專(zhuān)利名稱(chēng)：具有改良切削性的抗點(diǎn)蝕雙相不銹鋼合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有改良切削性的抗點(diǎn)蝕雙相不銹鋼合金。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種雙相不銹鋼，該鋼澆鑄后不進(jìn)行單獨(dú)的熱處理工序，而是在鑄模中進(jìn)行模內(nèi)加速熱處理，這種雙相不銹鋼具有改良的切削加工性并保持優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕性能。
Rainger等人(美國(guó)專(zhuān)利No 4612069和4740254)描述了一種具有改良抗點(diǎn)蝕能力的雙相不銹鋼合金。這些專(zhuān)利中描述為“X-6”的合金在本文中稱(chēng)作“86號(hào)合金”?！?6號(hào)合金”是通過(guò)在一種合金(75號(hào)合金)中加入2wt％的銅，但未同時(shí)添加鉬元素而得到的。不加鉬而加銅使得雙相不銹鋼合金可在密閉熱處理爐中非常緩慢地控制冷卻，從而將有害的拉伸殘余應(yīng)力降至最低，同時(shí)保持良好的延展性和抗腐蝕能力。
一種相當(dāng)商業(yè)化生產(chǎn)的含鉬合金是瑞典Avesta Prefab.A.V.的3RE60SRG。本申請(qǐng)所討論的雙相不銹鋼的典型成分以重量百分比列于下表1表1

86號(hào)合金可用于化學(xué)工業(yè)、制漿業(yè)和造紙業(yè)。86號(hào)合金可用于(但并不局限于)制造容器、蒸餾罐、管道系統(tǒng)之類(lèi)的產(chǎn)品；也可用于造紙機(jī)械軋輥輥套(roll shell)例如涂飾輥、溝槽輥和盲孔輥，也可應(yīng)用于造紙機(jī)械吸輥輥套(suction roll shell)例如中心輥、伏輥、蘸料輥(pickup roll)、壓輥和擠干輥。這些制品在它們的制造過(guò)程中需要數(shù)百小時(shí)的機(jī)加工和鉆孔時(shí)間，本發(fā)明的X-11合金也具有與上相同的用途，但具有更短的制造周期和改良的機(jī)械加工性及可鉆性。
競(jìng)爭(zhēng)的壓力促使冶金方面開(kāi)發(fā)這樣一種雙相不銹鋼合金既具有它們最終使用時(shí)所必須的抗蝕性，又能在更短的時(shí)間內(nèi)制造出來(lái)。X-11合金通過(guò)其化學(xué)成分和鑄模內(nèi)加速熱處理可得到所需性能的綜合。采用模內(nèi)加速熱處理可免除常規(guī)合金所需的單獨(dú)熱處理工序，從而縮短制造時(shí)間；可提供更平直、圓度更好的離心鑄件，進(jìn)而對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求降低；提供易于機(jī)加工和鉆孔的合金，因而制造產(chǎn)品所需的機(jī)加工和鉆孔時(shí)間降低；刀具磨損降低，因而制造設(shè)備不需停下來(lái)以更換鈍刀。
為成功地用于制漿和造紙業(yè)的吸輥輥套，雙相不銹鋼合金所需的特性是通過(guò)特定化學(xué)組成得到的，通過(guò)該化學(xué)組成可獲得鐵素體基體上分布著奧氏體的雙相顯微組織，在侵蝕性造紙機(jī)白水(white water)中具有耐蝕性、對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展具有抵抗能力和低的殘余應(yīng)力。X-11合金除具有其獨(dú)特的加工特性外，也能滿足以上這些使用要求。
有意加入鉬后的雙相不銹鋼不能采用模內(nèi)熱處理方法，因?yàn)槟?nèi)熱處理方法的冷速不夠快，無(wú)法避免脆性相及降低耐蝕性相的形成。所以需要附加的熱處理工序以溶解這些不合需要的相，并隨后快冷以防止這些相的再次形成。為抗點(diǎn)蝕而加銅的86號(hào)合金和X-11合金的化學(xué)成分可以允許慢得多的冷速而不形成那些脆性相。
