CN104254627A

CN104254627A - 具有更好的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢

Info

Publication number: CN104254627A
Application number: CN201380006194.XA
Authority: CN
Inventors: F·维西瑙斯基
Original assignee: KLAUS KUHN EDELSTAHLGIESSEREI GmbH
Current assignee: KLAUS KUHN EDELSTAHLGIESSEREI GmbH
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-12-31
Also published as: DE102012100908A1; KR20140127843A; ES2581524T3; EP2809818A1; JP2015511272A; JP6322145B2; EP2809818B1; WO2013113718A1

Abstract

本发明涉及一种具有改善的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢，该双相钢拥有或由以下化学成分构成(以下皆为质量比)：C<0.070％，Si<1.5％，Mn<1.0％,Cr21.0％至23.0％,Ni1.0％至3.0％,Cu1.0至3,0％N0.10％至0.30％Mo<0.5％其余为铁以及杂质。按本发明的双相钢的特征在于，无需必要的热处理就具有良好的焊接性、良好的切削加工性、高强度、以及低温时(例如-40℃)的缺口冲击性，并且尤其适用于压力容器。

Description

具有更好的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢

技术领域

本发明涉及一种新型双相钢，尤其节约型双相钢，其具有更好的缺口冲击韧性以及切削加工性。

背景技术

至今，在不锈钢市场上，奥氏体不锈钢具有尤其大的意义。这种奥氏体不锈钢正越来越受到双相钢排挤。目前已知存在四大类双相钢：标准双相钢、超级(super)双相钢、超级(hyper)双相钢以及节约型双相钢。它们之间的区别在于不同的化学组成、不同的机械学特性及抗腐蚀特性。双相钢基于双相结构，其由份额近似相同的铁素体(α-铁)相和奥氏体(γ-铁)相组成。双相钢融合了各种特征，其中铁素体相实质上提供高强度和高应力腐蚀裂纹抗性(SCC：Stress Corrosion Cracking)，奥氏体相提供延展性以及通常的抗腐蚀性。属于不锈钢和抗酸性钢之列的双相钢已有70年历史。

近几年来，合金元素(尤其镍和钼)价格明显上升。尤其镍的高价成为了推动研究带有不锈钢特性的替代合金的原动力。该替代合金减少镍和钼的比重，拥有与不锈钢相同的强度特性以及实际上与不锈钢相同的抗腐蚀特性。

该研究的成果之一便是节约型双相钢。几年以前，这种低镍钼比重的双相不锈钢的生产曾是复杂而昂贵的。基于新生产工艺，节约型双相钢的工业生产已成为可能。节约型双相钢的抗应力撕裂腐蚀性和抗点蚀性高于类似的奥氏体不锈钢。在相同热负担和导热性下，它膨胀没那么强。此外，相对于奥氏体钢，这种实际上含有相同比重的铁素体和奥氏体的材料拥有即便在焊接后状态下也双倍于奥氏体钢的基本强度。这些特性可在建筑技术中用于建设性地减少加固元素。例如人们需要更少的加固点，这样既简化组装，又可以减少建造建筑表面时使用冷桥的数量。生产节约型双相钢时，碳含量减少会带来更好的韧性以及更好的延展性。

在铁素体-奥氏体双相钢领域中已描述了很多种锻造合金和铸造合金。下文对一些来自目前技术水平的建议进行详细说明：

美国专利4 798 635描述一种带有高抗腐蚀性和良好的可焊接性的铁素体-奥氏体钢合金，其中该钢合金实质上由以下元素组成(以下百分比皆为质量比)：

C：不超过0.06％

Si：不超过1.5％

Mn：不超过2.0％

Cr：21.0％至24.5％

Ni：2.0％至5.5％

Cu：0.01％至1.0％

N：0.05％至0.3％

其余为铁以及通常杂质构成的组成成分。元素的含量如此相互对应，以致其α铁含量在35％至65％之间。该合金尤其适合暴露于温度60℃以上，同时氯化物最高达1000ppm的环境中，其中其奥氏体相对10％至30％范围内的冷变形有抗性。

该合金被研发于锻造领域以减少合金成本。通过节约合金元素镍和钼，生产出了拥有相似强度而抗腐蚀性减少的双相钢。该合金也适用于铸造合金。

此外，WO 02/27056 AI(EP 1 327 008 A1)描述一种铁素体-奥氏体不锈钢，此不锈钢的微结构实质上由35％至65％(体积比)的铁素体及35％至65％(体积比)的奥氏体组成，其化学成分如下(以下皆为质量比)：

