專利名稱：奧氏體系不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為發(fā)電用鍋爐、化學(xué)工業(yè)用設(shè)備等中的鋼管，耐熱耐壓部件的鋼板，棒鋼，鍛鋼品等而使用的奧氏體系不銹鋼，特別是涉及蠕變強(qiáng)度、蠕變斷裂延展性和熱加工性優(yōu)異的奧氏體系不銹鋼。
背景技術(shù)：
以前，在高溫環(huán)境下所使用的鍋爐或者化學(xué)設(shè)備等中使用的裝置的材料，使用的是SUS304H，SUS316H，SUS321H，SUS347H等18-8系奧氏體不銹鋼。但是，近年來，在如此的商溫環(huán)境下裝置的使用條件變得越來越來惡劣，隨之對(duì)所用材料性能的要求也變得嚴(yán)格。因此以前所使用的18-8系奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度，尤其是蠕變強(qiáng)度顯著不足。在這種情況下，提出了通過適量添加各種元素來改善奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度。
例如在專利文獻(xiàn)1～3中，通過組合添加適量較為廉價(jià)的Cu、Nb以及N，得到極大改善了高溫強(qiáng)度的奧氏體系不銹鋼。該鋼在高溫下使用時(shí)Cu在奧氏體母相中整合(coherently)析出、同時(shí)Nb以NbCrN復(fù)合氮化物的形式析出。由于這些析出物具有非常有效地破壞錯(cuò)位移動(dòng)的作用，因而可以提高奧氏體系不銹鋼的高溫強(qiáng)度。
但是，例如在火力發(fā)電用鍋爐領(lǐng)域，最近正在推行將蒸汽溫度提高到650℃～700℃的計(jì)劃(此時(shí)使用部件的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過700℃)等。在上述專利文獻(xiàn)1～3中所提出的奧氏體系不銹鋼其各種性能并不是很好。即這些添加了Cu、Nb、N的鋼，作為可耐于最近所要求的高溫高壓使用環(huán)境的材料是不夠理想，其高溫強(qiáng)度以及耐腐蝕性不足，存在尤其是在800℃以上的高溫下經(jīng)長時(shí)間使用后其韌性不是很好的問題。進(jìn)一步，與以前的18-8系奧氏體不銹鋼相比，添加Cu、Nb、N鋼的熱加工性能差，希望其可以盡快得到改善。
作為熱加工性能得到一定程度改善的鋼，例如專利文獻(xiàn)4中提出了通過加入Mg、Y、La、Ce、Nd中的一種以上金屬，得到提高了熱加工性能的鋼，在專利文獻(xiàn)5以及6中提出了，通過控制P、S量，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)Cu、S的含量加入適量的Mn、Mg、Ca或者Y、La、Ce、Nd，得到熱加工性能提高的鋼。另外在專利文獻(xiàn)7中，公開了除了控制S0.001％以下，O0.005％以下之外加入B，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)S、O的含量加入適量的Mg或者Ca，利用滿乃斯曼-芯棒式無縫管軋機(jī)方式等熱壓延制管法制得改善了制管性的鋼。
但是這些鋼中的任何一種均沒有很好地改善熱加工性能，尤其是沒有很好地改善在1200℃以上高溫下的加工性。一般在利用熱加工性能差的材料制造無接頭管時(shí)，較多的是利用熱擠出法制管，但由于加工產(chǎn)生的熱，材料內(nèi)部的溫度相對(duì)于加熱溫度進(jìn)一步上升，因此如果在1200℃以上的加工性不充分，會(huì)斷成兩截或者產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。在滿乃斯曼-芯棒式無縫管軋機(jī)方式等的由穿孔機(jī)進(jìn)行的穿孔工序中也一樣。
專利文獻(xiàn)1特許第2137555號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開平7-138708號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開平8-13102號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4特開平9-195005號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5特開2000-73145號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6特開2000-328198號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7特開2001-49400號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述所存在的問題，目的在于提供一種可以提高奧氏體系不銹鋼的蠕變強(qiáng)度以及蠕變斷裂延展性，同時(shí)可以顯著改善其熱加工性能尤其是改善在1200℃以上的高溫延展性的鋼。
