專利名稱：析出硬化馬氏體不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及析出硬化不銹鉻鎳鋼，更具體地涉及可利用相當(dāng)簡單的合金處理進行硬化的不銹鉻鎳鋼。更加具體地，本公開涉及析出硬化不銹鉻鎳鋼，其在低溫時硬化并當(dāng)進行鉆削、車削、銑削及其他切削操作時具有好的可加工性。
背景技術(shù)：
析出硬化馬氏體不銹鋼例如用于各種高強度的應(yīng)用中，諸如彈簧、外科針、夾針、細管、儀器部分和易于磨損的部分。為了作為這種高強度應(yīng)用的令人滿意的材料選擇，需要材料具有某些特性。例如，鋼能夠通過容易的制造工藝制造，該制造工藝包括煉制合金、鑄造、熱加工以及冷加工，使得高強度材料容易通過機械切削方法制造成成品，該成品包括絲、板、帶、桿或管狀材料。
此外，盡管具有高的最終強度，材料將優(yōu)選為易延展的，并因此允許在原樣狀態(tài)中進行劇烈的變形，諸如彎曲、盤繞、壓縮、扭曲等等。除以上機械性能以外，通常還需要很好的耐腐蝕性，從而允許材料用于不同的環(huán)境，而無需考慮額外的腐蝕保護，諸如涂層或任何其他類型的表面涂層。此外，該鋼將能夠通過導(dǎo)致最小形狀干擾的簡單低溫合金處理而硬化至高的最終硬度。
目前，不同熔合原理的若干合金通過部件的無故障生產(chǎn)以及維修期間產(chǎn)品所需的特性來滿足許多上述要求。然而，在若干情況下，所需要的特性難以結(jié)合在一個單個材料中。碳鋼可依賴于它們的成分而或多或少地形成，并可利用更高的碳含量而硬化至高硬度。然而，低的耐腐蝕性使得這些鋼不能在甚至只有稍微腐蝕性的環(huán)境中使用。鐵素體鉻鋼可呈現(xiàn)好的耐腐蝕性，但不能硬化至高強度。馬氏體鉻鋼可以硬化，但是具有限制其用途的低延展性。奧氏體不銹鋼依賴于它們的成分而在退火狀態(tài)時為軟的和易延展的或者在冷卻變形狀態(tài)中為較小的延展性。在更硬的條件中，奧氏體鋼也很難用于加工。進一步的族為析出硬化不銹鋼，其可在相當(dāng)軟的狀態(tài)下形成，并隨后進行合金處理以實現(xiàn)高硬度。同樣，這種鋼的族例如相比于硬化馬氏體鋼的族更加難以加工。
因此，需要為市場提供滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的材料。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種析出硬化不銹鉻鎳鋼，其具有以下成分(重量百分數(shù))C 最大0.07Si最大1.5Mn0.2-5S 0.01-0.4Cr10-15Ni7-14Mo1-6Cu1-3Ti0.3-2.5Al0.2-1.5N 最大0.1余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的不銹鋼包括硫化鈦。
不銹鋼在低溫時硬化，并當(dāng)進行鉆削、車削、磨削及其他切削操作時具有好的可加工性。


