CN102027147A - 不锈钢产品、所述产品的用途及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不锈钢产品，特别是具有高的机械加工性能的双相不锈钢铸件，并且涉及该产品的用途和该产品的制造方法。该产品包含至多0.07重量％的碳、至多2重量％的硅、3～8重量％的锰、19～23重量％的铬、0.5～1.7重量％的镍、依照式(Mo+1/2W)小于1重量％的至多为1重量％的钼和/或钨、至多1重量％的铜和0.15～0.30重量％的氮，余量为铁和偶存杂质。

Description

不锈钢产品、所述产品的用途及其制造方法
本发明涉及由不锈钢制成的铸件，其具有双相铁素体-奥氏体显微组织并具有高的组织稳定性和改良的性能组合、特别是机械加工性能和焊接性能。本发明还涉及产品的用途并涉及铸件的制造方法。
与主要包含至多10-15％铁素体的奥氏体铸件相比，铁素体-奥氏体或双相不锈钢铸件一般被定义为具有几乎相等比例的铁素体和奥氏体的混合物的合金。对于根据ASTM A890标准的双相铸件，未规定铁素体水平，但是，列出的合金具有约30～60％范围的铁素体和余量的奥氏体。通过该双相组织，可以设计令人关注的性能分布(profile)。最早的双相不锈钢是在约80年以前开发的，并且它们最有可能是从奥氏体铸件形成的，其中在显微组织中存在一定量的铁素体被证明是有利的。事实上，双相组成通常表现出比奥氏体组成更好的铸造性能。双相材料的其它有利性能是：高的机械强度、优异的疲劳强度、良好的耐磨性和良好的耐腐蚀性。因此，铸造产品和形变产品均得到许多引人关注的应用。利用各种优化形式，描述了若干双相合金组合物。在许多情形中，作为双相组成的专利中的制品，还包括铸造制品。近年来，随着原材料成本的极大增加，对于以下给予了特别关注：降低合金中的镍和钼的水平但仍保持合适的性能。
对于30～70％的铁素体和奥氏体范围中的相平衡，可实现双相不锈钢的有利性能。主要的合金化元素(特别是铬、氮、镍和钼)的交互作用是相当复杂的。为了实现很好地响应加工和制造的稳定双相组织，必须十分仔细以便使这些元素中的每一种处于恰当的水平。除了相平衡以外，高温下有害金属间相的形成是对于双相不锈钢的第二种主要关切。σ相和χ相在高铬、高钼不锈钢中形成并优先在铁素体中析出。氮的添加以有利的方式改变相平衡从而避免形成此类相。
美国专利US 4,500,351涉及一种铸造双相不锈钢，其中，为了避免形成σ相，在1200℃固溶处理和水淬急冷之后，铸件中的显微组织包含铁素体基质，该铁素体基质含有至少约30％的奥氏体。铸件包含约0.02重量％的碳、24重量％的铬、约9.5重量％的镍、约6重量％的钼、约0.5重量％的锰、约0.2重量％的硅和约0.25重量％的氮。该美国专利US 4,500,351的铸件适用于诸如叶轮和外壳的泵部件以及诸如底座和闸门的阀部件中。
在美国专利US 4,828,630中描述了在铸造原态具有良好的性能组合并且抵抗至马氏体的热转变的双相不锈钢。该钢包含至多0.07重量％的碳、17～21.5重量％的铬、1～4重量％的镍、4～8重量％的锰、0.05～0.15重量％的氮、小于2重量％的硅、小于2重量％的钼和小于1.5重量％的铜。该专利的钢包含30～60％的铁素体，并且特别适于用于汽车底部部件的薄壁铸件。该钢具有包括下列的铸造原态性能：10％的最小延伸率、大于50ksi(350N/mm2)的0.2％屈服强度、在0℃下至少20ft.-lbs(30Nm)的韧性以及没有氮孔隙。
美国专利US 6,033,497涉及具有改良的机械加工性能的抗点蚀性双相钢合金，该合金除铁以外还包含小于0.1重量％的碳、25～27重量％的铬、5～7.5重量％的镍、小于0.5重量％的钼、小于0.15重量％的氮、小于1.5重量％的硅、小于2.0重量％的锰、1.5～3.5重量％的铜。在该美国专利的现有技术部分中提到，通过添加合金化元素如硫和硒(这些元素可能降低腐蚀性)，可提高奥氏体不锈钢的机械加工性能。此外，其声称，在不添加钼的情况下添加铜允许在紧密密封的热处理炉内非常缓慢地控制冷却双相不锈钢合金，使得在保持优异的延展性和抗腐蚀性的同时使有害的拉伸残余应力最小化。