本發(fā)明人為了實(shí)現(xiàn)該目的進(jìn)行專心研究，得到如下發(fā)現(xiàn)。
(a)為了提高蠕變強(qiáng)度，以組合添加有Cu、Nb以及N的奧氏體不銹鋼作為基礎(chǔ)材料比較有效。
(b)根據(jù)Cu的含量可以適當(dāng)?shù)乜刂芇以及O含量，對(duì)于顯著提高破裂延展性以及熱加工性能、尤其是在1200℃以上的高溫延展性很有效。
(c)根據(jù)N的含量，來控制Al的含量，可以有效地改善蠕變強(qiáng)度。
(d)添加V不僅可以有效改善蠕變強(qiáng)度，尤其可以有效改善在800℃以上的高溫下經(jīng)長時(shí)間使用后的韌性。
本發(fā)明就是在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上完成的，本發(fā)明的要點(diǎn)在于下述的奧氏體系不銹鋼。
一種奧氏體系不銹鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)，含有C超過0.05％小于0.15％，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04以下，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，sol.Al0.001～0.1％，N超過0.05％且0.3％以下以及O0.006％以下，余量為Fe以及雜質(zhì)，而且滿足式(1)到(3)。其中(1)～(3)式中各元素記號(hào)是指各元素的含量(質(zhì)量％)。
P≤1/(11×Cu) …(1)Sol.Al≤0.4×N …(2)O≤1/(60×Cu) …(3)另外，上述的奧氏體系不銹鋼，代替一部分Fe，也可以含有從第一組元素(Co0.05～5％，Mo0.05～5％，W0.05～10％，Ti0.002～0.2％，B0.0005～0.05％，Zr0.0005～0.2％，Hf0.0005～1％，Ta0.01～8％，Re0.01～8％，Ir0.01～5％，Pd0.01～5％，Pt0.01～5％以及Ag0.01～5％)中選出的一種以上，和/或從第二組元素(Mg0.0005～0.05％，Ca0.0005～0.05％，Y0.0005～0.5％，La0.0005～0.5％，Ce0.0005～0.5％，Nd0.0005～0.5％以及Sc0.0005～0.5％)中選出的一種以上。但是在含有Mo以及W的時(shí)候，必須滿足下式(4)。
Mo+(W/2)≤5 …(4)具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明奧氏體系不銹鋼的化學(xué)組成的范圍以及其限定理由進(jìn)行說明。另外下面說明中所述的各元素含量“％”均指“質(zhì)量％”。
1、本發(fā)明鋼的化學(xué)組成C超過0.05％且0.15％以下C為在高溫環(huán)境下使用所必須的而且是確保拉伸強(qiáng)度以及蠕變強(qiáng)度的有效且重要的元素。但是C的含量在0.05％以下時(shí)不能很好地發(fā)揮其效果。另一方面當(dāng)其含量超過0.15％時(shí)，在固溶狀態(tài)下由于只增加未固溶碳化合物的量，因而不但不會(huì)提高其高溫強(qiáng)度而且還會(huì)破壞韌性等機(jī)械性能以及焊接性能。因此，C的含量設(shè)定為超過0.05％且在0.15％以下。另外，對(duì)于C的含量優(yōu)選的是在0.13％以下，最優(yōu)選的是在0.11％以下。
Si2％以下加入的Si是作為脫氧元素，另外也是提高抗氧化性·耐水蒸汽氧化性等的有效元素。但當(dāng)Si含量超過2％時(shí)會(huì)促進(jìn)σ相等金屬間化合物相的析出以及大量氮化物的析出，在高溫下由于會(huì)破壞組織的穩(wěn)定性，因此會(huì)引起韌性以及延展性的下降。另外焊接性以及熱加工性能也會(huì)下降。因此Si的含量設(shè)定在2％以下。在注重韌性以及延展性時(shí)優(yōu)選的是在1％以下，更為優(yōu)選的是在0.5％以下。在用其他元素可以很好地進(jìn)行脫氧時(shí)也可以不加Si，在注重脫氧作用、抗氧化性、耐水蒸氣氧化性等時(shí)，較好的是含有0.05％以上的Si。最優(yōu)選的Si含量是在0.1％以上。
Mn0.1～3％Mn與Si同樣具有鋼液的脫氧作用，同時(shí)可以使鋼中所不可避免存在的S作為硫化合物固著，從而改善熱加工性能。為了可以很好地得到這些效果Mn含量必須在0.1％以上。但當(dāng)其含量超過3％時(shí)，會(huì)助長σ相等金屬間化合物相的析出，從而使組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度以及機(jī)械性能劣化。因此Mn的含量為0.1～3％。Mn含量優(yōu)選的為0.2～2％，最為優(yōu)選的為0.2～1.5％。