C：0.005％至0.07％

Si：0.1％至2.0％

Mn：3％至8％

Cr：19％至23％

Ni：0.5％至1.7％

可能含有Mo和/或W，总量最高为1.0％(Mo+W/2)，

可能含有Cu，最高1.0％

N：0.15％至0.30％

其余为铁及杂质。

此外，对铁素体及奥氏体生成素有如下条件，也就是说Cr和Ni量如下：

20<Creq<24.5

10<Nieq,其中

Creq＝Cr+1.5Si+Mo+2Ti+0.5Nb及

Nieq＝Ni+0.5Mn+30(C+N)+0.5(Cu+Co).

为继续减少合金成本，该钢的铬含量被进一步减少，昂贵的镍部分地被锰取代。

与WO 02/27056 A1一致的不锈钢化学组成成分尤其在WO 2009/138570 A1(EP 2279 276 A1)中被作为铸造合金描述。所描述的高的锰含量以及与铸造合金相比更大的颗粒大小使得该合金的转变温度受到推移，并使该材料在低使用温度下脆化。

目前技术水平下，根据EP 1 867 748 A1已知一种合金组成成分如下(以下皆为质量比)：

C<0.05％

21％<Cr<25％,

1％<Ni<2.95％,

0.16％<N<0.28％,

Mn<2.0％,

Mo+W/2<0.5％,

Mo<0.45％

W<0.15％,

Si<1.4％,

Al<0.05％,

0.11％<Cu<0.50％,

S<0.010％,

P<0.040％,

B<0.0005％,

Co<0.5％,

REM<0.1％,

V<0.5％,

Ti<0.1％,

Nb<0.3％,

Mg<0.1％,

其它为铁及杂质。

这里涉及的是一种铸造合金，其含有最多2％的锰，但不含铜。

此外，在2010年10月13日至15日的法国博纳的第八届不锈钢大会上，Ugitech公司展示了一种材料编号1.4669的新合金。但该合金含有质量比1-3％的锰，所以与依照本发明的合金并不相同。

发明内容

本发明有以下目的，提供一种铁素体-奥氏体不锈钢，该不锈钢避免目前技术水平中的缺点。该不锈钢的昂贵合金元素含量比常规的市售双相钢更少，但仍提供好的特性，尤其是高强度、高抗腐蚀性、高可铸造性及高可加工性。尤其镍和钼在该合金中的含量应被减少，但同时仍应获得所期望的双相钢特性。

依照本发明，上述目的将通过一种具有更好的缺口冲击韧性以及切削加工性的双相钢得以实现。其中，该双相钢拥有或由化学成分构成(以下均为质量比)：

C<0.070％,

Si<1.5％,

Mn<1.0％,

Cr：21.0％至23.0％,

Ni：1.0％至3.0％,

Cu：1.0％至3.0％,

N：0.10％至0.30％

Mo<0.5％

其余为铁及杂质。

由此将提供一种具有更好的缺口冲击韧性以及切削加工性的铁素体-奥氏体不锈钢，尤其一种节约型双相钢，优选节约型双相钢铸造合金。依照本发明，通过对合金组成成分的选择提供一种合金，其除了具有高强度以外，即使在低温也具有好的缺口冲击韧性(例如-40℃)。

依照本发明的钢合金也显示出好的可焊性。在焊接之后热处理的必要性和种类取决于材料的化学组成成分、焊接添加剂、元件的形状、壁厚度、焊接条件、强度特性、无损检测的范围以及必要遵守的额外条件。

此外，依照本发明所提供的钢具有好的抗腐蚀性。耐点蚀当量(简写PRE：Pittingresistance equivalent)，也被称为功效和，用来评估含镍合金对点蚀和缝隙腐蚀的抗性。点蚀通常描述位于金属上的小的以及点状的腐蚀位置。该腐蚀可能在金属表面之下大幅扩散。缝隙腐蚀是一种局部加速的腐蚀，可导致缝隙范围内(例如关节间隙)出现腐蚀沉积。钢对此种腐蚀形式的保护能力与不同的合金元素含量相关。耐点蚀当量按照以下公式计算：