根据美国专利US 6,033,497，在不使用单独和缓慢的热处理步骤的情况下在铸造之后通过加速的模内热处理处理钢种(steel grade)。该专利的钢种特别用于中空圆筒形离心铸件并且其用于例如造纸机真空辊外壳应用。模内热处理包括：将铸造冷却的速率控制在约260℃～约1090℃的温度范围内，以及将模内合金的温度保持在铸模外部温度的约450℃以内。与在紧密密封的热处理炉内缓慢受控冷却的同一合金组成相比，当通过加速的热处理在铸造之后在铸模内处理时，该钢种具有改良的机械加工性能。无模内处理的合金具有24MPa的名义内部直径拉伸残余应力，而在铸造之后在铸模内处理过的合金的相应值为52MPa。
欧洲专利EP 1,327,008描述了具有主要包含35～65体积％铁素体和35～65体积％奥氏体的显微组织的铁素体-奥氏体不锈钢。该钢种的组成包含下列作为主要合金化成分：0.02～0.07重量％的碳、19-23重量％的铬、1.1～1.7重量％的镍、0.15～0.30重量％的氮、3～8重量％的锰和小于1重量％的任选的钼和/或铜。该欧洲专利的钢是由Outokumpu以商标LDX 2101
Figure BPA00001256073500031
制造，并且，形变产品已受到大的商业关注。
双相不锈钢铸件一般表现出良好的铸造性能。但是，由于在通常从具有双相不锈钢合金组成的钢熔体凝固的铁素体相中具有有限的氮溶解度，因此，在凝固过程中存在形成氮气孔隙的风险。一般而言，大多数不锈钢铸件经受各种机械加工操作以便适用于使用该铸件的系统中。在这方面，与例如奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢被认为更加难以机械加工。双相不锈钢的较高强度水平解释了这种行为。碳和氮的添加均增加钢的强度和应变硬化的程度，并因此应保持较低以实现良好的机械加工性能。但是，为了良好的焊接性能，现代的双相不锈钢合金化以高的氮含量，并且最佳的焊接性能以牺牲机械加工性能为代价。
使用铸造或形变双相不锈钢的一种应用是用于造纸机的真空辊的钢外壳。由于铸造或形变的钢外壳经受显著的机械加工以制造最终的真空辊，因此该应用的一种重要的材料性能也是机械加工性能。如关于美国专利US 6,033,497所述，一种改善机械加工性能的方式是添加硫或硒，然而这些元素降低腐蚀性能。
国际申请WO 2006/041344描述了用于造纸机的真空辊的钢外壳，其中，在不添加任何硫的情况下使用欧洲专利EP 1,327,008的形变钢种LDX 2101
Figure BPA00001256073500032
此外，与美国专利US 6,033,497相比时，不实施任何改善机械加工性能的处理，并且铜和钼的任选的添加量显著更少。
Schramm等人在2007年11月6-8日于马斯特里赫特(Maastricht)举办的“不锈钢世界2007会议”(Stainless SteelWorld 2007 Conference)上发表的报告“用于泵应用的节约型双相不锈钢”(Lean duplex Stainless Steels for Pump Applications)中公开了关于泵特别应用的节约型双相材料的研究结果。一种合金“cast 2101”是由具有如下组成的铸造棒材制成：0.028重量％的碳、0.97重量％的硅、5.04重量％的锰、0.011重量％的磷、0.004重量％的硫、20.73重量％的铬、0.30重量％的钼、1.73重量％的镍、0.20重量％的氮和0.30重量％的铜。作为该合金“cast 2101”在1050℃温度下固溶退火并水淬之后的结果，Schramm等人提到例如0.2％弹限强度为473MPa并且A5延伸率为37.3％。关于腐蚀性能，Schramm等人声称，与具有0.024重量％的碳、0.64重量％的硅、1.32重量％的锰、0.015重量％的磷、0.001重量％的硫、22.50重量％的铬、0.28重量％的钼、4.92重量％的镍、0.09重量％的氮和0.26重量％的铜的组成的合金2304相比，合金“cast 2101”具有更低的点蚀电位。但是，Schramm等人没有提到该合金“cast 2101”对于期望应用的适用性的任何信息。
本发明的目的是，消除现有技术的一些缺点并且实现双相不锈钢的铸件，该铸件在制造铸件的方法中对于抵抗诸如金属间相的有害析出物的形成是足够稳定的，并且作为性能其具有高强度和良好的抗腐蚀性、良好的铸造性能和高的机械加工性能的组合。在所附的权利要求中列出本发明的基本特征。