P0.04％以下P為鋼中所不可避免含有的雜質(zhì)，會(huì)使熱加工性能顯著下降。因此規(guī)定其含量在0.04％以下。尤其由于與Cu之間的相互作用使得蠕變斷裂延展性、熱加工性能、尤其是1200℃以上的高溫延展性進(jìn)一步降低，因此P的含量與Cu含量之間的關(guān)系必須滿足下式(1)所示的范圍。
P≤1/(11×Cu) …(1)S0.01％以下S與P一樣是一種會(huì)顯著降低熱加工性能的雜質(zhì)，也是提高切削性以及焊接性的有效元素。從防止熱加工性能降低的觀點(diǎn)來說希望S的含量盡可能少，在本發(fā)明的鋼中根據(jù)Cu的含量可以適當(dāng)調(diào)節(jié)P含量以及O含量等，可以改善其熱加工性能。因此，S含量允許到0.01％。特別地在必須重視熱加工性能時(shí)在0.005％以下，進(jìn)一步希望是在0.003％以下。
Cr大于20％小于28％Cr是確保抗氧化性、耐水蒸汽氧化性、耐高溫腐蝕性等的重要元素，同時(shí)也是形成Cr類碳氮化物從而賦予鋼強(qiáng)度的元素。但是若要滿足在650～700℃以上的高溫環(huán)境下所必須具備的耐腐蝕性以及高溫強(qiáng)度，18-8系奧氏體不銹鋼尚不能滿足要求，必須要添加超過20％的Cr。雖然Cr含量越多耐腐蝕性越強(qiáng)，但是含量在28％以上時(shí)奧氏體組織不穩(wěn)定，較易生成σ相等金屬間化合物、α-Cr相，從而損害韌性以及高溫強(qiáng)度。因此Cr含量超過20％但小于28％。
Ni超過15％且55％以下Ni是確保穩(wěn)定的奧氏體組織的必要元素，但其最合適的含量要根據(jù)鋼中所含的Cr、Mo、W、Nb等鐵素體生成元素以及C、N等奧氏體生成元素的含量而定。如上所述本發(fā)明的鋼中必須含超過20％的Cr，相對(duì)Cr的含量當(dāng)Ni含量在15％以下時(shí)奧氏體單相組織化較困難。另外，在這種情況下，經(jīng)過較長時(shí)間后奧氏體組織變得不穩(wěn)定會(huì)析出σ相等的脆化相，從而會(huì)使高溫強(qiáng)度、韌性明顯劣化，因此不能用作耐熱耐壓部件。但當(dāng)Ni含量超過55％時(shí)其效果達(dá)到飽和因而不經(jīng)濟(jì)。因此Ni含量超過15％但在55％以下。
Cu超過2％但6％以下
Cu在高溫下使用時(shí)會(huì)形成細(xì)微的Cu相從奧氏體母相中整合析出，是可大幅提升蠕變強(qiáng)度的最重要且特性元素之一。為了發(fā)揮效果，其含量必須超過2％。但是Cu含量超過6％時(shí)，蠕變強(qiáng)度的上升效果不僅達(dá)到飽和而且會(huì)使蠕變斷裂延展性以及熱加工性能下降。因此Cu含量超過2％但在6％以下。優(yōu)選的含量范圍為2.5～4％。
Nb0.1～0.8％Nb可以形成細(xì)微的NbCrN等碳氮化合物，在提高蠕變斷裂強(qiáng)度的同時(shí)可以抑制在最終加工后固溶熱處理時(shí)的粗?；?，也有助于提高蠕變斷裂延展性，與Cu以及N一起均為重要的元素。但是其含量在小于0.1％時(shí)得不到很好的效果，在超過0.8％時(shí)隨著焊接性以及未固溶氮化物的增加不但會(huì)使機(jī)械性能劣化，而且會(huì)使熱加工性能尤其是在1200℃以上的高溫延展性顯著下降。因此，Nb含量設(shè)定在0.1～0.8％。Nb的優(yōu)選含量范圍為0.2～0.6％。
V0.02～1.5％已知V是一種可以形成(Nb，V)CrN、V(C，N)等碳氮化物，可以提高高溫強(qiáng)度以及蠕變強(qiáng)度的有效元素，但在本發(fā)明中添加Nb是除為了提高高溫強(qiáng)度之外，同時(shí)也是為了提高特別是在800℃以上高溫下經(jīng)長時(shí)間使用后的韌性。如本發(fā)明在含Cu的鋼中，V的提高高溫強(qiáng)度、韌性的效果被認(rèn)為是，V促進(jìn)Cu相的細(xì)微析出、有助于抑制其粗大化以及抑制晶粒邊界M23C6粗大化，同時(shí)在晶粒邊界上作為V(C，N)析出、提高晶粒邊界覆蓋率等。但是在V的含量小于0.02％時(shí)得不到上述效果，超過1.5％時(shí)由于耐高溫腐蝕性以及脆化相的析出會(huì)引起延展性、韌性的惡化。因此V的含量設(shè)定在0.02～1.5％。優(yōu)選的范圍是0.04～1％。
Sol.Al(酸可溶性Al)0.001～0.1％添加Sol.Al元素作為鋼液的脫氧劑，在本發(fā)明中根據(jù)N含量，嚴(yán)格規(guī)定Sol.Al含量。為了發(fā)揮其效果含量必須在0.001％以上。但是當(dāng)其含量超過0.1％時(shí)，在高溫下使用時(shí)會(huì)促進(jìn)σ相等金屬間化合物的析出，使韌性、延展性、高溫強(qiáng)度降低。因此Sol.Al含量設(shè)定在0.001～0.1％。優(yōu)選Sol.Al的含量是在0.005～0.05％，更為優(yōu)選的是在0.01～0.03％。
此外，根據(jù)N的含量必須把Sol.Al的含量規(guī)定在滿足下式(2)所示的范圍。這樣，可以抑制N作為不賦予高溫強(qiáng)度的AlN而被消耗，從而充分確保可有效提高高溫強(qiáng)度的(Nb，V)CrN復(fù)合氮化物的析出量。
