CN101525724B - 韧性高铬铁素体合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种韧性高铬铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C≤0.001，N≤0.005，Si≤0.05，Mn≤0.05，Cr29-31，Mo≤0.12，P≤0.014，S≤0.003，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为8-20。该韧性高铬铁素体合金不仅具有优异的耐蚀性能，还具有良好的韧性。

Description

韧性高铬铁素体合金

技术领域

本发明涉及金属功能材料，具体地说，涉及一种具有优良韧性的高铬铁素体合金。

背景技术

近来年稀有金属镍的价格飞涨，使奥氏体不锈钢价格翻番，镍基奥氏体不锈钢的应用受到严重影响，而铁素体、马体系不锈钢使用范围进一步扩大，高铬(25-31％)铁素体不锈钢，不仅有优良的耐蚀性能，且极好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐孔蚀能力，可代替昂贵的镍基和钛等高级耐蚀合金材料。高铬铁素体不锈钢的耐蚀性虽优良，但严重的脆性阻碍其被广泛选用。铁素体在不锈钢中存在C、N间隙元素强烈形成并稳定奥氏体，对铁素体不锈钢十分有害，主要是因为C、N元素在铁素体不锈钢中的扩散速度快，约为在奥氏体中的600倍，在高温加热后的冷却过程中会有碳、氮化物沉淀析出，导致了铁素体不锈钢475℃脆性、高温脆性、室温韧性低、脆性转变温度高、对缺口敏感等缺点。因此，冶金工作者长期致力于降低铁素体不锈钢中的碳、氮含量，从而克服铁素体不锈钢的上述不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种韧性高铬铁素体合金，其具有优异耐蚀性能，还具有良好的韧性。

本发明提供的韧性高铬铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C≤0.001，N≤0.005，Si≤0.05，Mn≤0.05，Cr29-31，Mo≤0.12，P≤0.014，S≤0.003，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为8-20。

所述的韧性高铬铁素体合金还含铝，其化学成份质量百分比为Al≤0.15。

本发明的设计思路是降碳、氮，保证必要的铬、钼含量，以确保其耐腐蚀性能和韧性；以稳定组织和改善性能；进行成分设计，并逐步优化成分。

影响高铬铁素体合金脆性的因素：

1、韧脆转变温度：高铬铁素体合金在较高温度时，韧性很好；当温度降至某一温度以下时，韧性突然降得很低、很脆。该临界温度被称为韧脆转变温度。一般纯度的高铬铁素体不锈钢韧脆转变温度在60-80℃左右。大多数高铬铁素体合金设备的使用温度以下，所以限制了其使用。

2、M₂₃C₆析出：合金中铬含量很高，且铁素体中碳的溶解度比奥氏体中低得多，因而M₂₃C₆析出倾向强烈。如在高于800℃以上析出，多以颗立状在晶界析出，对脆性影响不大；在晶界以网状的析出速度很快，在各种热工艺后的冷却过程中，很难避免。其不仅使合金变脆，且引起严重的晶界腐蚀，是高铬铁素体合金被限制使用的另一重要原因。

3、σ相析出：根据Fe-Cr相图，在含30％Cr的铁素体合金中，约700℃以下才开始析出σ相，600℃长期保温后，σ相可达40％左右。σ相是脆的，合金中如含有较多的σ相时，是不能被选用的。但由于高铬铁素体合金中的σ相析出温度低，析出速度缓慢，约需几个个小时才开始析出。因此在各种热工艺后的冷加过程中，一般不会析出，不影响使用，但不宜在σ相易析出温度下使用。

解决高铬铁素体合金脆性的途径：

1.防止σ相析出：

由于σ相形成温度低，析出速度缓慢，在热加工、热处理、焊接等热工艺后的冷却过程中，一般较易避免，不会引起脆性；但是该类合金不宜在σ相析出的300-700℃温度范围内使用。

2.M₂₃C₆相在晶界以网状析出：

当合金中含碳量不够低时，在500-700℃温度范围内，只需要几分钟，甚至几秒钟，即可在晶界上形成网状M₂₃C₆。因此各种热工艺后的冷却过程中，M₂₃C₆的网状析出几乎是不可避免的，需要找途径解决。

下表为碳、氮在高铬铁素体合金中的最大溶解度

温度(℃)	1039	927	593
				碳(％)	0.04	0.004	--
氮(％)	--	0.023	0.006

由表可知，当高铬铁素体合金中，碳含量低于0.004％时，927℃时效不再析出M₂₃C₆。当温度降至700℃时，不析出M₂₃C₆的碳量要求降得更低。但如合金中的碳含量能降到0.004％的水平，M₂₃C₆析出倾向将大大降低，析出数量也会很少，不会造成较大的影响。由表中还可看出，氮含量低于0.006％时，593℃长期时效也不会析出Cr₂N故当氮含量达到该水平时，不用担心由此引起的脆性。

3.降低合金的韧脆转变温度：

高铬铁素体合金的装置大都在室温上工作，但设备安装和检修都在室温下进行。如在室温下很脆的材料，是不能被选用的。因此，如何使合金中高铬铁素体合金的韧脆转变温度降至室温以下，是使其广泛应用的前提。我国东北地区，冬季室温外温度有时达零20-30℃，所以要求韧脆转变温度降这个水平。

