量的本文所论述的实施方案的精神内产生其它制品。因此，应理解，本发明不限于本文所公开或并入的特定实施方案，而旨在涵盖处于如权利要求所界定的本发明的原理和范围内的修改。本领域的技术人员还将了解的是，可在不脱离上述实施方案的宽泛发明概念的情况下对上述实施方案作出改变。