Sol.Al≤0.4×N …(2)N超過0.05％且0.3％以下N元素是代替一部分高價(jià)Ni而可有效地確保奧氏體組織穩(wěn)定性的元素，作為侵入型固溶元素有助于固溶強(qiáng)化，從而有效提高拉伸強(qiáng)度。此外，N可以形成細(xì)微的NbCrN等氮化物，通過提高高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度以及抑制粗粒化，確保蠕變斷裂延展性，是與Cu、Nb一樣不可或缺的最重要的元素之一。為了發(fā)揮其效果含量必須超過0.05％。但是當(dāng)N含量超過0.3％時(shí)會(huì)增加未固溶的氮化物，在高溫下使用的過程中會(huì)析出大量的氮化物，因此會(huì)損害延展性、韌性以及焊接性。因此，N的含量是超過0.05％且在0.3％以下。優(yōu)選的范圍為0.06～0.27％。
O0.006％以下O元素是作為雜質(zhì)，在鋼中不可避免地含有的元素，會(huì)明顯降低鋼的熱加工性能。特別是在含有Cu的本發(fā)明的鋼中，由于O與Cu之間的相互作用會(huì)使蠕變斷裂延展性以及熱加工性能、尤其使在1200℃以上的高溫延展性進(jìn)一步降低，因此對(duì)O的含量進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定非常重要。因此規(guī)定O含量在0.006％以下，而且與Cu含量的關(guān)系必須滿足下式(3)。
O≤1/(60×Cu)…(3)本發(fā)明的一種奧氏體系不銹鋼，是具有上述化學(xué)組成、其余為Fe以及雜質(zhì)的鋼。另外，本發(fā)明的另外一種奧氏體系不銹鋼，代替一部分Fe，含有從第一組元素(Co0.05～5％，Mo0.05～5％，W0.05～10％，Ti0.002～0.2％，B0.0005～0.05％，Zr0.0005～0.2％，Hf0.0005～1％，Ta0.01～8％，Re0.01～8％，Ir0.01～5％，Pd0.01～5％，Pt0.01～5％以及Ag0.01～5％)中選出的一種以上。含該第一組元素的鋼，為高溫強(qiáng)度更加良好的的鋼。下面說明這些元素的范圍以及其限定原因。
Co0.05～5％在本發(fā)明的鋼中也可以添加Co，其同Ni一樣是穩(wěn)定奧氏體組織、有助于提高蠕變強(qiáng)度的重要元素。但是在含量小于0.05時(shí)產(chǎn)生不了效果，而當(dāng)含量超過5％時(shí)效果已經(jīng)達(dá)到飽和因而不經(jīng)濟(jì)。因此，在含Co時(shí)，其含量較理想的是在0.05～5％。
Mo0.05～5％，W0.05～10％Mo以及W元素由于可以有效提高高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度，因此也可以加入到本發(fā)明的鋼中。其中任何一種元素的含量在0.05％以上時(shí)可以明顯得到上述效果。但是當(dāng)Mo的含量超過5％時(shí)或者W含量超過10％時(shí)，強(qiáng)度的提高效果達(dá)到了飽和同時(shí)還會(huì)劣化組織穩(wěn)定性、熱加工性能。因此，含有這些元素時(shí)，其含量的上限，單獨(dú)含Mo時(shí)為5％，單獨(dú)含W時(shí)為10％，在組合添加Mo以及W時(shí)，其含量希望滿足下式(4)。
Mo+(W/2)≤5 …(4)Ti0.002～0.2％由于Ti元素可以形成碳氮化物從而可以提高高溫強(qiáng)度，因此也可以加入到本發(fā)明的鋼中。要明顯地得到其效果含量要在0.002％以上，但當(dāng)其含量過剩時(shí)，擔(dān)心由于未固溶氮化物會(huì)使機(jī)械性能下降或者由于微細(xì)氮化物減小會(huì)使高溫強(qiáng)度下降。因此在含Ti時(shí)其含量希望在0.002～0.2％。
B0.0005～0.05％B以碳氮化合物或者以B單體的形式存在于晶粒邊界中，在高溫使用過程中會(huì)促進(jìn)碳氮化合物的細(xì)微分散析出，通過強(qiáng)化晶粒邊界從而抑制晶粒邊界滑動(dòng)以此來改善蠕變強(qiáng)度。當(dāng)含量在0.0005％以上時(shí)其效果尤其顯著，但當(dāng)含量超過0.05％時(shí)會(huì)使焊接性惡化。因此在含B時(shí)其含量優(yōu)選的是在0.0005～0.05％，更為優(yōu)選的是在0.001～0.01％。B含量最好是在0.001～0.05％之間。
Zr0.0005～0.2％元素Zr有助于晶粒邊界的強(qiáng)化從而提高高溫強(qiáng)度以及蠕變強(qiáng)度的同時(shí)，固著S從而改善熱加工性能。當(dāng)Zr含量在0.0005％以上時(shí)效果非常顯著，但當(dāng)其含量超過0.2％時(shí)會(huì)惡化延展性、韌性等機(jī)械性能。因此，在含有Zr時(shí)其含量優(yōu)選的是在0.0005～0.2％，更為優(yōu)選的是在0.01～0.1％。Zr含量最好是在0.01～0.05％。
