專利名稱：低鎳的奧氏體鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低鎳的奧氏體鋼，尤其涉及一種低鎳、低鉬、低錳和低銅的奧氏體鋼及其應(yīng)用。本發(fā)明還涉及由這類鋼制造的制品。
術(shù)語“鋼”這里像通常那樣表示含鐵的合金，包括含碳的鐵。奧氏體在嚴格意義上是一種具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的鐵的高溫變體(“γ-鐵”)，它在740℃-1538℃之間是熱動力學(xué)穩(wěn)定的，并且含0-最大2.1重量％(在1153℃下)的呈固溶體的碳。但是，通常將具有立方-面心晶格的所有的鋼皆稱為奧氏體鋼或奧氏體。鋼的很多應(yīng)用領(lǐng)域要求立方-面心奧氏體結(jié)構(gòu)，或者說它比其它變體(例如鐵素體或馬氏體鋼)更有效；例如奧氏體不是鐵磁性的，這使奧氏體鋼可在電氣或電子部件中的應(yīng)用或可在其它的不希望出現(xiàn)磁吸引力或磁排斥力的情況，例如鐘表中應(yīng)用。但是，由于奧氏體是一種高溫變體，在較低溫度下是熱動力學(xué)不穩(wěn)定的，因此奧氏體鋼必須經(jīng)穩(wěn)定化，防止它轉(zhuǎn)化為其它的變體，這樣就能在一般溫度下也保持其預(yù)期的奧氏體性質(zhì)。例如可通過添加已知的作為奧氏體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑的合金元素來實現(xiàn)。為此目的最經(jīng)常采用的合金元素是鎳，其典型的量為8-10重量％。
采用另一些合金元素，以按預(yù)期的方式影響鋼的其它性質(zhì)(例如耐腐蝕、耐磨蝕、硬度、強度和韌性)。但是，某些合金組分的應(yīng)用常常(多數(shù)情況下與量有關(guān))會導(dǎo)致一定的缺點，這些缺點在一定范圍內(nèi)可通過合金組成的調(diào)節(jié)加以克服。例如碳和錳照例有助于穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，但太高的量會降低抗腐蝕性。硅是一種常常不可避免的雜質(zhì)，在某些情況下有意地作為氧俘獲劑添加，但卻促進δ-鐵氧體的形成。鉻，鉬和鎢對耐腐蝕性起決定作用，但同樣有利于δ-鐵氧體的形成。另一方面氮能穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)并提高耐腐蝕性，但過高的氮含量卻會降低鋼的韌性。鋼組成最優(yōu)化的困難在于，鋼的性質(zhì)不是呈線性地隨一定的合金組分的含量變化，而是組分微小變化可使材料性質(zhì)出現(xiàn)突變。采用非鐵金屬作合金成分的另一缺點大多在于其較高的價格。
很久以來就知道鋼及其制造。關(guān)于鋼的工藝的內(nèi)容豐富的綜合評論可在烏爾曼的“工業(yè)化學(xué)百科全書”第6版，1999電子出版物，Wiley-VCH，D-69541 Weinheim的關(guān)鍵詞“Steel”下找到。
低鎳奧氏體鋼在很多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)是很好的材料。這種鋼的日益重要的應(yīng)用領(lǐng)域是直接與人體或動物體接觸的制品，因為這種鋼按其性質(zhì)不會引起鎳過敏反應(yīng)。鎳過敏反應(yīng)通常是接觸性濕疹或其它過敏反應(yīng)現(xiàn)象的原因。這類過敏反應(yīng)在與含鎳的鋼接觸時，例如佩帶首飾、手表或植入物或使用由這種鋼制成的醫(yī)療器械時出現(xiàn)。因此，很多國家規(guī)定了材料含鎳的限值或與人體或動物體接觸時鎳釋放的限值，有的已經(jīng)生效實施。因此為盡可能多的應(yīng)用領(lǐng)域提供盡可能多的低鎳奧氏體鋼顯得日益重要。
已經(jīng)報導(dǎo)了一系列的低鎳奧氏體鋼，甚至完全不含鎳。通常這種鋼的奧氏體結(jié)構(gòu)用元素氮穩(wěn)定。
AT-B-266900公開了用奧氏體非磁性鋼在制造運動的，尤其是有振動要求的機械部件方面的應(yīng)用，其擬采用的鋼僅以格外寬的可能的組成范圍內(nèi)來定義0-20重量％Mn、0-30重量％Cr、0-5重量％Mo和/或V、至少0.5重量％，優(yōu)選至少1.4重量％N、0.02-0.55重量％C、0-2重量％Si、0-25重量％Ni、其余為鐵。所列的廣闊范圍覆蓋完全不同性質(zhì)的不同鋼種，沒有給出選擇一定鋼種的準(zhǔn)則，同樣亦很少報導(dǎo)制造這種鋼的措施。
