專(zhuān)利名稱(chēng)：具有優(yōu)異的耐蝕性能的低鎳雙相不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙相不銹鋼，與S32205雙相不銹鋼相比較而言，該雙相不銹鋼包含了高含量的Mn和低含量的Cr、Mo、N和Ni。更具體地講，本發(fā)明涉及一種雙相不銹鋼，該雙相不銹鋼包含了低含量的Cr、Mo、N和Ni，由此降低該不銹鋼的生產(chǎn)成本、具有優(yōu)于STS 304鋼和316L鋼的優(yōu)異的耐蝕性能，并在被熱軋時(shí)具有低的邊裂發(fā)生率。
背景技術(shù)：
通常，成型性能(formability)和耐蝕性能(corrosion resistance)優(yōu)異的奧氏體(austenite)不銹鋼采用Fe為母材(base metal)，并主要包含Cr和Ni。此外，為了達(dá)到各種各樣的目的，已通過(guò)添加諸如Mo、Cu等其他元素對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行了各種各樣的開(kāi)發(fā)。
在奧氏體不銹鋼中，316L鋼具有優(yōu)異的耐蝕性能、抗點(diǎn)蝕性能(pittingresistance)和高溫強(qiáng)度。然而，316L鋼是低碳鋼，且包含了大于10wt％的Ni和大于2wt％的Mo，使得其成本價(jià)格隨Ni和Mo的價(jià)格波動(dòng)嚴(yán)重，從而降低了競(jìng)爭(zhēng)力。
為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，鋼鐵業(yè)通過(guò)降低Ni和Mo的含量并保障耐蝕性能優(yōu)于316L鋼的耐蝕性能來(lái)努力開(kāi)發(fā)新鋼。
作為具有奧氏體相和鐵素體(ferrite phase)相混合形成的雙相不銹鋼的例子，S32205雙相不銹鋼(以下稱(chēng)作“2205鋼”)包含高百分比的Cr、Mo和N以保障優(yōu)異的耐蝕性能，并包含大于5wt％的Ni以保障體積分?jǐn)?shù)。
與包含10％的Ni的STS 316L鋼相比較而言，這種雙相不銹鋼包含相對(duì)低的百分比的Ni，使得其生產(chǎn)成本低，因此其價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力，從而提高了附加值(added value)。然而，2205鋼的熱成型性能差，因此具有80％的非常低的生產(chǎn)良率。此外，2205鋼具有高含量的Cr和Mo，使得σ(sigma)相的沉積速度高，從而使鋼的特性變差，并對(duì)纏繞和冷卻處理具有高負(fù)載。因此，難以用2205鋼取代316L鋼。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種雙相不銹鋼，與2205鋼相比較而言，該雙相不銹鋼具有低含量的Cr、Mo、N和Ni，由此降低鋼的生產(chǎn)成本，通過(guò)降低被熱軋時(shí)邊裂的發(fā)生率來(lái)提高生產(chǎn)良率，且該雙相不銹鋼還具有優(yōu)于STS304鋼和316L鋼的優(yōu)異的耐蝕性能。
本發(fā)明人開(kāi)發(fā)了一種雙相不銹鋼，該雙相不銹鋼包含了相對(duì)低的含量的Ni，并限制了Cr-Mo-Mn-N的組分以使α和γ的體積分?jǐn)?shù)具有大約50∶50，使得生產(chǎn)成本降低；保障CPT高于STS304鋼和316L鋼的CPT的20℃；將邊裂發(fā)生率最小化以提高生產(chǎn)良率并降低處理負(fù)載。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，雙相不銹鋼包含19.5～22.5％的Cr、0.5～2.5％的Mo、1.0～3.0％的Ni、1.5～4.5％的Mn、0.15％～0.25％的N、0.03％及小于0.03％的C、0.03％及小于0.03％的P、2％及小于2％的Si、Fe和不可避免的元素。