Hf0.0005～1％Hf是主要有助于強(qiáng)化晶粒邊界提高蠕變強(qiáng)度的元素。當(dāng)其含量在0.005％以上時(shí)效果非常顯著，但當(dāng)其含量超過1％時(shí)會(huì)損害加工性以及焊接性。因此在含Hf時(shí)，其含量優(yōu)選的是在0.005～1％。更為優(yōu)選的是在0.01～0.8％，最為優(yōu)選的是在0.02～0.5％。
Ta0.01～8％Ta在形成碳氮化合物的同時(shí)作為固溶強(qiáng)化元素可以提高高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度。當(dāng)含量在0.01％以上時(shí)這些效果尤其顯著，但是當(dāng)含量超過8％時(shí)會(huì)損害加工性能以及機(jī)械性能。因此在含Ta時(shí)其含量優(yōu)選是在0.01～8％。進(jìn)一步優(yōu)選的是在0.1～7％，最為優(yōu)選的是在0.5～6％。
Re0.01～8％Re主要作為固溶強(qiáng)化元素提高高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度。Re的含量在0.01％時(shí)其效果顯著，但當(dāng)其含量超過8％時(shí)會(huì)損害其加工性能以及機(jī)械性質(zhì)。因此，在含Re的情況下，其含量優(yōu)選的是在0.01～8％。更為優(yōu)選的是在0.1～7％，最為優(yōu)選的是在0.5～6％。
Ir、Pd、Pt、Ag0.01～5％Ir、Pd、Pt以及Ag在奧氏體母相中固溶，有助于固溶強(qiáng)化，同時(shí)還改變奧氏體母相的晶格參數(shù)，從而提高在母相中整合析出的Cu相的長時(shí)間穩(wěn)定性。另外，根據(jù)添加量其一部分形成細(xì)微金屬間化合物，提高高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度。當(dāng)這些元素的含量在0.01％以上時(shí)效果顯著，但是當(dāng)含量超過5％時(shí)會(huì)損害加工性能以及機(jī)械性能而經(jīng)濟(jì)性也下降。因此在含這些元素時(shí)其含量優(yōu)選的是在0.01～5％。進(jìn)一步優(yōu)選的是在0.05～4％，最為優(yōu)選的是在0.1～3％。
本發(fā)明的另外一種奧氏體系不銹鋼，具有上述化學(xué)組成，并代替一部分Fe，含有從第二組元素(Mg0.0005～0.05％，Ca0.0005～0.05％，Y0.0005～0.5％，La0.0005～0.5％，Ce0.0005～0.5％，Nd0.0005～0.5％以及Sc0.0005～0.5％)中的一種以上。含第二組元素的鋼，具有更加良好的熱加工性能。下面，說明這些元素的范圍以及限定理由。
Mg0.0005～0.05％，Ca0.0005～0.05％Mg以及Ca的任何一種均可以把會(huì)阻礙熱加工性能的S以硫化物固著，從而可以有效地改善鋼的熱加工性能。任何一種元素的含量在0.0005％以上時(shí)，上述效果較為顯著，但當(dāng)其含量超過0.05％時(shí)，會(huì)損害鋼質(zhì)，而且會(huì)降低熱加工性能、延展性。因此在含Mg和/或Ca時(shí)，其中任何一種元素的含量優(yōu)選的是在0.0005～0.05％，更為優(yōu)選的是在0.001～0.02％。最為優(yōu)選的是在0.001～0.01％。
Y、La、Ce、Nd、Sc0.0005～0.5％Y、La、Ce、Nd以及Sc的任何一種均可以使S以硫化物形式固著，改善鋼的熱加工性能，同時(shí)改善鋼表面的Cr2O3保護(hù)膜的密合性，尤其改善在反復(fù)進(jìn)行氧化時(shí)的抗氧化性。另外，這些元素也有助于晶粒邊界的強(qiáng)化因而可以提高蠕變斷裂強(qiáng)度、蠕變斷裂延展性。任何一種元素的含量在0.0005％以上時(shí)上述效果顯著。但是，當(dāng)這些元素的含量超過0.5％時(shí)，氧化物等夾雜物變多，會(huì)損害加工性能、焊接性。因此，在含有這些元素時(shí)任何一種元素的含量優(yōu)選的是在0.0005～0.5％，更為優(yōu)選的是在0.001～0.3％。最為優(yōu)選的是在0.002～0.15％。
在上述規(guī)定了成分的本發(fā)明鋼，可以廣泛適用于要求高溫強(qiáng)度以及耐腐蝕性的鋼管、鋼板、棒鋼、鍛鋼品等用途中。
