CN108431281B - 三相不锈钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

公开了三相不锈钢及其生产方法。根据本发明的一个实施方案的三相不锈钢可包含形成在其内部的铁素体相；形成在包括表面的最外部分上的奥氏体相；以及形成在铁素体相与奥氏体相之间的马氏体相。因此，通过包含其，可以提供具有高耐腐蚀性、高强度和高韧性的三相不锈钢。

Description

三相不锈钢及其生产方法
技术领域
本公开内容涉及三相不锈钢及其制造方法，并且更具体地，涉及通过将活性氮(generator nitrogen)(N)渗入铁素体不锈钢的表面和内部使铁素体不锈钢相变获得的三相不锈钢及其制造方法。
背景技术
通常，已知向不锈钢中添加氮时，通过细化晶粒提高了韧性，并且通过降低碳的扩散速率延迟碳化物的析出来提高耐腐蚀性。因此，通常向不锈钢添加预定范围量的氮来提高强度和耐腐蚀性。
因此，开发了高氮不锈钢并通过向多种奥氏体不锈钢和双相不锈钢中添加氮来商业化。氮在钢中的固溶度非常低，像碳一样，并且氮主要作为氮化物存在。
由于氮具有比碳小的原子半径并且主要以惰性氮气状态存在，因此在钢中形成氮固溶体非常困难。因此，为了提高氮的固溶度，可以使用包含大量与氮具有高亲和力的合金元素(例如，铬(Cr))的不锈钢。通常，这些不锈钢具有高的氮固溶度。
通常，为了在合金钢中形成氮的固溶体，使用复杂的工艺和专用加压设备将量为数十ppm至0.45％的固溶度极限的氮溶解在熔融金属中。
氮在钢水中的固溶度极限为约0.45％，并且已知其中难以溶解另外量的氮。图1是示出氮在合金钢中的固溶度的图。图1示出了相对于温度的氮的固溶度。即，在不使用特别溶解装置，例如加压设备的情况下，形成熔融金属状态的氮的固溶体非常困难。
可以进行氮渗透热处理以在合金钢中形成氮的固溶体。这种氮渗透处理通常用于包含能够提高氮在奥氏体相中的固溶度的元素，例如铬(Cr)、钼(Mo)、锰(Mn)和钨(W)的不锈钢中。由于氮化物容易在包含易于形成氮化物的元素，例如钛(Ti)、铌(Nb)和钒(V)的钢中与氮渗透同时析出，因此耐腐蚀性可能劣化并且可能不会形成氮的固溶体。
同时，由于在氮渗透温度下氮难以从具有非常低的氮固溶度的铁素体不锈钢的表面渗入其中，机械用途的铁素体不锈钢因不良摩擦和磨损特性而受到限制。
(专利文献0001)韩国专利No.10-0831022
发明内容
技术问题
本公开内容旨在提供包含依次从钢的表面向内的奥氏体相、马氏体相和铁素体相的三相不锈钢及其制造方法。
此外，本公开内容旨在提供这样的三相不锈钢和制造所述三相不锈钢的方法：其通过氮的渗透处理使铁素体相变为马氏体相和奥氏体相以由于氮的固溶度增强和耐腐蚀性提高而改善机械特性从而具有高强度和高韧性以及优异的表面耐腐蚀性。
技术方案
本公开内容的一个方面提供了三相不锈钢，其包含形成在中心区域中的铁素体相；形成在包括表面的最外区域中的奥氏体相；以及形成在铁素体相与奥氏体相之间的马氏体相。
奥氏体相、马氏体相和铁素体相可以从不锈钢的表面向内依次形成。
不锈钢可以包含，以按全部组成的重量百分比(％)计，0.01％或更少的碳(C)、0.5％或更少的硅(Si)、17％至20％的铬(Cr)、1.0％至5.0％的钼(Mo)、0.1％至0.2％的镍(Ni)、1.0％或更少的锰(Mn)、0.01％至0.2％的钛(Ti)、0.1％至0.6％的铌(Nb)、0.1％或更少的铝(Al)、0.03％或更少的磷(P)和0.005％或更少的硫(S)、以及剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。
溶解在奥氏体相中的氮的含量可为1.0重量％或更多，溶解在马氏体相中的氮的含量可为0.6重量％或更多至小于1.0重量％，以及溶解在铁素体相中的氮的含量可小于0.6重量％。
通过下式(1)获得的不锈钢的耐点蚀指数可为54或更大：
PREN＝Cr+3.3Mo+30N-Mn……式(1)。
渗入表面中的氮的含量(式(1)中的N的值)可为1.0％或更多。