從下面優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明的這些和/或其他目的和優(yōu)勢(shì)將變得清楚并更易于理解，在附圖中圖1是根據(jù)合金組分示出被熱軋的樣品的邊裂的照片；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的鋼樣品和對(duì)比鋼樣品的合金組分和體積分?jǐn)?shù)的表格；圖3是示出圖2的樣品的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)的表格；圖4是示出關(guān)于耐蝕性能和熱成型性能的圖2的樣品的總測(cè)試結(jié)果的表格；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的鋼和傳統(tǒng)的鋼的氧化增量的表格。
具體實(shí)施例方式
以下，將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。下面，將基本組分進(jìn)行如下的限制。
碳(C)C對(duì)于通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)強(qiáng)化材料是有效的。然而，當(dāng)C的含量過(guò)量時(shí)，C易于與諸如Cr的碳化物形成元素(carbide-forming element)結(jié)合，其中，碳化物形成元素對(duì)于鐵素體相和奧氏體相之間的邊界的耐蝕性能是有影響的。因此，C降低了晶界(grain boundary)周?chē)腃r的含量，使得耐蝕性能變差。為了使耐蝕性能最大化，將C的含量降低到0.03％以及0.03％以下。
氮(N)N與Ni一起是有助于奧氏體相穩(wěn)定的元素中的一種。當(dāng)N含量增加時(shí)，耐蝕性能和高強(qiáng)度得以實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)N的含量過(guò)高時(shí)，鋼的熱成型性能變差，從而降低了鋼的生產(chǎn)良率。另一方面，當(dāng)N的含量過(guò)低時(shí)，應(yīng)該降低Cr和Mo的含量，來(lái)保障鋼的體積分?jǐn)?shù)，否則難以保障焊接部件的強(qiáng)度和相穩(wěn)定性。因此，N的含量?jī)?yōu)選地在0.15％和0.25％之間。
錳(Mn)Mn通常具有大約1.5％的含量以調(diào)整金屬流率(metal flowrate)。同時(shí)，可附加地包含Mn來(lái)代替Ni。在這種情況下，熱成型性能可再次得到提高。然而，當(dāng)Mn的含量過(guò)量時(shí)，Mn與鋼中的S結(jié)合并形成MnS，從而使耐蝕性能和熱成型性能變差。因此，Mn含量的上限被限制為4.5％。優(yōu)選地，Mn的含量在1.5％和4.5％之間。
鉻(Cr)Cr與Mo一起用作使鐵素體相穩(wěn)定的元素。這里，Cr不僅對(duì)于主要保障雙相不銹鋼的鐵素體相來(lái)說(shuō)是必要的，而且對(duì)于保障優(yōu)異的耐蝕性能來(lái)說(shuō)也是必要的。當(dāng)Cr的含量增加時(shí)，耐蝕性能提高，但也應(yīng)該提高昂貴的Ni的含量以保持體積分?jǐn)?shù)。結(jié)果，優(yōu)選地限定Cr的含量在19.5％和22.5％之間以保持雙相不銹鋼的體積分?jǐn)?shù)和優(yōu)于STS 304鋼和316L鋼的耐蝕性能。
鉬(Mo)像Cr一樣，Mo不僅用于穩(wěn)定鐵素體相而且大大地提高了耐蝕性能。然而，如果Mo的含量過(guò)量，則當(dāng)進(jìn)行退火時(shí)Mo可能形成σ相，從而使得耐蝕性能和耐沖擊性能變差。在本實(shí)施例中，Mo只是輔助Cr保障鐵素體的體積分?jǐn)?shù)并保障適當(dāng)?shù)哪臀g性能，從而優(yōu)選地限定Mo的含量在0.5％和2.5％之間。
鎳(Ni)Ni與Mn和N一起是穩(wěn)定奧氏體相的元素，并主要用作保障雙相不銹鋼的奧氏體相。為了降低生產(chǎn)成本，如果降低昂貴的Ni的含量，則可通過(guò)提高形成奧氏體相的Mn和N的含量來(lái)代替Ni的減量。然而，如果過(guò)度地降低Ni的含量，則將會(huì)過(guò)度地需要Mn和N，這使得耐蝕性能和熱成型性能變差，或者降低Cr和Mo的含量，這使得難以保障耐蝕性能優(yōu)于316L鋼。因此，Ni的含量?jī)?yōu)選地位于1.0％和3.0％之間。
磷(P)P在晶界或界面處發(fā)生偏析，這可能使耐蝕性能和韌性變差。因此，盡可能地降低P的含量。優(yōu)選地，考慮到精煉處理的效率，限制P含量的上限為0.03％。
硫(S)S使熱成型性能變差，或者與Mn一起形成MnS，從而使得耐蝕性能變差。因此，盡可能地降低S的含量。優(yōu)選地，S的含量低于0.03％。