圖1是參考合金的SEM圖片。
圖2a是利用測試點光譜1標(biāo)記的圖1的SEM圖片。
圖2b是圖2a的光譜1的EDX結(jié)果。
圖3a是利用測試點光譜2標(biāo)記的圖1的SEM圖片。
圖3b是圖3a的光譜2的EDX結(jié)果。
圖4a是利用測試點光譜3標(biāo)記的圖1的SEM圖片。
圖4b是圖4a的光譜3的EDX結(jié)果。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的合金的SEM圖片。
圖6a是利用測試點光譜1標(biāo)記的圖5的SEM圖片。
圖6b是圖6a的光譜1的EDX結(jié)果。
圖7a是利用測試點光譜2標(biāo)記的圖5的SEM圖片。
圖7b是圖7a的光譜2的EDX結(jié)果。
圖8a是利用測試點光譜3標(biāo)記的圖5的SEM圖片。
圖8b是圖8a的光譜3的EDX結(jié)果。
圖9a是利用測試點光譜4標(biāo)記的圖5的SEM圖片。
圖9b是圖4a的光譜4的EDX結(jié)果。
具體實施例方式
為了充分地了解成分對本發(fā)明析出硬化不銹鋼的特性的影響，必須分別討論所有元素。所有的元素含量都為重量百分數(shù)。
碳在許多方面是影響鋼的強有力(powerful)元素。高碳含量將以如下方式影響變形硬化，即冷變形后的強度將較高，并因此降低鋼的延展性。從腐蝕觀點來看，由于碳化鉻的析出危險隨著碳含量的增加而增加，故高碳含量也是不利的。因此，應(yīng)保持低的碳含量，其含量為最大0.07％，優(yōu)選為最大0.05％，以及更優(yōu)選為最大0.025％。
硅是鐵素體形成元素，在較高含量情況下，也可能降低鋼的熱加工性能。因此，其含量為最大1.5％，更優(yōu)選為最大1.0％。
錳是奧氏體形成元素，其以與鎳相同的方式使得鋼更少傾向于在冷變形時產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變。根據(jù)本發(fā)明，鋼中錳的最小含量為0.2％的重量百分比。由于鋼必須具有用于析出硬化的顯著含量的馬氏體，錳含量必須最大為5％，優(yōu)選為最大3％和最優(yōu)選為2.5％。錳將與硫一起形成易延展的無金屬夾雜物，其例如對機械加工性有利。
硫是形成鋼中硫化物的元素。由于硫化物起到斷屑器的作用，故其在加工期間有利。因此，硫的含量為最小0.01％，更加優(yōu)選為最小0.015％，進一步更加優(yōu)選為最小0.05％，最優(yōu)選為最小0.1％。然而，從耐腐蝕性觀點來看，硫化物可能作為鋼中的薄弱區(qū)域。此外，高含量的硫也可能不利于熱加工性能。因此，其含量為最大0.4％，以及優(yōu)選為最大0.3％。根據(jù)本發(fā)明的合金成分選擇為該合金包括硫化鈦。該硫化鈦主要以TiS或Ti2S的形式存在。
鉻對耐腐蝕性必不可少，并且根據(jù)本發(fā)明，其必須以如下含量添加入鋼中，該含量為至少10％，或者更優(yōu)選地為至少11.5％。然而，鉻也是鐵素體的強形成元素，其高含量將抑制變形后馬氏體的形成。因此，鉻的含量必須限制至最大15％，優(yōu)選地為最大14％。
鎳添加至根據(jù)發(fā)明的鋼，以平衡鐵素體形成元素，從而在退火后獲得奧氏體結(jié)構(gòu)。鎳還是從冷變形緩和硬化的重要元素。鎳還將有助于與諸如鈦和鋁的元素一起析出硬化。因此，鎳的最小含量為7％，或者更優(yōu)選地為至少8％。過高的鎳含量將限制變形后形成馬氏體的可能性。鎳還是一種昂貴的合金元素。因此，鎳含量最大為14％，或者優(yōu)選為13％。
鉬對于根據(jù)本發(fā)明的鋼必不可少，這是由于鉬將有助于鋼的耐腐蝕性。鉬還是一種在析出硬化期間的活性元素。因此，其最小含量為1％，或者優(yōu)選為最小2％，最優(yōu)選為最小3％。然而，過高的鉬含量將促使鐵素體的形成量在熱加工期間可能導(dǎo)致問題。此外，高含量的鉬還將在冷變形期間抑制馬氏體的形成。因此，鉬的含量最大為6％，以及更優(yōu)選為最大5％。此外，希望鉬可根據(jù)為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的慣例由鎢部分或完全替代，同時仍然獲得理想的合金特性。
銅是奧氏體形成元素，其與鎳一起穩(wěn)定所期望的奧氏體結(jié)構(gòu)。中等含量的銅還是一種提高延展性的元素。因此，最小含量為1％，以及更優(yōu)選為至少1.5％。另一方面，高含量的銅降低熱加工性，因此銅含量最大為3％，優(yōu)選為最大2.5％。
鈦是本發(fā)明中的基本合金元素，這是由于至少兩個原因。首先，鈦用作析出硬化的強元素，因此必須存在以能夠?qū)︺~進行硬化用于最終強度。其次，鈦將連同硫一起形成硫化鈦(TiS或者可能是Ti2S)。通常，鈦是比錳更強的硫化物形成物。由于就電化學(xué)方面而言，TiS比MnS更不易腐蝕，因此在耐腐蝕性不惡化的情況下可實現(xiàn)改善的加工性能，而對于采用MnS的快削鋼而言，則往往需要降低耐腐蝕性來提高可加工性。因此，鈦的最小含量為0.3％，以及更優(yōu)選為0.5％。過高的鈦含量將促使在鋼形成鐵素體，并且使脆性增加。因此，鈦的最大含量將限制為2.5％，優(yōu)選為2％，最優(yōu)選為至多1.5％。
鋁添加至鋼，以便在熱處理后改善硬化效果。已知鋁連同諸如Ni3Al和NiAl的鎳一起形成金屬間化合物。為了實現(xiàn)好的硬化反應(yīng)，其最小含量應(yīng)為0.2％，最優(yōu)選為最小0.3％。然而，鋁是鐵素體的強形成物，故最大含量應(yīng)為1.5％，或者更優(yōu)選為最大1.0％。
氮是強力元素，這是由于氮將增強機械硬化(strain hardening)。然而，氮還將在冷成形時穩(wěn)定奧氏體朝馬氏體的轉(zhuǎn)變。氮還具有對諸如鈦、鋁和鉻的氮化物形成物的高親合力。氮含量應(yīng)限制為最大0.1％，優(yōu)選為0.07％，以及最優(yōu)選為最大0.05％。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該合金基本上沒有硫化錳。
根據(jù)優(yōu)選實施例，本發(fā)明的合金具有以下大致成分(重量百分數(shù))C 最大0.2Si 最大0.3Mn 0.5S 0.1Cr 12Ni 9Mo 4Cu 2Ti 1Al 0.4N 最大0.1余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，該合金具有以下大致成分(重量百分數(shù))C 最大0.2Si最大0.3Mn2.5S 0.1Cr1 2Ni9Mo4Cu2Ti1Al0.4N 最大0.1
余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)。
現(xiàn)在將借助于一些說明性示例更詳細地描述本公開。
示例1將具有表1所述化學(xué)成分的五個270kg的熔化物在真空感應(yīng)熔化(VIM)熔爐中熔化，并鑄成9″(即229mm)的錠坯。利用合金830207作為參考合金，其不形成本發(fā)明的一部分。錠坯鍛造為103×103mm的板坯。然后，將該板坯加熱至1150℃并熱軋為5.5mm的線材。對該線材進行酸洗，并將其在多卷筒拉絲機中拉伸為2.1mm，而不進行任何中間退火。抗拉強度(Mpa)為在拉伸直徑為5.5mm至直徑為2.1mm的熱軋線材中的面縮率的函數(shù)，該抗拉強度示于表2中。根據(jù)SS-EN10002-1，在不進行任何熱處理的情況下執(zhí)行拉伸試驗。
根據(jù)本發(fā)明合金的表1所示的成分可分為Mn含量為近似0.5％或近似2.5％，以及S含量為近似0.015％或0.1％。
表1化學(xué)成分的重量百分數(shù)