奥氏体相的晶粒尺寸可为50μm或更小。
不锈钢的表面硬度可为300HV或更高。
本公开内容的另一个方面提供了制造三相不锈钢的方法，其包括：将铁素体不锈钢置于其中温度保持在900℃至1280℃的炉室内；通过向炉室内注入氮气(N2)形成氮气氛；通过分解氮气(N2)产生活性氮(N)；提供1.0％或更多的渗入钢中的氮以使最外区域相变为奥氏体相；提供0.6％至1.0％的渗入钢中的氮以使最外区域内的外部区域相变为马氏体相；以及提供小于0.6％的渗入钢中的氮以使所述马氏体相以内的部分相变为保持铁素体相。
有益效果
根据本公开内容的实施方案，氮可以使用高浓度的氮通过氮渗透处理渗入并溶解在铁素体不锈钢板中。因此，使钢板的包括表面的最外区域的铁素体相相变为具有优异表面耐腐蚀性的奥氏体相，使钢板的最外区域内的外部区域的铁素体相相变为具有高强度的马氏体相，并且钢板的中心区域的铁素体相保持高的韧性。因此，可以获得依次包括从表面向内的奥氏体相、马氏体相和铁素体相的三相不锈钢。
因此，由于通过渗透和溶解氮增强形成氮的固溶体的效果，可以改善不锈钢的耐腐蚀性和机械特性。此外，由于中心区域包含具有高韧性的铁素体相，所以可以提供具有高韧性以及优异耐腐蚀性和高强度的三相不锈钢。
此外，可以通过使用固相合金钢而不是液相提供三相不锈钢，并且可以在不使用专用加压设备的情况下以比液相中的固溶度极限更大的量溶解氮。
附图说明
图1是示出氮在合金钢中的固溶度的图。
图2和图3是用于描述在将辅助样品置于铁素体不锈钢板附近并进行使氮渗入钢板中的过程之后进行的氮渗透处理的图。
图4是氮渗透处理之后三相不锈钢板的截面的光学显微镜图像。
图5是示出通过EBSD获得的图4的组织的相分析结果的照片。
图6是用于描述氮渗透处理之后三相不锈钢板的硬度相对于距离表面的深度的图。
具体实施方式
根据本公开内容的一个实施方案，可以提供一种三相不锈钢，其包含形成在中心区域中的铁素体相；形成在包括表面的最外区域中的奥氏体相；以及形成在铁素体相与奥氏体相之间的马氏体相。
发明实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的实施方案。提供这些实施方案以将本公开内容的概念完全转达给本领域的普通技术人员。然而，本公开内容可以以许多不同的形式实施而不应限于本文所示的示例性实施方案。在附图中，为了使本公开内容的说明书清楚，省略与说明书无关的部分，并且元件的尺寸为了清楚起见可以被放大。
图1是示出氮在合金钢中的固溶度的图。图2和图3是用于描述在将辅助样品置于铁素体不锈钢板附近并进行使氮渗入钢板中的过程之后进行的氮渗透处理的图。
参照图1至图3，将描述根据一个实施方案的制造三相不锈钢的方法，其包括进行使氮渗入铁素体不锈钢的过程。
作为铁素体不锈钢，可以使用包含以下的铁素体不锈钢板：以全部组成的重量百分比(％)计，0.01％或更少的碳(C)、0.5％或更少的硅(Si)、17％至20％的铬(Cr)、1.0％至5.0％的钼(Mo)、以及剩余部分的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。此外，不可避免的杂质可以包含0.1％至0.2％的镍(Ni)、1.0％或更少的锰(Mn)、0.01％至0.2％的钛(Ti)、0.1％至0.6％的铌(Nb)、0.1％或更少的铝(Al)、0.03％或更少的磷(P)和0.005％或更少的硫(S)。
例如，铁素体不锈钢可为STS 304钢、STS 444钢等。
使氮渗入铁素体不锈钢中的方法包括将铁素体不锈钢板10置于其中温度保持在1280℃或更低的炉室内。
参照图1，可以获得氮在合金钢中的固溶度。例如，在包含18.4％的Cr的合金钢的情况下，可以证实的是，随着温度从1280℃增加，氮的固溶度迅速降低至约0.2％。因此，炉室的温度可以优选保持在1280℃或更低。
例如，更优选地，炉室内的温度可以更优选保持为900℃至1280℃。当炉室的温度低于900℃时，注入炉室的氮气(N2)不能分解成活性氮(N)，导致氮气分子(N2)与钢板表面碰撞并且氮(N)渗入钢板的渗透速率降低。因此，温度的下限可以优选为900℃。