本发明涉及一种不锈钢产品，优选涉及具有高的机械加工性能的双相不锈钢铸件，该铸件包含至多0.07重量％的碳、至多2重量％的硅、大于3重量％到至多8重量％的锰、大于19重量％到至多23重量％的铬、大于0.5重量％到至多1.7重量％的镍、和大于0.15重量％到至多0.30重量％的氮。在具有上述范围的双相不锈钢铸件的制造中使用的合金可包含少量的其它元素或杂质以及任选的元素，诸如至多1重量％的铜、依照式(Mo+1/2W)小于1重量％的总共至多1重量％的钼和/或钨，余量为铁和偶存杂质。本发明的双相不锈钢铸件的显微组织包含30～70体积％的铁素体和30～70体积％的奥氏体。本发明还涉及制造所述铸件的铸造方法以及所述铸件的用途。
在大型不锈钢铸件的制造中，具有如下显微组织是重要的：该显微组织足够稳定地抵抗会对性能造成不利影响的有害析出物如金属间相的形成。因此，希望本发明的铸件具有节约(lean)、平衡的双相组成。优选地，本发明的双相不锈钢的显微组织包含50体积％的铁素体和50体积％的奥氏体。
钢铸件的另一重要性能是容易进行修修补焊接接。除了良好的铸造性能以外，本发明的铸件通常对于焊接期间的热开裂具有相当高的抵抗性。如果需要修补焊接，则由于小的焊池被大的铸造区域包围，使得焊接金属和热影响区容易发生快速冷却，因此在大多数情况下需要执行焊后热处理。这会导致具有高铁素体含量的显微组织，该显微组织对于开裂敏感并且性能降低，这是必须进行后续热处理的原因所在。出于这种原因，希望本发明的双相不锈钢组成在快速热循环期间(如在焊接中)具有高的奥氏体再形成。为了获得这种特征，本发明的双相不锈钢铸件中的高氮含量是可取的。
本发明的双相不锈钢铸件可有利地包含优选至多0.05重量％且更优选至多0.03重量％的碳、优选至多1重量％的硅、优选大于4重量％且至多6重量％的锰、优选大于21重量％且至多22重量％的铬、优选大于1.1重量％且至多1.7重量％并且更优选大于1.35重量％且至多1.7重量％的镍、和优选大于0.20重量％且至多0.26重量％的氮以及任选的元素至多1重量％的铜、依照式(Mo+1/2W)小于1重量％的总共至多1重量％的钼和/或钨，余量为铁和偶存杂质。
以下参照附图更详细地描述本发明。
图1表示将本发明铸件的机械加工性能与现有技术的奥氏体不锈钢的机械加工性能相比较时的试验结果。
图2表示本发明铸件中的模拟焊接修补的显微组织。
在机械加工性能和焊接特别是焊接修补方面测试本发明的双相不锈钢铸件。
为了测试机械加工性能，制造具有下表1中的重量百分比的化学组成的铸件：
表1
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Ni   Mo   Cu   N
  0.026   0.76   4.93   0.021   0.001   21.37   1.44   0.23   0.34   0.226
使具有方形截面140mm的铸锭在不进行任何预先热处理的情况下以铸造原态进行不同的试验。铸件的力学性能如下表2所示。
表2
Figure BPA00001256073500061
强度水平远高于奥氏体铸件，该奥氏体铸件一般表现出约200MPa的屈服强度和约500MPa的极限强度。通过圆柱试样的车削加工进行机械加工性能的测试，并且在图1中示出了结果。该图显示了对于车削加工15分钟的工具寿命的容许切削速度。工具嵌体为硬质合金类型。本发明铸件的机械加工性能优于304L型的奥氏体钢。这与奥氏体钢被视为具有更好的机械加工性能的预期结果相反。
对于用下表3中的以重量百分比表示的化学组成制造的本发明铸件执行进一步的试验。
表3
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Ni   Mo   Cu   N
  0.024   0.69   4.89   0.020   0.001   21.45   1.60   0.20   0.25   0.230
从140mm厚的铸造型材取下30mm厚的方形试样，并且通过使用气体保护金属电弧焊对试样进行模拟的修补焊接。基体金属处于铸造原态。在试样中制作沟槽并然后通过焊接使用适于该合金的填充材料填充所述沟槽。电弧能量为0.7～0.8kJ/mm。同样，在热影响区域中，所得焊缝没有裂纹并表现出正常的显微组织。在图2中示出这一点。