硅(Si)為了脫氧而添加Si，然而Si可作為用于穩(wěn)定鐵素體相的元素。如果Si的含量過(guò)量，則Si使得鋼的諸如沖擊韌性的機(jī)械特性變差。因此，Si的含量?jī)?yōu)選地限制在2％和2％以下。
同時(shí)，制備具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組分的雙相不銹鋼樣品，并關(guān)于體積分?jǐn)?shù)、耐蝕性能和熱成型性能進(jìn)行測(cè)試。圖2示出了將樣品在1050℃的溫度下退火后樣品的合金組分和α-體積分?jǐn)?shù)。在這些合金中，它們的α-體積分?jǐn)?shù)在大約40％至大約60％的范圍內(nèi)。鑒于焊接、相穩(wěn)定性等，確定α-體積分?jǐn)?shù)在44％至51％范圍內(nèi)的雙相不銹鋼為優(yōu)異(O)；α-體積分?jǐn)?shù)低于44％或高于54％的雙相不銹鋼為有缺陷的(X)；α-體積分?jǐn)?shù)在51％至54％范圍內(nèi)的雙相不銹鋼為良好(Δ)。
在圖2的樣品中，對(duì)除了Cr、Mo、Mn和N之外的合金組分進(jìn)行統(tǒng)一(unify)以滿(mǎn)足雙相不銹鋼的總的含量范圍，但是為了實(shí)驗(yàn)上的便利，將Ni的含量范圍限制在2.5wt％。
圖3是示出圖2的樣品的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)的表格，在表格中CPT意味著耐蝕性能。這里，確定CPT為20℃和20℃以下的鋼為有缺陷的(X)；CPT在20℃至25℃范圍內(nèi)的鋼為良好(Δ)；CPT為20℃和20℃以上的鋼為優(yōu)秀(O)。
上述CPT由下面的步驟產(chǎn)生基于美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)G48方法，在1050℃的溫度下將具有50mm(L)×25mm(W)×3mm(T)尺寸的被熱軋的樣品退火，然后在酸化的氯化鐵溶液中沉淀24小時(shí)。
根據(jù)ASTM G48方法，由下面的方程式得到測(cè)量起始溫度的CPTCPT(℃)＝(2.5×％Cr)+(7.6×％Mo)+(31.9×％N)-41.0。
ASTM G48方法建議以5℃為間隔計(jì)算CPT并選擇最接近的數(shù)值。
然而，通過(guò)ASTM G48方法估計(jì)的測(cè)量起始溫度的CPT具有很大的偏差。偏差很大的原因是沒(méi)有考慮到Mn會(huì)劣化耐蝕性能。也就是說(shuō)，因?yàn)榫哂薪档偷腘i含量的雙相不銹鋼具有相對(duì)高的Mn含量，所以在由上述的ASTMG48方法得到的估計(jì)的CPT中產(chǎn)生了偏差。
為了補(bǔ)償該偏差，本發(fā)明人通過(guò)考慮Mn來(lái)計(jì)算了CPT，結(jié)果如下CPT(℃)＝-150.47+2.65Cr+11.71Mo-1.3Mn+64.58N。
根據(jù)本發(fā)明，估計(jì)的CPT近似等于測(cè)量的CPT。
同時(shí)，在鋼具有低含量的Cr和Mo或者具有高含量的Mn的情況下，測(cè)量的CPT比估計(jì)的CPT相對(duì)低一些。因此，不期望為了保障低Ni雙相不銹鋼的體積分?jǐn)?shù)而過(guò)度地提高M(jìn)n的含量或者過(guò)度地降低Cr和Mo的含量。
當(dāng)生產(chǎn)低Ni雙相不銹鋼時(shí)，應(yīng)該降低邊裂的發(fā)生率以提高生產(chǎn)良率，并應(yīng)該保障熱成型性能以將固定負(fù)載最小化。將具有圖2的組分的鋼生產(chǎn)為50Kg的鋼錠(ingot)并鍛壓以具有20mm(T)和30mm(T)，然后觀察它們的邊裂的發(fā)生率，從而通過(guò)選擇與2205鋼相比較而言在邊裂的發(fā)生率中性能顯著改進(jìn)的鋼而得到了如圖1的測(cè)試結(jié)果。
這里，確定具有像2205鋼一樣的邊裂的鋼為有缺陷的(X)；具有局部邊裂的鋼為良好(Δ)；幾乎沒(méi)有邊裂的鋼為優(yōu)異(O)。