接下来，将辅助样品20置于钢板10附近，然后向炉室内注入氮气(N2)以形成氮气氛，并将氮气氛保持1分钟或更长。
尽管辅助样品20可以是与钢板10相同的合金钢，但是实施方案不限于此，而是可以使用不同的金属。例如，辅助样品20可以是与钢板10相同的合金钢或者多个钢板10可以彼此相邻设置以用作辅助样品20。通过对相同的钢件进行批量处理可以降低制造成本并且可以提高效率。
此外，面向钢板10的辅助样品20的表面形状可以与钢板10的相同或相似，从而获得均匀的氮渗透效果。
此外，为了获得对钢板10的均匀氮渗透效果，辅助样品20的尺寸可以等于或大于钢板10的尺寸。
通过使预定量的N2气体流入炉室而注入氮气(N2)来形成氮气氛。分子形式的氮气(N2)在炉室中于高温下分解以产生活性氮(N)。逐渐地，炉室填充有活性氮(N)。
或者，当在不向其施加压力的情况下除了使形成氮气氛的氮气(N2)流动的方法之外，还需要活化活性氮(N)的浓度分压时，可以将氮气(N2)连续地注入炉室以使炉室内的分压达到1.0kgf/cm2或更高。
钢板10和辅助样品20可以尽可能靠近放置。例如，钢板10与辅助样品20之间的间隔可为1000nm或更小。
炉室的内部保持在高温下，由此所生成的活性氮(N)非常有效地移动。因此，渗透效率会由于活性氮原子之间或活性氮(N)与钢板10的表面之间的碰撞降低。
因此，通过将钢板10和辅助样品20彼此相邻地放置，可以在钢板10与辅助样品20之间相对增加活性氮(N)的浓度。钢板10与辅助样品20之间的活性氮(N)的非常活跃的移动可以增加与钢板10的碰撞次数。因此，氮可以有效地渗入钢板10深入钢板10的中心区域。
钢板10可以在炉室内保持1分钟或更长。随着保持时间的增加，氮可以更多地渗入钢板10中。然而，为了获得适用于本公开内容目的的耐腐蚀性和机械强度，钢板10可以在将炉室内的温度从900℃调节至1280℃的同时在炉室内保持30分钟至10小时。
图4是氮渗透处理之后三相不锈钢板的截面的光学显微镜图像。图5是示出通过EBSD获得的图4的组织的相分析结果的照片。
参照图4和图5，根据本公开内容的制造三相不锈钢的方法制造的三相不锈钢具有这样的组织：其中铁素体相形成在中心区域，马氏体相形成在铁素体相的外周边，以及奥氏体相形成在包括表面的最外区域中。
在这点上，渗透以使包括表面的最外区域的相相变为奥氏体相的氮的含量可为1.0％或更多并且渗透以使最外区域内的外部区域的相相变为马氏体相的氮的含量可为0.6％至1.0％。因此，奥氏体相、马氏体相和铁素体相可以从不锈钢的表面向内依次形成，从而形成三相不锈钢。
即，虽然在氮渗透处理之前整个铁素体不锈钢板仅具有铁素体相，但是随着氮固溶体的形成，钢板的包括表面的最外区域的铁素体相经由马氏体相相变为奥氏体相并且钢板的最外区域内的外部区域的铁素体相相变为马氏体相，并且铁素体相保持在钢板的中心区域中而不发生相变。
此外，根据本公开内容的一个实施方案的制造方法提供的三相不锈钢具有不同于本领域中通常使用的双相钢的那些的特征。
在本领域通常使用的双相钢中，不同相以混合状态存在于表面和内部。然而，根据一个实施方案的三相不锈钢可由于包括表面的最外区域由硬奥氏体相形成而具有提高的耐腐蚀性，由于最外区域内的外部区域由马氏体相形成而具有提高的强度，并且由于外部区域内的中心区域由软铁素体相形成而具有提高的韧性。即，由于中心区域由铁素体相形成，所以可以提高不锈钢的耐冲击性。
此外，1.0％或更多的渗入并扩散到三相不锈钢的表面中的氮不会析出，而是在表面以下形成固溶体，由此抑制奥氏体相的晶粒的生长，使得晶粒尺寸为50μm或更小。
图6是用于描述氮渗透处理之后三相不锈钢板的硬度相对于距离表面的深度的图。
耐腐蚀性可以根据从表面渗入铁素体不锈钢的N含量而变化。使用下式(1)来导出表示材料的耐点蚀指数的耐点蚀等效数(PREN)指数。
PREN＝Cr+3.3Mo+30N-Mn……式(1)