EP-A-875 591報導(dǎo)了一種耐腐蝕的、基本不含鎳的奧氏體鋼，其主要組分為5-26重量％Mn、11-24重量％Cr、2.5-6重量％Mo、0.2-2.0重量％N，0.1-0.9重量％C、達0.5重量％Ni、其余為Fe，它作為制造與生物體直接接觸的制品的材料。DE-A-195 13 407同樣報導(dǎo)采用一種耐腐蝕的、基本不含鎳的奧氏體鋼作為制造與生物體直接接觸的物品的材料。這種鋼的主要組分為2-26重量％Mn、11-24重量％Cr、2.5-10重量％Mo、0.55-1.2重量％N、低于0.3重量％C、達0.5重量％Ni、其余為Fe。JP-A-07/150297(化學(xué)文摘文摘號123175994)公開了下列組成的鋼10-25重量％Mn、10-25重量％Cr、5-10重量％Mo、0.2-1重量％N、0.05-0.5重量％C，達0.5重量％Si、其余為Fe，并報導(dǎo)其在造船方面的應(yīng)用。DE-A-196 07 828報導(dǎo)了下列組成的鋼8-15重量％Mn、13-18重量％Cr、2.5-6重量％Mo、0.55-1.1重量％N、達0.1重量％C、達0.5重量％Ni、其余為Fe，并報導(dǎo)其在制造各種部件，尤其是發(fā)電機的蓋環(huán)方面的應(yīng)用。在上列文獻中公開的鋼種，凡是要求高耐腐蝕的都含相當(dāng)高的鉬量，鉬是常用的合金元素中價格最高的。
DE-A-42 42 757建議采用有下列主要組分的鋼21-35重量％Mn、9-20重量％Cr、0-7重量％Mo、0.3-0.7重量％N、達0.015重量％C、達0.1重量％Ni、達0.5重量％Si、達0.02重量％P、達0.02重量％S和達4重量％Cu、其余為Fe，它用作制造直接與生物體接觸的物品的材料。EP-A-422 360公開了下列組成的鋼的用途17-20重量％Mn、16-24重量％Cr、0-3重量％Mo、0.5-1.3重量％N、達0.20重量％C、其余為Fe，用于制造軌道車輛的部件。EP-A-432 434報導(dǎo)了一種由下列組成的鋼制造連接件的方法，其鋼的組成如下17.5-20重量％Mn、17.5-20重量％Cr、0-5重量％Mo、0.8-1.2重量％N、達0.12重量％C、0.2-1重量％Si、達0.05重量％P、達0.015重量％S、達3重量％Ni、其余為Fe。DE-A-25 18 452報導(dǎo)了一種制造奧氏體鋼的方法，該鋼組成為21-45重量％Mn、10-30重量％Cr、0.85-3重量％N、其余為Fe，該方法是通過至少在925℃下對無氮或低氮母合金進行滲氮來制造。此文獻報導(dǎo)的鋼雖然鉬的含量小，但錳的含量較高，錳對腐蝕性能有負面影響。
DE-A-24 47 318報導(dǎo)了一種奧氏體鋼，其組成為15-45重量％Mn、10-30重量％Cr、0.85-3重量％N、達1重量％C、0-2重量％Si以及至少下列三種合金組分的一種1-3重量％Cu、1-4重量％Ni、1-5重量％Mo，而且最后所列的組分的含量可加到5重量％、其余為鐵；而且合金組成還應(yīng)滿足一定的條件。另外如果采用相當(dāng)高的錳含量，即至少為21重量％，則該合金可不含Cu和Ni。如果采用相當(dāng)高含量的鉬或錳則該鋼中亦可僅不含鎳，和/或至少含1重量％銅。
EP-A-640 695公開了一種鋼，其組成為11-25重量％Mn、10-20重量％Cr、達1重量％Mo、0.05-0.55重量％N、達0.01重量％C、達0.5重量％Ni、達1重量％Si、其余為Fe，它可用于制造與生物體的皮膚直接接觸的日用品。JP-A-07/157 847報導(dǎo)一種鋼，其組成為9-20重量％Mn、12-20重量％Cr、1-5重量％Mo、0.1-0.5重量％N、0.01-0.6重量％C、0.05-2.0重量％Si、0.05-4重量％Cu、其余為Fe，其用途為制造表殼。JP-A-06/116 683(化學(xué)文摘文摘號121138554)公開了一種鋼，其組成為5-23重量％Mn、13-22重量％Cr、達5重量％Mo、0.2-0.6重量％N、0.05-0.2重量％C、達0.1重量％In、達15重量％Ni、其余為Fe。在此文獻中公開的鋼含有(至少在其可能的組成的部分范圍內(nèi))較少的鉬和錳，但是它的耐腐蝕性不令人滿意。