雙相不銹鋼的機(jī)械加工性被認(rèn)為受它們高的退火強(qiáng)度所局限(金屬手冊(cè)，第9版，pp.689～690)。Carlborg，C.、Nilsson，A.和Franklind，P-A，在“雙相不銹鋼的機(jī)械加工性”(1991年10月在法國(guó)BeauneBourgogne召開(kāi)的會(huì)議論文集，Vol.1，pp.683～696)一文中討論了一系列冶金變量如高溫強(qiáng)度、夾雜物、組織及合金元素對(duì)雙相不銹鋼機(jī)械加工性的影響，但并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到模內(nèi)加速熱處理可以提高其機(jī)械加工性。Charles，J.，Dupoiron，F(xiàn).，Souglignae，P.，和Gagnepain，Jr.，在“UR 35N Cu一種具有改良機(jī)械加工性的新型富銅不含鉬的雙相不銹鋼”(1991年10月在法國(guó)Beaune Bourgogne召開(kāi)的會(huì)議論文集，Vol.2，pp.1274～1281)一文中報(bào)道了在水淬雙相不銹鋼中加銅可以提高其機(jī)械加工性。然而，具有與86號(hào)合金相同銅含量的X-11合金可以通過(guò)模內(nèi)加速熱處理得到改良的機(jī)械加工性，這是Charles等人沒(méi)有意識(shí)到的。
先前的煉鋼技術(shù)認(rèn)為提高奧氏體不銹鋼的機(jī)械加工性可通過(guò)加入會(huì)降低抗蝕性的諸如硫和硒之類(lèi)的合金元素來(lái)得到(金屬手冊(cè)，第9版，p.686)，或者，需要采用特殊的煉鋼手段以控制鋼中氧化物夾雜的成分(金屬手冊(cè)，第9版，p.688；Johansson，R.，Davison，R.，的“具有優(yōu)良性能的可鍛雙相不銹鋼吸輥”，1996年TAPPI工程會(huì)議論文集，pp.103～109；Carsson，T.，“Prodec-如何解決加工問(wèn)題”，pp.9～12)。而為使X-11合金具有高的機(jī)械加工性和可鉆性，以上兩種方法都不需要。
發(fā)明簡(jiǎn)述提供一種高抗點(diǎn)蝕能力的雙相不銹鋼合金，該合金含有下列重量百分比的成分C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分基本為鐵和不可避免的雜質(zhì)，以上元素構(gòu)成了具有高點(diǎn)蝕抗力的雙相不銹鋼材料。這種合金當(dāng)澆鑄后在鑄模中進(jìn)行加速熱處理時(shí)，與在獨(dú)立工序的密閉熱處理爐中經(jīng)非常緩慢控制冷卻后的同種成分的合金相比，具有顯著改善的機(jī)械加工性。
優(yōu)選方案描述本文中所述的模內(nèi)加速熱處理用于中空的柱狀離心鑄件，但也可應(yīng)用于顯微組織和殘余應(yīng)力的控制處于重要地位的其它鑄造雙相不銹鋼產(chǎn)品。熔融金屬倒入鑄模中凝固，最終冷至室溫?，F(xiàn)有技術(shù)雙相不銹鋼工藝要求將鑄件從鑄模中取出，在另一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備(即爐子)中以獨(dú)立的工序進(jìn)行熱處理以得到最佳的耐蝕性。本發(fā)明X-11合金的獨(dú)特之處在于它采用在鑄模內(nèi)通過(guò)一個(gè)加速過(guò)程進(jìn)行熱處理，因而可以取消一個(gè)重要的熱處理工序。本發(fā)明的合金可不需要單獨(dú)的爐中控制冷卻工序而得以生產(chǎn)。
在冷卻過(guò)程中鑄造雙相不銹鋼產(chǎn)品內(nèi)部的溫度與其外部的溫度基本保持相同，對(duì)內(nèi)部和外部的溫度同時(shí)進(jìn)行控制，以使它們以相同的速率緩慢冷卻。
對(duì)于模內(nèi)加速冷卻，鑄件冷卻的速率控制在金屬形成有效強(qiáng)度的溫度范圍之內(nèi)，即約260℃～1090℃(500°F～2000°F)。在這個(gè)溫度范圍之內(nèi)，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部和外部溫度，鑄件內(nèi)徑處的溫度與鑄件外徑處的溫度之差保持在250℃(450°F)之內(nèi)。內(nèi)部和外部溫度的冷卻速率可由以下方法進(jìn)行控制對(duì)內(nèi)徑處進(jìn)行加熱或在鑄模各端使用絕熱手段，以降低鑄件的冷速；或使用如可控?cái)?shù)量的強(qiáng)制風(fēng)冷、水霧冷卻、噴水冷卻或其它冷卻介質(zhì)之類(lèi)的冷卻方法或其它冷卻技術(shù)以加快冷卻速率。