表2在冷拉伸時各種面積縮情況下的抗拉強度(Mpa)

示例2表2所述的拉伸線在475℃進行4h的熱處理并拉伸試驗，以便估算在析出硬化(PH)后機械強度的增加。由析出硬化導(dǎo)致的熱處理之后的抗拉強度如表3所示。
表3在各種降低和隨后的析出硬化而線拉伸之后的抗拉強度(Mpa)

示例3表1所示合金的耐腐蝕性在析出硬化條件下進行測試。在0.1％NaCl溶液中測量臨界點蝕溫度(CPT)。電勢保持為300mVVs標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極(SCE)。在研磨至600磨砂處理之后，每個直徑為3.5mm的合金的6個樣品進行測試，以確定每種材料的臨界點蝕溫度。表4示出每種合金的CPT值。
表4.在0.1％NaCl溶液中，300mV Vs SCE的CPT值，6個被測合金樣品

示例4還測試表1所述成分的可加工性。通過將線材從直徑為5.5mm至3.5mm，并在其后進行矯直操作，從而制造出直徑為3.5mm的平直桿。在變直未熱處理的桿中進行鉆削測試，機械性能如表5所示。根據(jù)SS-ENISO6507進行硬度測試。
表5用于可加工性試驗的變直桿的尺寸和機械性能

利用表6所示的鉆削參數(shù)進行鉆削測試。所使用的鉆頭為Φ2mm無涂層的硬質(zhì)合金鉆頭，HAM380，其刀尖角度為130°。鉆削深度為桿直徑的兩倍。
表6鉆削時的加工數(shù)據(jù)

考慮切屑形成、鉆頭磨損和可鉆性來估算可加工性。利用“SvenskaMekanfrbundets Spmskala”(Karlebo Handbok，15thEdition，2000，449-450頁)作為參考圖表判斷鉆削時的切屑形狀。No5-7為用于最好生產(chǎn)率的最佳切屑形成。
表7鉆削時的切屑形成

測量的磨損為切削刃上的間隙面的磨損(側(cè)面磨損)，組合刀刃的角磨損和可能的刀刃損壞。在一些情況中，為每種合金成分的兩個樣品進行測試。然后，在相對于磨損/損壞的不同類型的規(guī)模之后對損壞/磨損進行分級，其中希望的是等級盡可能地低。低值相比于高值表示更長的工具壽命。結(jié)果示于表8中。
表8磨損測試的分級結(jié)果