本發(fā)明的目的在于提供一種低鎳的，優(yōu)選不含鎳的奧氏體鋼。該鋼從價格的原因應(yīng)含較少的其它合金元素，尤其應(yīng)是鉬、錳和銅含量低，但仍具有優(yōu)良的材料性質(zhì)，尤其具有高的耐腐蝕性和高強度。
本發(fā)明提供一種低鎳的奧氏體鋼，該鋼含鐵及下列組分錳低于9.0重量％；鉻至少16和最高22重量％；氮大于0.3和最高0.7重量％；碳大于0.08和最高0.30重量％；和硅低于2.0重量％另外還提供用這種鋼制造成形體的方法。
重量％數(shù)據(jù)以成品鋼的組分計。
本發(fā)明的鋼是低鎳的和基本不含鎳的、奧氏體的、易于制造和加工的、高耐腐蝕材料。尤其突出的是它的高強度和高韌性，加上它的高的耐腐蝕性使它尤其適用于高層建筑或地下工程，更特別適用于承重部件。
本發(fā)明的鋼是低鎳的，即是說如果是這樣，只含相當(dāng)少量的鎳，通常最大為2重量％鎳，例如最多添加1重量％鎳。本發(fā)明的鋼優(yōu)選是不含鎳，即是說不故意添加鎳。(不含鎳是低鎳的一種特殊情況)。鎳在多數(shù)情況下是以少量或痕量所含的不可避免的雜質(zhì)，常常是由于采用廢鋼作為制造鐵或原鋼的原料帶來的。因此，一般情況下本發(fā)明的鋼在其不含鎳的實施方案中含低于2.0重量％鎳，優(yōu)選低于1重量％鎳，特別優(yōu)選低于0.5重量％鎳。更特別優(yōu)選低于0.3重量％鎳。這種低鎳含量的鋼甚至在長期與人體或動物體接觸下給出如此少的鎳，以致不用擔(dān)心致敏或過敏。特別在不擔(dān)心鎳過敏的應(yīng)用領(lǐng)域，例如作為結(jié)構(gòu)鋼，亦可添加所列限值以內(nèi)的鎳，以便調(diào)節(jié)預(yù)期的材料性質(zhì)。
本發(fā)明的鋼含低于9.0重量％錳，優(yōu)選最高為8.5重量％錳，特別優(yōu)選最高為4.9重量％錳。其次它還含最少16重量％Cr，優(yōu)選最少為20重量％和最高為22重量％鉻，優(yōu)選最高為21重量％鉻。其氮含量大于0.30重量％，優(yōu)選最少為0.4重量％，最高0.70重量％，優(yōu)選最高為0.55重量％；其碳含量大于0.08重量％，優(yōu)選最少0.12重量％，例如0.15重量％，最高0.30重量％。在一優(yōu)選的實施方案中，碳和氮的總量最低為0.55重量％。這些合金元素主要以固溶體形式存在，也以原子狀態(tài)細分散在奧氏體晶格中，而不是以碳化物、氮化物或金屬間相存在。
添加少量的常常針對改善某些應(yīng)用中的一些性質(zhì)或者作為制造鋼的常見添加劑的其它合金元素照例不會損害本發(fā)明鋼種的材料性質(zhì)。尤其是它可含銅，其量低于2.0重量％，例如低于1.0重量％，優(yōu)選低于0.5重量％。例如它還可含鎢，其量低于2.0重量％，優(yōu)選最高1.0重量％，含硅量低于2.0重量％，例如0.2重量％。只要鉬在本發(fā)明鋼種之不僅是以不可避免的雜質(zhì)存在，而是故意添加的，則本發(fā)明的鋼通常含有低于2.0重量％鉬，優(yōu)選低于1.0重量％鉬。
本發(fā)明鋼的一個優(yōu)選實施方案由鐵、不可避免的雜質(zhì)以及下列組分組成錳低于9.0重量％鉻至少16和最高22重量％鎳低于2.0重量％氮大于0.3和最高0.70重量％碳大于0.08和最高0.30重量％硅低于2.0重量％鉬低于2.0重量％銅低于2.0重量％鎢低于2.0重量％
本發(fā)明鋼的另一優(yōu)選實施方案是由鐵、不可避免的雜質(zhì)和下列組分組成錳低于9.0重量％鉻至少20和最高22重量％鎳低于1.0重量％氮大于0.3和最高0.70重量％碳大于0.12和最高0.30重量％硅低于2.0重量％鉬低于1.0重量％銅低于1.0重量％鎢低于1.0重量％本發(fā)明的鋼格外耐腐蝕，耐腐蝕性用臨界裂隙腐蝕溫度表示，取鋼中合金元素作用之和，其式如下作用和＝Cr+3.3Mo+20C+20N-0.5Nm-0.2Ni，其中元素符號表示該元素在鋼中的重量％。因而，在以鋼的耐腐蝕性為前提的應(yīng)用中，鋼的組成是在由其其它所要求的材料性質(zhì)(強度，韌性等)預(yù)先規(guī)定的限值范圍內(nèi)最佳化到盡可能高的作用和。在這種情況下，優(yōu)選是低鎳含量和較高的碳含量和氮含量。
用本發(fā)明的鋼制成的工件有各種用途。(由于本發(fā)明的鋼是具體的，因此總是有一種幾何形狀，故而術(shù)語“鋼”和“由這種鋼制成的工件或物體”一般都是同一種意義。)由本發(fā)明的鋼制成的工件尤其應(yīng)用在需要高耐腐蝕、強度和/或韌性和/或不容許鎳釋出的領(lǐng)域。本發(fā)明鋼的一個典型應(yīng)用領(lǐng)域是制造至少有時要與人體或動物體接觸的制品，例如眼鏡、手表、首飾、植入件、口腔植入件、衣服的金屬零件如皮帶扣和鉤和小環(huán)、針、安全針、床支架、手柄、剪刀、餐具、醫(yī)療器械如注射針、解剖刀或其它手術(shù)器械。