2.本發(fā)明鋼的析出物如果具有以上化學(xué)組成，并調(diào)整制造方法，在高溫下使用本發(fā)明的鋼時(shí)會(huì)析出(Nb，V)CrN復(fù)合氮化物以及在晶粒邊界上析出V(C，N)碳氮化合物。這些析出物，會(huì)改善本發(fā)明鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度、蠕變斷裂延展性以及在800℃以上高溫下長時(shí)間使用后的韌性。以面密度計(jì)當(dāng)(Nb，V)CrN復(fù)合氮化物的析出量在4個(gè)/μm2以上、V(C，N)碳氮化合物的析出量在8個(gè)/μm2以上時(shí)，這些效果很顯著，因此在高溫下使用時(shí)希望它們可以在該范圍內(nèi)析出。析出的(Nb，V)CrN氮化物主要呈方形或者珠狀，析出的V(C，N)碳氮化合物主要呈球狀或者圓盤狀。尤其是V(C，N)碳氮化合物的場合，如果尺寸過大，會(huì)降低位錯(cuò)(dislocation)的粘著力，因此希望析出的直徑大小在50nm以下。
這里，(Nb，V)CrN復(fù)合氮化物是也被稱作Z相均復(fù)合氮化物，其結(jié)晶構(gòu)造為正方形，在單位晶格內(nèi)存在的(Nb，V)、Cr以及N的比例為1∶1∶1。另外V(C，N)氮碳化合物，形成NaCl型的立方形晶體碳化物(VC)或者立方形晶體氮化物(VN)，或者碳原子與氮原子一部分相互置換形成立方形晶體碳氮化合物。該碳化物以及氮化物具有如下結(jié)晶構(gòu)造金屬原子致密堆迭形成面心立方晶格，而C原子或者N原子占據(jù)八面體晶格間位置。
另外，可以使用透過電子顯微鏡在10000倍以上觀察組織，測定這些析出物的析出量，也可以通過計(jì)數(shù)由電子衍射圖區(qū)分開來的各種析出物得到。優(yōu)選在5視場以上進(jìn)行觀察。
3、本發(fā)明鋼的制造方法在制造本發(fā)明的鋼時(shí)優(yōu)選使用如下的方法。
首先，將具有上述化學(xué)組成的鋼塊熔煉之后，直接鑄造或者鍛造、分解壓延形成鋼坯，進(jìn)行熱擠出或者熱壓延等熱加工。熱加工前的加熱溫度較為理想的是在1160℃以上、1250℃以下。熱加工的結(jié)束溫度理想的是在1150℃以上，加工結(jié)束后為了抑制粗大碳氮化合物的析出，較好的是以0.25℃/秒(到50℃)以上的極快冷卻速度下進(jìn)行冷卻。
在熱加工結(jié)束之后，可以進(jìn)行最終熱處理，根據(jù)需要也可以進(jìn)行冷加工。在冷加工前必須進(jìn)行中途熱處理，使碳氮化合物固溶，較好的是在熱加工前的加熱溫度或者熱加工結(jié)束溫度中較低一方以上的溫度下進(jìn)行。冷加工優(yōu)選的是賦予其10％以上的應(yīng)變，另外也可以進(jìn)行兩次以上的冷加工。
最終產(chǎn)品熱處理的溫度在1170～1300℃的范圍內(nèi)，優(yōu)選的是在比熱加工結(jié)束溫度或者上述中途熱處理溫度高10℃以上的溫度下進(jìn)行。從耐腐蝕性方面考慮，本發(fā)明的鋼未必要制成細(xì)粒鋼，但制成細(xì)粒鋼時(shí)可以在比熱加工結(jié)束溫度或者上述中途熱處理溫度低10℃以上的溫度下進(jìn)行最終熱處理。為了抑制粗大碳氮化合物的析出，較好的是以0.25℃/秒(到50℃)以上的極快冷卻速度下進(jìn)行冷卻。
在注重蠕變斷裂延展性時(shí)，可以使用組成被調(diào)整為Nb以及Cu的含量比[Nb/Cu]達(dá)到0.05～0.2的鋼，調(diào)整熱處理溫度以及冷卻速度，使最終熱處理后的未固溶Nb量在0.04×Cu～0.085×Cu(質(zhì)量％)的范圍內(nèi)。
實(shí)施例在高頻真空熔解爐中，將具有表1以及表2所示化學(xué)組成的鋼熔煉，制成外徑180mm的50kg鋼錠。另外表中1～38為本發(fā)明的鋼，A～O為比較鋼。
表1

注″Al″是指sol.Al(酸可溶性Al)″P上限、″Al上限″以及″O上限″各自為由式(1)、式(2)以及式(3)所得的值。
表2

注″Al″是指sol.Al(酸可溶性Al)?！錚上限、″Al上限″以及″O上限″各自為由式(1)、式(2)以及式(3)所得的值。
″*″是指超出本發(fā)明規(guī)定的范圍。
利用下述方法由得到的鋼錠制造各種試驗(yàn)片。作為用來評(píng)價(jià)高溫延展性的試樣，通過熱鍛造將上述鋼錠制成厚度40mm的鋼板后、通過機(jī)械加工制成圓棒拉伸試驗(yàn)片(直徑10mm，長130mm)。作為供給蠕變斷裂實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)片，是通過熱鍛造將上述的鋼錠制成厚15mm的板材，經(jīng)軟化熱處理后，冷壓延至10mm，在1230℃保持15分鐘后，經(jīng)水冷的材料通過機(jī)械加工制得圓棒試驗(yàn)片(直徑6mm，標(biāo)距30mm)。另外，本發(fā)明的鋼7與鋼8以及比較鋼J與K，是將經(jīng)水冷的材料在800℃經(jīng)過3000小時(shí)的時(shí)效后，作為用來評(píng)價(jià)其韌性的試驗(yàn)片，每個(gè)條件下制作兩個(gè)V型缺口(notch)試樣(厚5mm×寬10mm×長55mm，缺口高2mm)。