完成模內(nèi)加速熱處理所需的時(shí)間小于約20小時(shí)，此時(shí)間決定于鑄件的重量。這個(gè)熱處理時(shí)間同86號(hào)合金所需的加熱時(shí)間相比，要短得多，后者所需的時(shí)間，約72～144小時(shí)還要加上等待熱處理爐空閑可能耽誤的時(shí)間。X-11合金的模內(nèi)加速熱處理在整體時(shí)間的節(jié)省上、減少材料傳遞和避免生產(chǎn)過(guò)程中的阻塞問(wèn)題等方面上表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。
采用模內(nèi)加速熱處理后，X-11合金機(jī)械加工性和可鉆性的改善可由鉆孔試驗(yàn)得以證實(shí)，這個(gè)試驗(yàn)可靈敏地同時(shí)反映出機(jī)械加工性和可鉆性。該試驗(yàn)中，用M42級(jí)麻花鉆頭在試驗(yàn)塊上鉆直徑為約4mm(0.156英寸)的孔。鉆孔總深度為38mm(1.5英寸)，分步進(jìn)行。第一步6mm(0.25英寸)深，余下的各步驟3mm(0.125英寸)。所用轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)給量51mm(2.03英寸)/分鐘，鉆頭用鉆削用油潤(rùn)滑，鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果是鉆頭在斷裂、過(guò)量磨損或產(chǎn)生過(guò)大的噪音和震動(dòng)前所鉆孔的數(shù)量。結(jié)果如下表II所示，數(shù)值越高越合乎要求。
表II

X-11試樣所用鉆頭的鉆孔壽命是86號(hào)合金所用鉆頭壽命的大致三倍，這是刀具壽命上顯著的和意想不到的提高，這要?dú)w因于X-11合金所采用的模內(nèi)加速熱處理技術(shù)。
材料性能采用電化學(xué)方法測(cè)量耐蝕性，試樣在模擬造紙廠內(nèi)白水的強(qiáng)腐蝕溶液中進(jìn)行，條件如下35mg/l硫代硫酸根離子，400mg/l氯離子，800mg/l硫酸根離子，PH值4.1，溫度54℃。采用一個(gè)叫做“安全系數(shù)(margin ofsafety)”的數(shù)值來(lái)衡量耐蝕性，此數(shù)值越高越合乎需求。安全系數(shù)列于下表III中。
表III

超過(guò)450件生產(chǎn)的制品在使用中未發(fā)現(xiàn)86號(hào)合金被腐蝕。X-11合金920mV的安全系數(shù)接近86號(hào)合金的所經(jīng)歷的最高數(shù)值，X-11號(hào)合金在強(qiáng)腐蝕白水中具有與86號(hào)合金優(yōu)良耐蝕性相當(dāng)?shù)哪臀g性。對(duì)于像X-11合金這樣經(jīng)過(guò)模內(nèi)加速熱處理的合金，這是出乎意料的和獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)。
耐疲勞裂紋擴(kuò)展能力采用循環(huán)加載緊湊拉伸試樣進(jìn)行確定。試樣在模擬造紙廠內(nèi)白水的強(qiáng)腐蝕溶液中進(jìn)行，條件如下50mg/l硫代硫酸根離子，200mg/l氯離子，500mg/l硫酸根離子，PH值3.5，溫度50℃，加載頻率25Hz。測(cè)出一個(gè)叫做應(yīng)力強(qiáng)度門(mén)檻值(ΔKth)的特性參數(shù)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的力學(xué)分析可以算出臨界裂紋尺寸，此數(shù)值越高越合乎需求。
表Ⅳ 疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)是最能反映材料在使用中抵抗腐蝕斷裂能力的試驗(yàn)室試驗(yàn)(Yeske，R.，“吸輥用合金的腐蝕疲勞試驗(yàn)”，TPPI期刊，1988年3月；Yeske，R.，Revall，M.，Thompson，C.，“雙相不銹鋼在吸輥應(yīng)用中的腐蝕斷裂”，TAPPI期刊，1994年8月；美國(guó)金屬學(xué)會(huì)國(guó)際部(ASMInternational)，金屬手冊(cè)，第9版，16卷，pp.686～690)。X-11合金的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力介于75號(hào)合金和86號(hào)合金之間，后兩者都在一系列白水腐蝕介質(zhì)中具有優(yōu)良的使用性能，X-11合金也可提供優(yōu)良的使用性能。