但是，本發(fā)明鋼的驚人高的耐腐蝕性、強度和韌性亦開辟其它的，其中低鎳不起或只作很少的作用的應(yīng)用領(lǐng)域。例如用在高層建筑和地下工程中，如制造鋼筋混凝土的配筋、固定元件如螺釘、螺栓、鉚釘、釘、銷或鋼繩、拉緊元件、鉸鏈、巖石固定件、承重結(jié)構(gòu)、屋面元件、裝飾元件或作為預(yù)應(yīng)力鋼，如棒、絲或鋼繩。同樣它亦可用作制造工藝設(shè)備的材料，例如石油和天然氣的鉆探和開發(fā)的設(shè)備和管道，在有關(guān)海洋技術(shù)(海洋工程)以及造船和石油化學(xué)工業(yè)中。其次它可用在交通技術(shù)中，例如水、陸、空的交通工具和設(shè)備的部件。再次，它可用于機械制造和設(shè)備制造，例如用于能源技術(shù)和電站技術(shù)或用于電氣和電子設(shè)備。此外，本發(fā)明的鋼還可作為硬質(zhì)材料燒結(jié)型件的硬質(zhì)材料的金屬粘接相。
對于所列的某些應(yīng)用，尤其是在鐵磁體不干擾的場合，將本發(fā)明的鋼作為表面層疊置或制造就足夠了。為此所需的方法是已知的，例如用本發(fā)明鋼的薄的敷層包覆在工件上或者在一種不含氮的或低氮的母合金工件上進行局部滲氮。
可用已知的制鋼方法來制造和/或成形所需的工件，例如通過無壓熔化、電渣-重熔、壓力電渣重熔、熔體鑄造、鍛、熱成形和/或冷成形、粉末冶金，例如壓制、燒結(jié)或粉末噴鑄，后兩者可用本發(fā)明組成的均勻粉末或按照已知的母合金技術(shù)，或者有時用不含氮的或低氮合金的后繼滲氮，只要上面的熔煉冶金和粉末冶金方法不在足夠的氮分壓下進行。碳化物，氮化物和中間金屬相的形成同樣可以已知的方式通過熱處理加以避免或者使其減弱。由本發(fā)明的鋼制成的強度特別高的工件可通過溶液退火、在溶液退火溫度下淬火和冷成形達到。亦可選擇將工件接著進行退火。意外發(fā)現(xiàn)，冷成形不會損害耐裂隙腐蝕。
用本發(fā)明的鋼制造制件的一個優(yōu)選方法是粉末冶金。為此，將本發(fā)明的鋼粉末或不含氮或低氮的母合金粉末放入模具中，例如通過壓制、脫模和燒結(jié)。如果采用不含氮的或低氮的合金，則在燒結(jié)過程或在后繼的輔助工序中，通過滲氮調(diào)節(jié)所要求的氮含量。
不是絕對需要以均勻合金形式采用鋼或其不含氮的或低氮的前體。同時鋼或其前體的組分可以合金元素的粉末狀混合物的形式存在或者以不同合金和/或純元素的混合物形式存在，由此按照“母合金”技術(shù)在燒結(jié)過程中通過擴散形成預(yù)期的總組成合金。例如可采用純鐵粉末和合金粉末的混合物，該合金粉末含其它的合金元素和有選擇地還可含鐵。
簡單的粉末冶金成形方法，例如在模具中壓制的一個主要缺點在于，此方法只能制造具有較簡單的外形的成形體。另一種已知的尤其適宜于制造復(fù)雜幾何的成形體的粉末冶金方法是粉末噴鑄。為此將鋼粉、不含氮的或低氮的前體與一種熱塑塑料混合，后者在粉末噴鑄工藝中通常稱為“粘接劑”，有時還混入另一種助劑，這樣一起組成熱塑性的噴鑄原料。
該熱塑性噴鑄原料用加工熱塑性塑料的已知的噴鑄工藝在模具中噴鑄，然后從噴鑄體(“壓坯”)脫去熱塑性粉末噴鑄-粘接劑(“脫粘接劑”)，脫去粘接劑的成形體(“褐坯”)被燒結(jié)成最后成形體，有時預(yù)期的氮含量通過在一種含氮的爐氣氛中進行熱處理的氮化(“滲氮”)來調(diào)節(jié)。氮含量的調(diào)節(jié)宜通過氮化在燒結(jié)過程或直接在燒結(jié)之前或在燒結(jié)之后進行，勿需期間將燒結(jié)成形部件從燒結(jié)爐中取出，并冷卻至燒結(jié)溫度或氮化溫度之下。這種方法的主要問題是除粘接劑，它通常是通過熱塑性塑料的熱解進行的，并且常常在工件上發(fā)生裂紋。因此宜采用一種在較低的溫度下能催化去除的熱塑性塑料。