每種合金兩個測試的平均工具磨損的等級如表9所示。較低的等級比較高的等級表示更長的工具壽命。
表9鉆削時的工具磨損，表8中的兩個測試的平均

在從加熱830207和830209的材料上進行大規(guī)模的鉆削測試。通過直到損壞鉆頭的鉆鑿部分的數(shù)目來測量可鉆性。此外，測量每小時所鉆鑿的孔的數(shù)目。結(jié)果示于表10中。
表10大規(guī)模鉆削測試的結(jié)果

鉆削測試表明根據(jù)本發(fā)明的所有合金相比于參考合金830207以切屑形成形式表現(xiàn)出改善的可加工性，這對在鉆削期間使切屑纏結(jié)的危險最小尤為重要。根據(jù)本發(fā)明的所有合金相比于參考合金830207還表現(xiàn)出更少的工具磨損，這意味著在必須更換鉆頭之前可制造更多的零件。
示例5通過掃描電鏡(SEM)利用背散射電子(BSE)對根據(jù)本發(fā)明的參考合金830207和830211合金進行分析。材料的表面處于未侵蝕狀態(tài)。參考合金的掃描電鏡圖片如圖1所示。通過能量散射X射線分析(EDX)研究三個不同的測試點；圖2a所示的光譜1，圖3a所示的光譜2，和圖4a所示的光譜3。結(jié)果分別示于圖2b、3b、和4b中。從結(jié)果可明顯地看出，不存在硫化鈦。這被認為是合金的低含硫量的結(jié)果。
本發(fā)明的830211合金的SEM圖片示于圖5中。當(dāng)與圖1相比較時，可明顯地看出差異。圖6a、7a、8a和9a示出四個不同的測試點；光譜1、光譜2、光譜3和光譜4。利用EDX分析這些測試點的成分，結(jié)果分別如圖6b、7b、8b和9b所示。
令人驚訝地，即使錳含量相當(dāng)高時(大約2.5％)，在合金830211中也沒有發(fā)現(xiàn)硫化錳。
從示例明顯看出，開發(fā)了一種新的合金，其相比于以前已知的合金具有顯著改善的機械加工性且不會降低耐腐蝕性。只要硫化錳的含量沒有大量的增加，增加含硫量將可能進一步提高可加工性，而且不會降低耐腐蝕性。
權(quán)利要求
1.馬氏體不銹鋼合金，其特征在于具有以下重量百分數(shù)的成分C 最大0.07Si最大1.5Mn0.2-5S 0.01-0.4Cr10-15Ni7-14Mo1-6Cu1-3Ti0.3-2.5Al0.2-1.5N 最大0.1余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)，其中，該馬氏體不銹鋼合金包括硫化鈦。
2.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于該馬氏體不銹鋼合金基本上不具有硫化錳。
3.如權(quán)利要求1或2所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于S含量為0.015-0.3％。
4.如權(quán)利要求1至3所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于Ti含量為至少0.5％。
5.如權(quán)利要求4所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于Ti含量為最大2％。
6.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于Mo含量為2-5％。
7.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于Cr含量為11.5-13％，Ni含量為8-13％。
8.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于該馬氏體不銹鋼合金被析出硬化。
9.如權(quán)利要求1所述的馬氏體不銹鋼合金，其特征在于該馬氏體不銹鋼合金被析出硬化。
10.如權(quán)利要求1-3和4-9中所述的馬氏體不銹鋼合金，其中，該馬氏體不銹鋼合金的大致成分為C 最大0.2Si最大0.3Mn0.5S 0.1Cr12Ni9Mo4Cu2Ti1Al0.4N 最大0.1余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)。
11.如權(quán)利要求1-3和4-9中所述的馬氏體不銹鋼合金，其中，該馬氏體不銹鋼合金的大致成分為C 最大0.2Si0.2Mn2.5S 0.1Cr12Ni9Mo4Cu2Ti1Al0.4N 最大0.1余量的Fe以及通常具有的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種析出硬化不銹鉻鎳鋼，其具有以下成分(重量百分數(shù))C最大0.07、Si最大1.5、Mn0.2-5、S0.01-0.4、Cr10-15、Ni7-14、Mo1-6、Cu1-3、Ti0.3-2.5、Al0.2-1.5、N最大0.1。余量Fe，通常具有雜質(zhì)。
文檔編號C22C38/50GK101087897SQ200580044676
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者哈坎·霍姆伯格 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司