我们对高铬铁素体合金的韧脆转变温度了大量工作，发现碳、氮的影响最大。表(1)、(2)列出了碳和氮含量对Cr30Mo2合金韧脆转变温度的影响。

表(1)碳含量对Cr30Mo2合金韧脆转变温度的影响^※

碳(％)	0.0015	0.0021	0.0055
				温度(℃)	-40-20	-30-20	0-20

含N₂：0.0057～0.0083％，O₂：0.0032-0.0040％

表(2)氮含量对韧脆转变温度的影响^※

氮(％)	0.0055	0.0075	0.0145
				温度(℃)	-40-20	-30-20	0-20

※合金中含C：0.0018-0.0024％，O₂：0.0017-0.0045％

根据现有数据，高铬铁Cr30Mo2合金中，将碳降至0.003％以下，氮含量降至0.007％以下，脆性转变温度降至-40-20。

综上所述，解决高铬铁素体合金脆性关键是降低合金中的碳和氮的含量，特别是碳的含量。对于每种具体高铬铁素体合金不脆的允许碳、氮的最高含量，不仅与合金成份有关，还与具体使用条件有关，还需逐个合金研究，但一般条件下，要求碳要低于0.001％，氮要低于0.005％。

根据本发明的铁素体不锈钢的特征是：

第一，在本发明中，与过去的铁素体不锈钢相类似，作为稳定性元素，添加Mo，但是其添加的目的不同。在本发明中，以新阐明的Mo对耐腐蚀性产生影响的研究结果为基础，在考虑到Mo的添加量与C+N的关系后而进行调整。

第二，在过去的铁素体不锈钢中，以Al作为脱氧剂添加的，但在本发明中以Al对韧性产生影响的研究结果为基础，对Al的含量进行控制，与此同时考虑Al氧化物对耐腐蚀性产生的负面影响，通过控制氧的含量而限制Al氧化物的大小。

为了使韧性的降低最小化，应对上述C及N的含量分别控制在0.001％以下及0.005％以下，并且由于其含量越少，材料的性质则越好，所以不限制其最低限度。另外，考虑到敏感性，使C+N为0.006％以下为好。

上述Si作为提高脱氧及耐氧化性的元素，为了抑制韧性的降低，应控制在0.05％以内。

上述Mn作为提高脱氧的元素，因其降低介物MNs的耐腐蚀性，故应控制在0.05％以内。

因上述P不仅降低耐腐蚀性而且还降低韧性，故控制在0.014％以内。

因上述S降低耐腐蚀性，故控制在0.003％以内。

到目前为止，上述Al主要是为了脱氧而添加的，但为了耐腐蚀性而最大限度地控制了其在钢中的含量。与此不同，在本发明中考虑到Al对韧性产生的影响，作为积极添加的元素，起到一种防止因添加Mo而使韧性降低的效果。但是，若过量添加Al，则因产生Al氧化物而降低耐腐蚀性，故Al控制在0.15％以内。在本发明中，为了最大限度地控制由于添加Al而产生的耐腐蚀性降低，把Al氧化物的大小控制在约小于1μm比较好。

上述Mo是为了防止敏感性而添加的，若添加0.12％以上，则由于析出而使韧性降低，故最大含量为0.12％。

稳定性比Mo/(C+N)是考虑耐腐蚀性及韧性而决定的。在耐腐蚀性方面来说，适当的稳定性比为8左右，其可防止晶间腐蚀。如上所述，在本发明中，材料性质(耐腐蚀性，韧性)的最佳化方面，为了不使抗晶间腐蚀性因敏感化而急速降低，及为了同时确保韧性而把最佳稳定性比设定为8-20。虽然上述Mo提高耐腐蚀性，但由于高温相(σ，x)析出而引起韧性降低，故Mo的适当范围为0.12％以内。

虽然上述Cr提高耐腐蚀性，但是随着Cr含量的增加，Cr(C，N)及Cr氮化物的析出度增加，从而引起韧性了低，故Cr的适当范围为29-31％。

具体实施方式

实施例一：

一种韧性铁-铬-钼铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C0.001，N0.005，Si0.05，Mn0.05，Cr31，Mo0.12，P0.014，S0.003，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为20。

实施例二：

一种韧性铁-铬-钼铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C0.001，N0.004，Si0.04，Mn0.04，Cr30，Mo0.05，P0.012，S0.002，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为10。

实施例三：

一种韧性铁-铬-钼铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C0.001，N0.003，Si0.03，Mn0.03，Cr29，Mo0.032，P0.01O，S0.002，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为8。

Claims (2)

1.韧性高铬铁素体合金，其化学成份质量百分比为：C≤0.001，N≤0.005，0.03≤Si≤0.05，0.03≤Mn≤0.05，Cr29-31，0.032≤Mo≤0.12，P≤0.014，S≤0.003，余量为Fe及不可避免的杂质，稳定性比Mo/(C+N)为8-20。

2.根据权利要求1所述的韧性高铬铁素体合金，其特征在于：它还含铝，其化学成份质量百分比为Al≤0.15。