高溫延展性，是使用上述的圓棒拉伸試驗(yàn)片(直徑10mm、長度130mm)，加熱至1220℃后保持3分鐘，進(jìn)行應(yīng)變速度為5/sec的高速拉伸試驗(yàn)，從試驗(yàn)后的斷裂面求得拉深率。當(dāng)該溫度下的拉深率在60％以上時(shí)，可知在進(jìn)行熱擠出等熱加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生特別大的問題，以拉深率在60％以上作為良好熱加工性能的判斷基準(zhǔn)。
蠕變斷裂強(qiáng)度，是使用上述的圓棒試驗(yàn)片(直徑6mm，標(biāo)距30mm)，在750℃以及800℃的大氣中進(jìn)行蠕變斷裂實(shí)驗(yàn)，把得到的斷裂強(qiáng)度利用拉森－密勒參數(shù)(Larson Miller parameter)法回歸后求得750℃、105h的斷裂強(qiáng)度。另外，蠕變斷裂延伸率，是利用上述圓棒試驗(yàn)片(直徑6mm，標(biāo)距30mm)，在750℃下施加130MPa負(fù)荷進(jìn)行蠕變斷裂實(shí)驗(yàn)，測定其斷裂延伸率。
時(shí)效后的韌性，是使用上述由在800℃下經(jīng)過3000小時(shí)時(shí)效后的材料制得的V型缺口試驗(yàn)片(厚5mm×寬10mm×長55mm，缺口高2mm)，將各試驗(yàn)片冷卻到0℃以后進(jìn)行擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)，求得兩個(gè)試驗(yàn)片的平均值作為沖擊值。
本發(fā)明鋼析出物的析出量是按照以下方法測定，即，由在750℃溫度下負(fù)載了130MPa負(fù)荷的蠕變斷裂材料的平行部分采取試驗(yàn)片，使用透過顯微鏡在10000倍以上觀察組織，根據(jù)電子線衍射圖計(jì)數(shù)區(qū)分開來的各種析出物。在5視場下進(jìn)行觀察，其平均值作為析出量。
得到的結(jié)果如表3以及表4所示。
表3

表4

如表3以及表4所示，比較鋼A～C任何一種，其P含量均超過式(1)所規(guī)定的范圍。特別對(duì)于比較鋼A以及B，除了P之外的化學(xué)組成幾乎與本發(fā)明鋼1以及2相同，比較鋼C的P含量幾乎與本發(fā)明鋼2相同，但是任何一種比較鋼其拉深值以及蠕變斷裂延伸率值均比較低。因此，這些比較鋼的蠕變斷裂延展性以及熱加工性能都不是很好。
對(duì)于比較鋼D以及E任何一種，其O含量均超過式(3)所規(guī)定的范圍，尤其是比較鋼E，除了O以外其它化學(xué)組成與本發(fā)明鋼4幾乎相同，但是其拉深值以及蠕變斷裂延伸率值均較低。因此對(duì)于這些比較鋼其蠕變斷裂延伸性以及熱加工性能也都不是很好。
在比較鋼G～I(xiàn)中的任何一種，其sol.Al含量并沒有滿足式(2)所規(guī)定的范圍，除了sol.Al之外其它化學(xué)組成幾乎與本發(fā)明鋼5以及6相同，但是其蠕變斷裂強(qiáng)度值較低。
比較鋼J、K以及L中的任何一種，其V的含量在本發(fā)明規(guī)定的范圍以下，除了V之外其它化學(xué)組成與本發(fā)明鋼7以及8幾乎相同，但是其蠕變斷裂強(qiáng)度值較低。另外比較例J以及K的擺錘式?jīng)_擊值比本發(fā)明例7以及8的要低，由此可見，在不加V時(shí)，時(shí)效后的韌性顯著下降。另外比較例L為專利文獻(xiàn)7中所公開的范圍內(nèi)的鋼。
比較鋼M、N以及O，其各自的Cu含量、C含量以及N含量均在本發(fā)明規(guī)定的范圍以下，其他化學(xué)組成分別與本發(fā)明的鋼10、11以及12幾乎相同。這些比較例的蠕變斷裂強(qiáng)度與本發(fā)明相比也較差。
另一方面，本發(fā)明鋼1～8、12以及38，其蠕變斷裂強(qiáng)度、蠕變斷裂延展性、熱加工性能任何一樣均良好。另外，含有第一組元素和/或第二組元素中的一種以上的本發(fā)明鋼9～11以及13～37，其熱加工性能、蠕變斷裂強(qiáng)度均得到進(jìn)一步改善。
利用本發(fā)明，通過組合添加Cu、Nb以及N，可以得到具有優(yōu)良高溫強(qiáng)度的奧氏體系不銹鋼，可以極大地改善熱加工性能以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高強(qiáng)度化，提高在高溫下經(jīng)長時(shí)間使用后的韌性，作為650℃～700℃以上高溫下的耐熱耐壓部件，有助于設(shè)備高效率化等，同時(shí)還可以削減制造成本且其波及效果也極大。
權(quán)利要求
1.一種奧氏體系不銹鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有C超過0.05％且0.15％以下，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04％以下，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，sol.Al0.001～0.1％，N超過0.05％且0.3％以下，以及O0.006％以下，余量為Fe以及雜質(zhì)，而且滿足式(1)到(3)，其中(1)～(3)式中各元素記號(hào)是指該元素的含量(質(zhì)量％)，P≤1/(11×Cu) …(1)Sol.Al≤0.4×N …(2)O≤1/(60×Cu) …(3)。