適宜于制造和加工本發(fā)明的鋼的金屬粉末噴鑄方法及其噴鑄原料是專業(yè)技術(shù)人員所熟知的。例如EP-A 413 231報導(dǎo)一種催化去除粘接劑的方法，EP-A 465 940和EP-A 446 708公開了制造金屬成形體的噴鑄原料。W.-F.Bhre，P.J.Uggowitzer und M.O.Speidel“Competitive Advantages by Near-Net-Shape-Mamefacturing”(近最后成形的制造方法的優(yōu)點)(H.-D.Kunze編)，Deutsche Gesellschaft für Metallurgie(德國冶金協(xié)會)，F(xiàn)rankfurt，1997(ISBN 3-88355.246.1)以及H.Wohlfromm，M.Blmaeher，D.Weinand，E.-M.Langer und M.Schwarz“NovelMatirials in Metal Injection Molding”(金屬噴射造型中的新型材料)，Proceedings of PIM-97-1st European Symposium onPowder Injection Moulding(第一次歐洲粉末噴射造型研討會會志)，慕尼黑貿(mào)展中心，Munich，Germany，October 15-16，1997，European Powder Metallurgy Assoeiation(歐洲粉末冶金協(xié)會)1997，(ISBN 1-899072-05-5)描述在燒結(jié)過程中在滲氮化下制造不含鎳的含氮鋼的粉末噴鑄方法。國際專利申請PCT/EP/99/09136(國際申請日期99年11月25日，優(yōu)先權(quán)申請D有19 855 422.2的日期98年12月1日)報導(dǎo)一種以無鎳奧氏體鋼作硬質(zhì)材料的金屬粘接相的硬質(zhì)材料燒結(jié)成形部件的制造方法。
粉末噴鑄方法與諸如壓制和燒結(jié)的普通粉末冶金方法在程序上的區(qū)別在于成型的方式和由此決定的用于去除為成型所用的熱塑性粉末噴鑄粘接劑。但是燒結(jié)和氮化在全部粉末冶金方法中皆以同樣的方法進行。
本發(fā)明的鋼，其前體或其組分皆采用細粉末的形式。所采用的平均粒度通常小于100微米，優(yōu)選小于50微米，尤其優(yōu)選小于20微米，通常在0.1微米以上。這類金屬粉末可從市場購得，或按已知的方法制造，例如通過羰基分解、水粉化或氣體粉化。
為實施粉末噴鑄方法，將本發(fā)明的鋼、其前體或其組分與作為粉末噴鑄粘接劑的熱塑性的非金屬材料混合，從而得到粉末噴鑄原料。適宜于制造噴鑄原料的熱塑性物質(zhì)是已知的。大多數(shù)情況下采用熱塑性塑料，例如聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯或聚醚如聚環(huán)氧乙烷(“聚乙烯乙二醇”)。優(yōu)選采用這類熱塑物質(zhì)，該物質(zhì)能在較低的溫度下從生坯中催化去除。作為該熱塑物質(zhì)的基礎(chǔ)宜采用聚縮醛塑料，并且特別優(yōu)選聚甲醛(“POM”、低聚甲醛、三聚乙醛)。還可有選擇性的向噴鑄原料中混入助劑以便改善其加工性質(zhì)，例如混入分散助劑。相應(yīng)的熱塑性物料和其通過噴鑄和催化去除粘接劑的制造及加工方法是眾所周知的，并在例如EP-A 413 213、EP-A-446 708、EP-A-444 475和EP-A-800 882，尤其在EP-A 465940和其美國等同專利US 5,362,791中皆有敘述，本文引這些文獻作為參考。
本發(fā)明的優(yōu)選噴鑄原料由下列物質(zhì)組成a)40-70體積％的權(quán)利要求1，2，或3界定的鋼、這種鋼的無氮或低氮前體或該鋼或其前體的組分的混合物，均呈粉末狀，且其平均粒度為至少0.1微米，最高100微米，優(yōu)選最高50微米，特別優(yōu)選最高20微米；b)30-60體積％的由下列物質(zhì)組成的混合物b1)50-100重量％的聚甲醛的均聚物或共聚物和b2)0-50重量％的不能與b1)混合的但能用熱方法去除而不留殘留物的聚合物或者這種聚合物的混合物，以作為粉末a)的熱塑性粘接劑
c)0-50體積％的分散助劑。
當(dāng)然這些組分之和為100體積％。
聚甲醛的均聚物和共聚物及其制造方法是專業(yè)技術(shù)人員熟悉的，并在文獻中有所報導(dǎo)。均聚物通常通過甲醛和三噁烷聚合(多數(shù)為催化聚合)制造。為了制造聚甲醛共聚物，方便的方式是采用一種環(huán)醚或多種醚作為共單體與甲醛和/或三噁烷一道參加聚合，這樣帶有鏈段(-OCH2)-單元的聚甲醛鏈被在兩個氧原子中間有一個以上的碳原子的單元所斷裂。適宜作共聚單體的環(huán)醚的例子為環(huán)氧乙烷、1，2-環(huán)氧丙烷、1，2-環(huán)氧丁烷、1，3-二噁烷、1，3-二氧戊烷、二氧雜庚烷(Dioxepan)、線型低聚縮甲醛類和聚縮甲醛類如聚二氧戊烷或聚二氧雜庚烷以及甲醛-三聚物等。