PRE＝[质量百分比]Cr+3.3[质量百分比]Mo+16[质量百分比]N，

其中铬、钼和氮在公式中为质量百分比。耐点蚀当量越高，材料对点腐蚀和缝隙腐蚀的耐腐蚀性就越高。

依照本发明的钢的化学组成成分，尤其节约型双相钢铸造合金的化学组成成分，通过以下公式定义得出耐点蚀当量超过26。

PRE＝[质量百分比]Cr+3.3[质量百分比]Mo+16[质量百分比]N>26

此外，依照本发明的双相钢具有尤其好的机械学特性。

室温下对依照本发明的材料最低要求如下：

屈服强度：Rp0.2>400MPa

切削加工性：Rm>600MPa

拉伸：A>30％

缺口冲击韧性：Av>80J

Av(-40℃)>27J。

依照本发明的钢可以优先使用于双相钢特性具有优势的地方。

比如一些要求高强度、好的可焊性、好的切削加工性以及好的缺口冲击韧性的领域，尤其是当低温也要考虑时。简单举例：离心机或制造分离机的转鼓壳、压力容器(以焊接结构形式也如此)，化工和造纸工业的轧辊。

下文将着眼于其特性、意义以及在钢中的相互作用，逐一说明依照本发明的节约型双相钢中的合金元素。

在合金元素中要根本区分它们是碳化物生成素、奥氏体生成素还是铁素体生成素，也就是说区分将它们加入钢的目的。每种合金元素根据不同含量给予钢不同的特性。一些合金元素可能提高效果。但它们也可能拥有互相效果，它们相互作用产生复杂的、并不一目了然的总体效果。一些特定合金元素的存在只是为所期望的特性创造条件，这些特性在加工和热处理之后才会确实出现。

碳(熔点3974℃)

在依照本发明的钢合金中，碳是可选成分。这个元素可以稳定奥氏体相。碳作为铁中的合金元素降低熔点，作为间隙固溶的合金元素提高强度。随着碳成分增加，M23C6-碳化物形成的危险也会升高，这将降低延展性、韧性以及抗腐蚀性。所以，依照本发明使用的碳质量比将少于0.070％，优选质量比少于0.050％，最优选质量比少于0.030％，以改善抗腐蚀性。

硅(熔点1410℃)

硅，在依照本发明的钢合金中也只是可选成分，是一种铁素体稳定剂，也是去氧化剂。

它有个缺点，硅含量较高会加速生成脆的金属互化物相(σ相和类似相)，减少韧性。硅提高强度和磨损强度，增大融化后的钢的流动性并由此减少铸造生产中的表面缺陷。硅含量高则增加抗结垢性，抗酸性和抗腐蚀性。所以，依照本发明使用硅含量(质量比)<1.5％，优选<1.0％，最优选少于0，50％，以改善韧性。

锰(熔点1221℃)

锰是一种奥氏体稳定剂。例如它用于提高氮的溶解度。

锰吸附硫生成硫化锰，以此减少硫化铁的不良影响，它在双相不锈钢融化时还有去氧化作用，加强钢的热处理性。所以锰对锻造性和焊接性有正面影响。屈服强度、强度以及焊接抗性会通过加入锰提高。锰提高切削加工性并由此提高其承受力。但是大量的锰影响抗腐蚀性，也使得不受欢迎的、脆的金属互化物相更易于形成。由此，依照本发明锰含量(质量比)控制在<1.0％，优选小于0.50％，以改善韧性。锰作为可选成分，依照本发明也可以完全不使用。

铬(熔点1920℃)

依照本发明的钢中，尤其考虑到维系抗腐蚀性以及调节铁素体与奥氏体比例，铬是一种实质性的元素。铬会稳定铁素体。铬含量过大会强化生成金属互化物，例如σ相，材料会由此脆化。所以依照本发明的双相钢使用铬的含量为质量比21.0％至23.0％。

镍(熔点1455℃)

镍是面心立方体元素，所以在其固溶温度范围内是稳定奥氏体的。因为奥氏体的堆垛层错能上升，镍有增加钢韧性的效果。堆垛层错能越高，奥氏体向马氏体的机械学和/或热转换将变困难，韧性将由此提高。固定的铬以及钼含量下，过高的镍含量将导致奥氏体含量上升并由此减少强度。镍的原材料价格与其他合金元素相比较高而且波动大，所以依照本发明将尽可能地使用其他合金元素取代镍。所以依照本发明，使用的镍含量为质量比1.0％至3.0％，优选2.0％至3.0％。

铜(熔点1083℃)

