CN1084794C - 具有改良切削性的抗点蚀双相不锈钢合金 - Google Patents

Abstract

提供一种抗点蚀能力很高的双相不锈钢合金，该合金含有下列重量百分比的成分：C：0.10%和更低；Si：1.5%和更低；Mn：2.0%和更低；Cr：25.0%～27.0%；Ni：5.0%～7.5%；Cu：1.5%～3.5%；N：0.15%和更低；Mo：0.5%和更低；剩余部分基本为铁和不可避免的杂质。这种合金当浇铸后在铸模中进行加速热处理时，与在密闭热处理炉中经非常缓慢控制冷却后的相同合金组成相比，具有显著改善的切削加工性。

Description

具有改良切削性的抗点蚀双相不锈钢合金

                        相关申请

本申请与1997年9月5日提交的序列号为60/0581090的临时申请相关。

                        技术领域

本发明涉及具有改良切削性的抗点蚀双相不锈钢合金。

                        发明背景

本发明涉及一种双相不锈钢，该钢浇铸后不进行单独的热处理工序，而是在铸模中进行模内加速热处理，这种双相不锈钢具有改良的切削加工性并保持优良的抗点蚀性能。

Rainger等人(美国专利No 4612069和4740254)描述了一种具有改良抗点蚀能力的双相不锈钢合金。这些专利中描述为“X-6”的合金在本文中称作“86号合金”。“86号合金”是通过在一种合金(75号合金)中加入2wt％的铜，但未同时添加钼元素而得到的。不加钼而加铜使得双相不锈钢合金可在密闭热处理炉中非常缓慢地控制冷却，从而将有害的拉伸残余应力降至最低，同时保持良好的延展性和抗腐蚀能力。

一种相当商业化生产的含钼合金是瑞典Avesta Prefab.A.V.的3RE60SRG。本申请所讨论的双相不锈钢的典型成分以重量百分比列于下表1：

                                表1

合金	Cr	Ni	Cu	Mo
					75号合金	25.7	6.8	-	-
86号合金	26	6.8	2.0	-
					X-11	26	6.8	2.0	-
3RE60 SRG	18.5	5.0	-	2.8

86号合金可用于化学工业、制浆业和造纸业。86号合金可用于(但并不局限于)制造容器、蒸馏罐、管道系统之类的产品；也可用于造纸机械轧辊辊套(roll shell)例如涂饰辊、沟槽辊和盲孔辊，也可应用于造纸机械吸辊辊套(suction roll shell)例如中心辊、伏辊、蘸料辊(pickup roll)、压辊和挤干辊。这些制品在它们的制造过程中需要数百小时的机加工和钻孔时间，本发明的X-11合金也具有与上相同的用途，但具有更短的制造周期和改良的机械加工性及可钻性。

竞争的压力促使冶金方面开发这样一种双相不锈钢合金：既具有它们最终使用时所必须的抗蚀性，又能在更短的时间内制造出来。X-11合金通过其化学成分和铸模内加速热处理可得到所需性能的综合。采用模内加速热处理可免除常规合金所需的单独热处理工序，从而缩短制造时间；可提供更平直、圆度更好的离心铸件，进而对机床设备的要求降低；提供易于机加工和钻孔的合金，因而制造产品所需的机加工和钻孔时间降低；刀具磨损降低，因而制造设备不需停下来以更换钝刀。

为成功地用于制浆和造纸业的吸辊辊套，双相不锈钢合金所需的特性是通过特定化学组成得到的，通过该化学组成可获得铁素体基体上分布着奥氏体的双相显微组织，在侵蚀性造纸机白水(white water)中具有耐蚀性、对疲劳裂纹的扩展具有抵抗能力和低的残余应力。X-11合金除具有其独特的加工特性外，也能满足以上这些使用要求。

有意加入钼后的双相不锈钢不能采用模内热处理方法，因为模内热处理方法的冷速不够快，无法避免脆性相及降低耐蚀性相的形成。所以需要附加的热处理工序以溶解这些不合需要的相，并随后快冷以防止这些相的再次形成。为抗点蚀而加铜的86号合金和X-11合金的化学成分可以允许慢得多的冷速而不形成那些脆性相。