作為組分b2)主要是與聚甲醛均聚物或聚甲醛共聚物b1)不相混合的聚合物，這類聚合物及其制造是專業(yè)技術(shù)人員熟知的并在文獻中有報導(dǎo)。
優(yōu)選的這類聚合物為聚烯烴、乙烯基芳香聚合物、脂族C1-C8-羧酸的乙烯基酯聚合物、烷基為1-8碳原子的乙烯基烷基醚的聚合物或至少70重量％單元的甲基丙烯酸酯的聚合物，該單元是由甲基丙烯酸酯或其混合物衍生的。
適宜的聚烯烴的例子為2-8碳原子，尤其是2，3或4碳原子的烯烴及其共聚物。特別優(yōu)選聚乙烯、聚丙烯及其聚合物。這類聚合物是大量生產(chǎn)的產(chǎn)品或廣泛使用的商品，因而是專業(yè)人員所熟知的。適宜的乙烯基芳香聚合物的例子是聚苯乙烯和聚-α-甲基苯乙烯及其與30重量％的由丙烯酸酯以及丙烯腈或甲基丙烯腈基的單體的共聚物。這類聚合物亦是覺的商品。適宜的脂族C1-C8-羧酸的乙烯基酯聚合物的例子為聚乙烯基醋酸酯或聚乙烯基丙酸酯，適宜的C1-C8-乙烯基烷基醚的聚合物的例子為聚乙烯基甲醚或聚乙烯基乙醚。例如為與至少70重量％的C1-C14醇的甲基丙烯酸酯，尤其是甲基-甲基丙烯酸酯和/或乙基-甲基丙烯酸酯作為單體單元的共聚物用作帶70重量％由甲基丙烯酸酯衍生的單元的甲基丙烯酸酯的聚合物。例如0-30重量％，優(yōu)選0-20重量％的丙烯酸酯，優(yōu)選甲基丙烯酸酯和/或乙基丙烯酸酯用作其它共聚單體。
組分c)是一種分散助劑，分散助劑是廣泛采用的并是專業(yè)人熟知的。一般說來，可采用每一種能改善噴鑄物料均勻性的分散助劑。優(yōu)選的分散助劑是其平均分子量為200-400的低聚的聚環(huán)氧乙烷、硬脂酸、羥基硬脂酸、脂肪醇、脂肪醇磺酸酯和環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的嵌段共聚物。作為助劑亦可采用各種有分散性質(zhì)的物質(zhì)的混合物。
金屬粉末在粉末噴鑄方法中在與熱塑性粘接劑和有時還與助劑經(jīng)先前的混合之后，用成形工具如壓機成形，為了避免完工的燒結(jié)件的某些昂貴的后繼加工，成形件應(yīng)盡可能接近最終的預(yù)期幾何形狀。在燒結(jié)中工具通常發(fā)生收縮，一般說來這種收縮通過燒結(jié)前相應(yīng)增大成形部件的尺寸來補償。
粉末噴鑄原料的成形按常規(guī)的方式藉助一般的噴鑄機器實現(xiàn)。成形體按常規(guī)方式通過熱解去除熱塑性粉末噴鑄粘接劑(“脫粘接劑”)。粘接劑宜通過催化從優(yōu)選的本發(fā)明的噴鑄物料中去除，其中生坯按常規(guī)方式用一種含氣態(tài)酸的氣氛進行熱處理。這種氣氛通過蒸汽壓足夠大的酸的汽化形成，比較方便的方式是使載體氣，尤其是氮，通過有酸，優(yōu)選是硫酸的容器，然后將含酸的氣體導(dǎo)入脫粘接劑爐。脫粘接劑爐中的最佳酸濃度與預(yù)期的鋼組成和工件的尺寸有關(guān)，并在具體情況下通過例行試驗決定。一般說來，在這種氣氛中在20℃-180℃的溫度范圍內(nèi)處理10分鐘-24小時足以去除粘接劑。在脫粘接劑之后還存在的某些熱塑性粘接劑和/或助劑的殘留物在加熱至燒結(jié)溫度時熱解，從而完全去除。
在成形之后，或在噴鑄方法中緊接的粘接劑去除之后，成形件在燒結(jié)爐中燒結(jié)成形部件，如果采用本發(fā)明鋼的無氮或低氮前體，則通過氮化調(diào)節(jié)預(yù)期的氮含量。
為進行燒結(jié)及有時要進行氮化的爐氣氛的最佳組成和最佳溫度程序與所采用的或擬制造的鋼的準(zhǔn)確化學(xué)組成或其前體的組成，尤其是其溶氮能力和所采用的粉末的粒度有關(guān)。一般說來，爐氣氛中氮分壓的提高以及溫度的降低皆直接與鋼中較高的氮含量相關(guān)聯(lián)。但是，由于隨著溫度的降低不但使燒結(jié)過程本身變慢，而且也使氮在鋼中的擴散速度降低，所以燒結(jié)過程和/或氮化過程在較低溫度下相應(yīng)變長。為了在均勻的、致密的燒結(jié)型體中達到一定的預(yù)期氮含量的爐氣氛，尤其是氮的分壓、溫度和燒結(jié)時間和/或氮化時間的最優(yōu)組合，在具體情況下可通過少量的例行試驗確定。這種燒結(jié)方法的例子在Bhre等人以及Wohlfromm等人發(fā)表的文章中有所敘述。本文引此兩種文獻作為參考。