圖4示出了圖2的樣品關(guān)于體積分?jǐn)?shù)、耐蝕性能和熱成型性能的總測(cè)試結(jié)果。四種鋼(3、4、14和15號(hào)鋼)滿(mǎn)足了雙相不銹鋼的成型特性，具有優(yōu)于316L鋼的耐蝕性能，且熱成型性能優(yōu)異。另外，可選擇其它鋼(1、2、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16、20、21和22號(hào)鋼)作為優(yōu)選的鋼，然而它們次于前面所述的鋼。因此，隨著Mn含量變高，熱成型性能和耐蝕性能變差。另外，隨著N含量變高，熱成型性能變差。同樣，具有高含量的Mn的鋼需要相對(duì)較高含量的Mo。
圖5示出了當(dāng)為了熱軋而將鋼作為鋼坯(slab)再次加熱時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)異的鋼和良好的鋼與對(duì)比鋼(諸如STS 304、STS 316L和2205)之間在高溫氧化方面的差異。通過(guò)測(cè)量一定條件下的氧化增量來(lái)進(jìn)行高溫氧化測(cè)量，所述條件如下在1250℃的溫度下加熱具有10mm(L)×10mm(W)×3mm(T)尺寸的被熱軋樣品，并在加熱爐中保持180分鐘。
此時(shí)，在加熱爐的氣氛下，將S的含量調(diào)整到200ppm。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的鋼的氧化增量為傳統(tǒng)的2205鋼的4至6倍，其性能比傳統(tǒng)的2205鋼低，且為316L鋼的大約1/3至1/2倍，其性能比316L鋼高。與傳統(tǒng)的2205鋼相比較而言，通過(guò)由于被熱軋時(shí)形成在被再次加熱的鋼坯表面上的氧化層而導(dǎo)致的表面潤(rùn)滑效應(yīng)減少了表面缺陷，所以提高了根據(jù)本發(fā)明的鋼的表面質(zhì)量。
與2205雙相不銹鋼相比較而言，在根據(jù)本發(fā)明的雙相不銹鋼中，降低Cr、Mo和Ni的含量且略微提高M(jìn)n的含量，使得鋼的生產(chǎn)成本降低；保障了耐蝕性能優(yōu)于STS 304鋼和316L鋼；減少了被熱軋時(shí)邊裂的發(fā)生率，從而降低了接下來(lái)的過(guò)程上的負(fù)載；減少了表面缺陷，從而提高了生產(chǎn)良率。
雖然已示出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神以及不脫離權(quán)利要求及其等同物所限定的范圍的情況下，可對(duì)實(shí)施例進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)異的耐蝕性能的低Ni雙相不銹鋼，所述雙相不銹鋼具有的合金組分包括19.5％～22.5％的Cr、0.5％～2.5％的Mo、1.0％～3.0％的Ni、1.5％～4.5％的Mn、0.15％～0.25％的N、Fe和不可避免的元素，其中，通過(guò)下面的利用所述合金組分的組成范圍作為函數(shù)的方程式來(lái)計(jì)算CPTCPT(℃)＝-150.47+2.65Cr+11.71Mo-1.3Mn+64.58N調(diào)整所述合金組分的組成范圍以使所述CPT高于20℃。
2.如權(quán)利要求1所述的雙相不銹鋼，還包括0.03％及小于0.03％的C、0.03％及小于0.03％的P和2％及小于2％的Si。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含有含量相對(duì)低的Ni的雙相不銹鋼，限制Cr－Mo－Mn－N組分以使α和γ的體積分?jǐn)?shù)具有大約50∶50，從而使邊裂的發(fā)生率最小化以提高生產(chǎn)良率并降低處理負(fù)載，其中，合金組分包括19.5％～22.5％的Cr、0.5％～2.5％的Mo、1.0％～3.0％的Ni、1.5％～4.5％的Mn、0.15％～0.25％的N、Fe和不可避免的元素，根據(jù)合金組分的組成范圍調(diào)整所述合金組分的組成范圍以使所述CPT高于20℃。因此，降低Cr、Mo和Ni的含量且略微提高M(jìn)n的含量，使得鋼的生產(chǎn)成本降低；保障耐蝕性能優(yōu)于STS 304鋼和316L鋼；減少被熱軋時(shí)邊裂的發(fā)生率，從而降低接下來(lái)的過(guò)程上的負(fù)載；減少了表面缺陷，從而提高了生產(chǎn)良率。
文檔編號(hào)C22C38/18GK101090988SQ200580045052
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者金光泰, 李龍憲, 孫元根 申請(qǐng)人:Posco公司