2.一種奧氏體系不銹鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有C超過0.05％且0.15％以下，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04％以下，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，sol.Al0.001～0.1％，N超過0.05％且0.3％以下，以及O0.006％以下，進(jìn)一步含有Co0.05～5％，Mo0.05～5％，W0.05～10％，Ti0.002～0.2％，B0.0005～0.05％，Zr0.0005～0.2％，Hf0.0005～1％，Ta0.01～8％，Re0.01～8％，Ir0.01～5％，Pd0.01～5％，Pt0.01～5％以及Ag0.01～5％中的一種以上，余量為Fe以及雜質(zhì)，而且滿足式(1)到(4)，其中(1)～(4)式中各元素記號(hào)是指該元素的含量(質(zhì)量％)，P≤1/(11×Cu) …(1)Sol.Al≤0.4×N …(2)O≤1/(60×Cu) …(3)Mo+(W/2)≤5 …(4)。
3.一種奧氏體系不銹鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有C超過0.05％且0.15％以下，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04％以下，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，sol.Al0.001～0.1％，N超過0.05％且0.3％以下，以及O0.006％以下，進(jìn)一步含有Mg0.0005～0.05％，Ca0.0005～0.05％，Y0.0005～0.5％，La0.0005～0.5％，Ce0.0005～0.5％，Nd0.0005～0.5％以及Sc0.0005～0.5％中的一種以上，余量為Fe以及雜質(zhì)，而且滿足式(1)到(3)，其中(1)～(4)式中各元素記號(hào)是指該元素的含量(質(zhì)量％)，P≤1/(11×Cu) …(1)Sol.Al≤0.4×N…(2)O≤1/(60×Cu) …(3)。
4.一種奧氏體系不銹鋼，其特征在于以質(zhì)量％計(jì)，含有C超過0.05％且0.15％以下，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04％以下，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，sol.Al0.001～0.1％，N超過0.05％且0.3％以下，以及O0.006％以下，進(jìn)一步含有Co0.05～5％，Mo0.05～5％，W0.05～10％，Ti0.002～0.2％，B0.0005～0.05％，Zr0.0005～0.2％，Hf0.0005～1％，Ta0.01～8％，Re0.01～8％，Ir0.01～5％，Pd0.01～5％，Pt0.01～5％，以及Ag0.01～5％中的一種以上，以及含有Mg0.0005～0.05％，Ca0.0005～0.05％，Y0.0005～0.5％，La0.0005～0.5％，Ce0.0005～0.5％，Nd0.0005～0.5％以及Sc0.0005～0.5％中的一種以上，余量為Fe以及雜質(zhì)，而且滿足式(1)到(4)，其中(1)～(4)式中各元素記號(hào)是指該元素的含量(質(zhì)量％)，P≤1/(11×Cu) …(1)Sol.Al≤0.4×N…(2)O≤1/(60×Cu) …(3)Mo+(W/2)≤5…(4)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有良好高溫強(qiáng)度、高溫延展性以及熱加工性能的奧氏體不銹鋼，以質(zhì)量％計(jì)，由如下組分組成，C超過0.05％且0.15％以下，Si2％以下，Mn0.1～3％，P0.04％以下〔P≤1/(11×Cu)〕，S0.01％以下，Cr超過20％小于28％，Ni超過15％且55％以下，Cu超過2％且6％以下，Nb0.1～0.8％，V0.02％～1.5％，Sol.Al0.001～0.1％〔Sol.Al≤0.4×N〕，N超過0.05％且0.3％以下，以及O0.006％〔O≤1/(60×Cu)〕以下，余量為Fe以及雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C38/44GK1540026SQ20041003511
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者仙波潤之, 五十嵐正晃, 正 晃 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社