通常爐氣氛中的氮的分壓至少為0.1bar，優(yōu)選至少0.25bar。此氮分壓一般最高為2bar，優(yōu)選最高1bar。爐氣氛可由純氮構(gòu)成，或者還含惰性氣體如氬和/或反應(yīng)氣體如氫。多數(shù)情況下采用由氮和氫組成的混合物作爐氣氛是有利的，以便盡可能使自干擾的氧化性金屬雜質(zhì)去除。如果有氫存在，則其份額通常為至少5體積％，優(yōu)選至少15體積％，通常最高為50體積％，優(yōu)選最高30體積％。如果需要，這種爐氣氛還可含有惰性氣體如氬。爐氣氛應(yīng)基本是干燥的，為此，通常其露點為-40℃是足夠的。
燒結(jié)爐和/或氮化爐的(絕對)壓力通常至少為100mbar，優(yōu)選至少250mbar。其次通常最高為2.5bar，優(yōu)選最高2bar。特別優(yōu)選在常壓下操作。
燒結(jié)溫度和/或氮化溫度通常至少1000℃，優(yōu)選至少1050℃，特別優(yōu)選的方式為至少1100℃。其次它通常最高為1450℃，優(yōu)選最高1400℃，在特別優(yōu)選的方案中最高1350℃。燒結(jié)過程和/或氮化過程中溫度可以變化，例如，先在較高的溫度下使工件完全或基本上燒結(jié)至致密，接著在較低的溫度下調(diào)節(jié)預(yù)期的氮含量。
最優(yōu)加熱速率容易通過一些例行的試驗獲得，通常至少為1℃/分鐘，優(yōu)選至少為2℃/分鐘，在特別優(yōu)選的方案中至少為3℃/分鐘。出于經(jīng)濟方面的權(quán)衡，通常追求盡可能高的加熱速率，以便避免對燒結(jié)和/或氮化質(zhì)量的負面影響，但在多數(shù)情況下調(diào)節(jié)到20℃/分鐘以下。在某些情況下，在達到燒結(jié)和/或氮化溫度的過程中，在低于燒結(jié)溫度和/或氮化溫度下維持一段停留時間，例如在30分鐘-2小時之間，例如1小時，其溫度保持為500℃-700℃，例如600℃。
燒結(jié)時間和/或氮化時間，即在燒結(jié)溫度和/或氮化溫度下的停留時間，通常是這樣調(diào)節(jié)的，即使燒結(jié)成形部件燒結(jié)到足夠致密，又足夠均勻氮化。在通常的燒結(jié)溫度和/或氮化溫度、氮分壓和成形體尺寸下，一般燒結(jié)時間和/或氮化時間至少為30分鐘，優(yōu)選至少為60分鐘。燒結(jié)過程和/或氮化過程的長短共同決定生產(chǎn)的速率，因此燒結(jié)和/或氮化宜這樣進行，即燒結(jié)過程和/或氮化過程從經(jīng)濟觀點看來不能太長。通常燒結(jié)過程和/或氮化過程(不計加熱和冷卻階段)最長在10小時后結(jié)束。
燒結(jié)過程和/或氮化過程以燒結(jié)成形部件的冷卻結(jié)束。隨鋼組成的不同，可能要求一定的冷卻過程，例如盡可能快的冷卻，以便保持高溫相或者避免鋼的組分脫混。通常從經(jīng)濟角度看來，希望盡可能快的冷卻，以便達到高的生產(chǎn)速率。如果較高數(shù)量的燒結(jié)成形部件由于快速冷卻的缺陷帶來的經(jīng)濟上的不足，例如斷裂、撕裂、變形等，則冷卻速率達到了上限。最優(yōu)冷卻速度容易通過少量例行試驗確定。通常推薦的冷卻速率值為至少100℃/分鐘，優(yōu)選至少200℃/分鐘。例如燒結(jié)成形部件可浸入冷水或油之中淬冷。
緊接在燒結(jié)和/或氮化之后，可對燒結(jié)成形部件進行各種希望的后處理，例如溶液淬火和浸入水或油淬火或熱恒壓壓制。優(yōu)選對燒結(jié)成形部件進行溶液淬火，在溫度至少1000℃，優(yōu)選至少1100℃，最高達1250℃，優(yōu)選最高1200℃下，在氣氛為惰性氣體如氮和/或氬中使部件熱處理至少5分鐘，優(yōu)選至少10分鐘，最高達2小時，接著例如在冷水中淬火。
實施例實施例1一種奧氏體鋼，其組成為20重量％鉻、4.9重量％錳、0.4重量％氮、0.15重量％碳、0.2重量％硅、其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，該鋼通過在真空感應(yīng)爐中熔化、在錠模中澆鑄、勻化、鍛造、在1100℃下溶液淬火等工序制造。其屈服極限為509MPa，缺口沖擊韌性為240J，在22％氯化鈉溶液和23℃下的局部腐蝕電位為1250mV。