特别地，可以证实，由奥氏体相形成的表面的硬度大于奥氏体相内形成的马氏体相和铁素体相的硬度，这是由于渗入表面的氮的固溶度增强效果。在这种情况下，渗入表面的氮的含量可为1.2％。
在其中渗入表面的氮的含量为1.2％的情况下，下式(2)可以通过将N含量代入上面式(1)获得PREN指数来获得。
PREN＝18.66+3.3*1.74+30*1.2-0.85＝60.7……式(2)
在式2中，Cr：18.66％，Mo：1.74％，和Mn：0.85％
基于上述结果，可以证实三相不锈钢的表面硬度为通常作为奥氏体不锈钢已知的STS 304钢(PREN指数为18.0)的约三倍或更大。
具体地，在氮渗透处理之前铁素体不锈钢板的表面硬度为约160HV至180HV。然而，在氮渗透处理之后，根据本公开内容的一个实施方案的三相不锈钢板的表面硬度显著增加至300HV或更高。
相反，在氮渗透处理之后，三相不锈钢的内部具有马氏体相和铁素体相并且具有比表面硬度低的硬度，为约200HV至280HV。
尽管已经参照示例性实施方案具体描述了本公开内容，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节上的改变。
工业适用性
根据本公开内容的实施方案的三相不锈钢具有优异的耐摩擦性和耐磨性并且在工业上适用于机械应用。

Claims (7)

1.一种三相不锈钢，所述三相不锈钢包含：以按全部组成的重量百分比(％)计，0.01％或更少的碳(C)、0.5％或更少的硅(Si)、17％至20％的铬(Cr)、1.0％至5.0％的钼(Mo)、0.1％至0.2％的镍(Ni)、1.0％或更少的锰(Mn)、0.01％至0.2％的钛(Ti)、0.1％至0.6％的铌(Nb)、0.1％或更少的铝(Al)、0.03％或更少的磷(P)和0.005％或更少的硫(S)，以及剩余部分包含铁(Fe)和其他不可避免的杂质，
所述三相不锈钢包含：形成在中心区域中的铁素体相；
形成在包括表面的最外区域中的奥氏体相；以及
形成在所述铁素体相与所述奥氏体相之间的马氏体相，
其中所述奥氏体相、所述马氏体相和所述铁素体相从所述不锈钢的所述表面向内依次形成。
2.根据权利要求1所述的三相不锈钢，其中溶解在所述奥氏体相中的氮的含量为1.0重量％或更多，溶解在所述马氏体相中的氮的含量为0.6重量％或更多至小于1.0重量％，以及溶解在所述铁素体相中的氮的含量小于0.6重量％。
3.根据权利要求1所述的三相不锈钢，其中通过下式(1)获得的所述不锈钢的耐点蚀指数为54或更大：
PREN＝Cr+3.3Mo+30N-Mn……式(1)。
4.根据权利要求3所述的三相不锈钢，其中渗入表面的氮的含量(式(1)中的N的值)为1.0％或更多。
5.根据权利要求1所述的三相不锈钢，其中所述奥氏体相的晶粒尺寸为50μm或更小。
6.根据权利要求1所述的三相不锈钢，其中所述不锈钢的表面硬度为300HV或更高。
7.一种制造三相不锈钢的方法，所述方法包括：
将铁素体不锈钢置于其中温度保持在900℃至1280℃的炉室内，所述铁素体不锈钢包含：以按全部组成的重量百分比(％)计，0.01％或更少的碳(C)、0.5％或更少的硅(Si)、17％至20％的铬(Cr)、1.0％至5.0％的钼(Mo)、0.1％至0.2％的镍(Ni)、1.0％或更少的锰(Mn)、0.01％至0.2％的钛(Ti)、0.1％至0.6％的铌(Nb)、0.1％或更少的铝(Al)、0.03％或更少的磷(P)和0.005％或更少的硫(S)，以及剩余部分包含铁(Fe)和其他不可避免的杂质；
通过向所述炉室内注入氮气(N2)形成氮气氛；
通过分解所述氮气(N2)产生活性氮(N)；
提供1.0％或更多的渗入钢中的氮以使最外区域相变为奥氏体相；
提供0.6％至1.0％的渗入钢中的氮以使所述最外区域内的外部区域相变为马氏体相；以及
提供小于0.6％的渗入钢中的氮以使所述马氏体相以内的部分相变为保持铁素体相。
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