可通过不同的铸造工艺来铸造本发明的铸件，例如离心铸造、冷硬铸造、模压铸造、熔模铸造、压力铸造、永久铸模铸造、砂型铸造和真空铸造。尽管具有高的氮含量，但是铸造性能是良好的，没有表现出现开裂或孔隙形成的趋势。这是因为在钢中具有3～8％的高水平的锰，且优选地可以使用4～6％范围的锰。铸件优选在1020～1100℃的温度下被固溶退火然后快速冷却。但是，可以在铸造原态下使用较薄的型材。虽然显微组织不是性能并且可能难以正确测量，但是本发明包含大致相等量的奥氏体和铁素体，可容许的相范围为30～70％。此外，该显微组织对于金属间相的析出具有非常高的抵抗性，这进而赋予低的脆化敏感性。本发明的铸件在铸态原态以及固溶退火状态下表现出优异的机械加工性能。
因此，本发明的双相铸件由于具有高的机械加工性能、高的强度和良好的焊接性能从而提供了对于奥氏体铸造材料的合意且廉价的替代物。本发明的铸件可特别有利地用于泵、阀、叶轮的各种方案和部件中，或者用于下述的其它方案中：其中在铸造原态或者在若干进一步的处理(诸如固溶退火和淬冷条件)之后在铸件中需要高的机械加工性能、高的强度和良好的焊接性能的组合。

Claims (18)

1.一种不锈钢产品，特别是具有高的机械加工性能的双相不锈钢铸件，其包含：至多0.07重量％的碳、至多2重量％的硅、3～8重量％的锰、19～23重量％的铬、0.5～1.7重量％的镍、至多为1重量％钼和/或钨且式(Mo+1/2W)小于1重量％、至多1重量％的铜和0.15～0.30重量％的氮，余量为铁和偶存杂质。
2.根据权利要求1所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含至多0.05重量％的碳。
3.根据权利要求2所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含至多0.03重量％的碳。
4.根据前述权利要求中任一项所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含4～6重量％的锰。
5.根据前述权利要求中任一项所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含21～22重量％的铬。
6.根据前述权利要求中任一项所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含1.1～1.7重量％的镍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的不锈钢产品，其特征在于，它包含0.20～0.26重量％的氮。
8.前述权利要求中任一项所述不锈钢产品的用途，其用在泵中。
9.前述权利要求1～7中任一项所述不锈钢产品的用途，其用在阀中。
10.前述权利要求1～7中任一项所述不锈钢产品的用途，其用在叶轮中。
11.前述权利要求中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过离心铸造制造该产品。
12.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过冷硬铸造制造该产品。
13.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过模压铸造制造该产品。
14.模模压铸造造1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过熔模铸造制造该产品。
15.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过压力铸造制造该产品。
16.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过永久铸模铸造制造该产品。
17.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过砂型铸造制造该产品。
18.前述权利要求1～10中任一项所述不锈钢产品的制造方法，其特征在于，通过真空铸造制造该产品。
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