實施例2一種奧氏體鋼，其組成為21重量％鉻、8.5重量％錳、0.55重量％氮、0.15重量％碳、0.2重量％硅、其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，該鋼通過在真空感應(yīng)爐中熔化、在錠模中澆鑄、勻化、鍛造、在1100℃下的溶液淬火等工序制造，其屈服極限為610MPa，其缺口沖擊韌性為250J，在22％氯化鈉溶液中和23℃下的局部腐蝕電位為1260mV。
實施例表明，本發(fā)明的鋼在耐腐蝕性和強度方面超過典型的不銹鋼，而且在耐腐蝕性和強度遠超過低合金或非合金的不銹鋼。
權(quán)利要求
1.一種低鎳奧氏體鋼，該鋼含鐵及下列組分錳低于9.0重量％鉻至少16和最高22重量％氮大于0.3和最高0.7重量％碳大于0.08和最高0.30重量％硅低于2.0重量％。
2.權(quán)利要求1的鋼，其特征在于，該鋼含下列組分鉻至少20和最高22重量％碳大于0.12和最高0.30重量％。
3.權(quán)利要求1或2的鋼，該鋼還含鉬低于2.0重量％銅低于2.0重量％鎢低于2.0重量％。
4.權(quán)利要求3的鋼，其特征在于，該鋼含下列組分鉬低于1.0重量％銅低于1.0重量％鎢低于1.0重量％。
5.權(quán)利要求1的鋼，其特征在于，該鋼由鐵、不可避免的雜質(zhì)和下列組分組成錳低于9.0重量％鉻至少16和最高22重量％鎳低于2.0重量％氮大于0.30和最高0.70重量％碳大于0.08和最高0.30重量％硅低于2.0重量％鉬低于2.0重量％銅低于2.0重量％鎢低于2.0重量％。
6.權(quán)利要求5的鋼，其特征在于，該鋼由鐵、不可避免的雜質(zhì)和下列組分組成錳低于9.0重量％鉻至少20和最高22重量％鎳低于1.0重量％氮大于0.30和最高0.70重量％碳大于0.12和最高0.30重量％硅低于2.0重量％鉬低于1.0重量％銅低于1.0重量％鎢低于1.0重量％。
7.權(quán)利要求1-6之一的鋼，其特征在于，該鋼經(jīng)過溶液淬火，接著冷成形。
8.權(quán)利要求7的鋼，其特征在于，該鋼經(jīng)過溶液淬火、冷成形、接著回火。
9.一種粉末噴鑄原料，該原料以粉末形式含權(quán)利要求1-6之一界定的鋼、這種鋼的無氮或低氮的前體或鋼或其前體組分的混合物，并含有熱塑性粘接劑。
10.權(quán)利要求9的粉末噴鑄原料，其組成為a)40-70體積％的權(quán)利要求1，2，或3界定的鋼、這種鋼的無氮或低氮前體或該鋼或其前體的組分的混合物，均為粉末狀，其平均粒度至少為0.1微米，最高100微米，優(yōu)選50微米，在特別優(yōu)選方式中最高20微米。b)30-60體積％的由下列物質(zhì)組成的混合物b1)50-100重量％的聚甲醛的均聚物或共聚物和b2)0-50重量％的不能與b1)混合的但能用熱方法去除而不殘留物的聚合物或這種聚合物的混合物，以作為粉末a)的熱塑性粘接劑，和c)0-50體積％的分散助劑。
11.一種用權(quán)利要求1-6之一界定的鋼制造成形體的方法，該方法包括權(quán)利要求9或10界定的噴鑄原料的噴鑄、脫粘接劑和燒結(jié)等工序。
12.權(quán)利要求11的方法，其特征在于，脫粘接劑是通過粘接劑的催化去除進行。
13.權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于，在燒結(jié)之間或之后，通過氮化調(diào)節(jié)鋼的氮含量。
14.權(quán)利要求1-8界定的鋼在至少有時會與人體或動物體接觸的制品中作為材料的應(yīng)用。
15.權(quán)利要求1-8界定的鋼在高層建筑或地下工程中的應(yīng)用。
16.權(quán)利要求15的應(yīng)用，其特征在于，用該鋼制造承重部件。
17.權(quán)利要求1-8界定的鋼在制造工程設(shè)備中的應(yīng)用。
18.權(quán)利要求1-8界定的鋼在交通工程中作為材料的應(yīng)用。
19.權(quán)利要求1-8界定的鋼在機械制造和設(shè)備制造中作為材料的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低鎳奧氏體鋼,該鋼含鐵及下列組分:錳:低于9.0重量%;鉻:至少16和最高22重量%;氮:大于0.30和最高0.70重量%;碳:大于0.08和最高0.30重量%;和硅:低于2.0重量%;還涉及其制造及其應(yīng)用。
文檔編號B22F1/00GK1373815SQ00811711
公開日2002年10月9日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月24日
發(fā)明者M·斯佩德 申請人:Basf公司