殘余引力是在已加工圓筒的內(nèi)直徑(I.D.)處測(cè)量的。經(jīng)過(guò)緩慢爐中冷卻熱處理工序的86號(hào)合金的名義I.D.拉伸殘余應(yīng)力為24Mpa(3500psi)，經(jīng)過(guò)模內(nèi)加速熱處理的X-11合金的名義I.D.拉伸殘余應(yīng)力為52Mpa(7600psi)，而低于83Mpa(12000psi)的值均可以接受。
本發(fā)明提供唯一同時(shí)具有優(yōu)良使用性能和生產(chǎn)特性，特別是更好的機(jī)械加工性和鉆孔性的雙相不銹鋼，其優(yōu)良的生產(chǎn)特性得自于模內(nèi)加速熱處理。
權(quán)利要求
1.一種具有高點(diǎn)蝕抗力的鐵素體-奧氏體雙相鑄造不銹鋼合金，對(duì)該合金進(jìn)行模內(nèi)加速熱處理，從而控制有害的拉伸殘余應(yīng)力，同時(shí)保持良好的機(jī)械加工性、延展性和抗腐蝕能力，該合金基本上由下列重量百分比的成分組成C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的合金，其中所述的模內(nèi)加速熱處理包括控制在約260℃～約1090℃溫度之間的鑄件冷卻速率，并保持模內(nèi)合金的溫度與模外的溫度之差不超過(guò)約450℃。
3.權(quán)利要求1的合金，其中的Cr含量為約26％，Ni為約6.8％，Cu為約2.0％。
4.一種形成具有高點(diǎn)蝕抗力的鐵素體-奧氏體雙相鑄造不銹鋼合金的方法，它包括在鑄模內(nèi)對(duì)該合金進(jìn)行加速熱處理，從而控制有害的拉伸殘余應(yīng)力，同時(shí)保持良好的機(jī)械加工性、延展性和抗腐蝕能力，該合金基本上由下列重量百分比的成分組成C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
5.權(quán)利要求4的合金，其中所述的模內(nèi)加速熱處理包括控制在約260℃(500°F)～約1090℃(2000°F)溫度之間的鑄件冷卻速率，并保持鑄件內(nèi)徑處的溫度與鑄件外徑處的溫度之差不超過(guò)約250℃(450°F)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中鑄件內(nèi)部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率通過(guò)對(duì)鑄件內(nèi)部加熱進(jìn)行控制。
7.權(quán)利要求5的方法，其中鑄件內(nèi)部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率通過(guò)在鑄件各端使用絕熱手段進(jìn)行控制。
8.權(quán)利要求5的方法，其中鑄件內(nèi)部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率可通過(guò)加快鑄件的冷速進(jìn)行控制。
9.權(quán)利要求4的方法，其中對(duì)所述合金進(jìn)行加速熱處理的時(shí)間為約20小時(shí)或更少。
全文摘要
提供一種抗點(diǎn)蝕能力很高的雙相不銹鋼合金,該合金含有下列重量百分比的成分:C:0.10%和更低;Si:1.5%和更低;Mn:2.0%和更低;Cr:25.0%～27.0%;Ni:5.0%～7.5%;Cu:1.5%～3.5%;N:0.15%和更低;Mo:0.5%和更低;剩余部分基本為鐵和不可避免的雜質(zhì)。這種合金當(dāng)澆鑄后在鑄模中進(jìn)行加速熱處理時(shí),與在密閉熱處理爐中經(jīng)非常緩慢控制冷卻后的相同合金組成相比,具有顯著改善的切削加工性。
文檔編號(hào)C21D6/00GK1334356SQ01117208
公開(kāi)日2002年2月6日 申請(qǐng)日期2001年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月5日
發(fā)明者E·R·瑞安, J·C·羅杰斯 申請(qǐng)人:桑杜斯克國(guó)際公司