铜也是奥氏体相的稳定剂，并对抗腐蚀性(尤其酸性媒介下)有正面影响。因为铜在铁素体中的溶解度在低温下急剧下降，铁素体中会离析出高含铜相。由此屈服强度与强度比将增加。此外，铜会减少抗点蚀性以及抗锈腐蚀性。所以依照本发明，使用铜含量为质量比1.0％至3.0％，优选1.5％至2.5％。另外，和镍一样，铜对低温韧性具有正面影响。

氮

氮是奥氏体生成素，也就是说它稳定奥氏体结构成分。氮通常在双相钢中填隙溶解，其中95％的氮浓缩于奥氏体。这导致奥氏体晶格很强的坚固性并由此提高奥氏体相的硬度以及提高双相钢总体强度。这种强的晶格坚固性导致韧性随着温度的降低而减少。随着被溶解氮含量的增加，抗点蚀性以及抗缝隙腐蚀性上升。

但没被溶解的氮通过在铁素体相中产生氮化物而降低韧性。所以，依照本发明的氮含量质量比为为0.10％至0.30％，优选0.15％至0.25％。

钼(熔点2622℃)

钼依照本发明为双相钢合金的可选成分。钼用于稳定铁素体相。与铁相比，钼是非常大的原子。所以，钼作为被溶解的取代原子提高屈服强度以及切削加工性。通过加入钼，尤其在氯化物媒介中的抗腐蚀性得到提高。钼含量过高将导致钢在其生产中出现脆化。由于钼原料价格非常高而且钼易挥发，所以使用钼含量低，质量比小于0.5％。

除了以上元素，依照本发明的钢除了铁和无法避免的杂质外，实质上不再优选加入其他成分。无法避免的杂质是例如硫、磷等。由此，依照本发明的双相不锈钢是相对奥氏体钢的另一种经济的选择(尤其节约型双相钢合金)，优选节约型双相钢铸造合金，它具有特别好的特性，例如改善的缺口冲击韧性(尤其在低温下，例如-40℃)、好的切削加工性、高强度以及无需后期热处理的良好可焊接性。依照本发明的双相不锈钢，尤其以铸造合金形式，尤其在一些不同的、本发明特别符合其要求的应用中具有优势。

本发明的目的也在于将依照本发明的双相钢在高压或温度低于0℃的环境下使用。

尤其优选的应用例于离心机及分离机，尤其转鼓壳；各类压力容器；

化工以及造纸工业的轧辊。

以下通过举例说明本发明，这些例子将说明但不限制依照本发明的理论。

举例：

以下表1所示熔体，其生产根据本发明双相钢的化学成分：

表1

对于表1中的熔体，室温下得出以下表2中所示的机械学特征值：

表2

对于在低温下的冲击能量，得出表3中所示特征值：

表3

置入样品	Av(室温)	Av(0)	Av(-20)	Av(-40)
					C39895	181	161	105	56
B40674	218	91	67	38
					D24640	152	57	31	30

所得特征值以及表2所示的特征值证实依照本发明的双相钢的优势特征。

Claims

1.一种具有改善的缺口冲击韧性和切削加工性的双相钢，该双相钢拥有或由以下化学成分构成(以下皆为质量比)：

C<0.070％，

Si<1.5％，

Mn<1.0％,

Cr21.0％至23.0％,

Ni1.0％至3.0％,

Cu1.0至3,0％

N0.10％至0.30％

Mo<0.5％

其余为铁以及杂质。

2.根据权利要求1中所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比最多达0.050％的碳。

3.根据权利要求1中所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比最多达0.030％的碳。

4.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比<1.0％的硅。

5.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比<0.50％的硅。

6.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比<1.0％的锰。

7.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比<0.50％的锰。

8.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比21.5％至22.5％的铬。

9.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比2.0％至3.0％的镍。

10.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比1.5％至2.5％的铜。

11.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其含有质量比0.15％至0.25％的氮。

12.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其铁素体相的体积比在35％至65％之间，且其奥氏体相的体积比在35％至65％之间。

13.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其通过以下公式所定义的耐点蚀当量(PRE)大于26。

PRE＝[质量百分比]Cr+3.3[质量百分比]Mo+16[质量百分比]N

14.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其缺口冲击能量Av(室温)>80J。

15.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢，其特征在于，其缺口冲击能量Av(-40℃)>27J。

16.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢在高压和/或温度低于0℃条件下之使用。

17.根据上述权利要求中至少一项所述的双相钢用于：

离心机及分离机，尤其是转鼓壳；

各种压力容器；

化工以及造纸工业中的轧辊制造。