双相不锈钢的机械加工性被认为受它们高的退火强度所局限(金属手册，第9版，pp.689～690)。Carlborg，C.、Nilsson，A.和Franklind，P-A，在“双相不锈钢的机械加工性”(1991年10月在法国BeauneBourgogne召开的会议论文集，Vol.1，pp.683～696)一文中讨论了一系列冶金变量如高温强度、夹杂物、组织及合金元素对双相不锈钢机械加工性的影响，但并没有认识到模内加速热处理可以提高其机械加工性。Charles，J.，Dupoiron，F.，Souglignac，P.，和Gagnepain，Jr.，在“UR 35N Cu：一种具有改良机械加工性的新型富铜不含钼的双相不锈钢”(1991年10月在法国Beaune Bourgogne召开的会议论文集，Vol.2，pp.1274～1281)一文中报道了在水淬双相不锈钢中加铜可以提高其机械加工性。然而，具有与86号合金相同铜含量的X-11合金可以通过模内加速热处理得到改良的机械加工性，这是Charles等人没有意识到的。

先前的炼钢技术认为提高奥氏体不锈钢的机械加工性可通过加入会降低抗蚀性的诸如硫和硒之类的合金元素来得到(金属手册，第9版，p.686)，或者，需要采用特殊的炼钢手段以控制钢中氧化物夹杂的成分(金属手册，第9版，p.688；Johansson，R.，Davison，R.，的“具有优良性能的可锻双相不锈钢吸辊”，1996年TAPPI工程会议论文集，pp.103～109；Carsson，T.，“Prodec-如何解决加工问题”，pp.9～12)。而为使X-11合金具有高的机械加工性和可钻性，以上两种方法都不需要。

                           发明简述

提供一种高抗点蚀能力的双相不锈钢合金，该合金含有下列重量百分比的成分：C：0.10％和更低；Si：1.5％和更低；Mn：2.0％和更低；Cr：25.0％～27.0％；Ni：5.0％～7.5％；Cu：1.5％～3.5％；N：0.15％和更低；Mo：0.5％和更低；剩余部分基本为铁和不可避免的杂质，以上元素构成了具有高点蚀抗力的双相不锈钢材料。这种合金当浇铸后在铸模中进行加速热处理时，与在独立工序的密闭热处理炉中经非常缓慢控制冷却后的同种成分的合金相比，具有显著改善的机械加工性。

                      优选方案描述

本文中所述的模内加速热处理用于中空的柱状离心铸件，但也可应用于显微组织和残余应力的控制处于重要地位的其它铸造双相不锈钢产品。熔融金属倒入铸模中凝固，最终冷至室温。现有技术双相不锈钢工艺要求将铸件从铸模中取出，在另一个生产设备(即炉子)中以独立的工序进行热处理以得到最佳的耐蚀性。本发明X-11合金的独特之处在于它采用在铸模内通过一个加速过程进行热处理，因而可以取消一个重要的热处理工序。本发明的合金可不需要单独的炉中控制冷却工序而得以生产。

在冷却过程中铸造双相不锈钢产品内部的温度与其外部的温度基本保持相同，对内部和外部的温度同时进行控制，以使它们以相同的速率缓慢冷却。

对于模内加速冷却，铸件冷却的速率控制在金属形成有效强度的温度范围之内，即约260℃～1090℃(500°F～2000°F)；以及保持模内合金的温度与模外温度之差不超过约450℃。在这个温度范围之内，通过测量内部和外部温度，铸件内径处的温度与铸件外径处的温度之差保持在250℃(450°F)之内。内部和外部温度的冷却速率可由以下方法进行控制：对内径处进行加热或在铸模各端使用绝热手段，以降低铸件的冷速；或使用如可控数量的强制风冷、水雾冷却、喷水冷却或其它冷却介质之类的冷却方法或其它冷却技术以加快冷却速率。

完成模内加速热处理所需的时间小于约20小时，此时间决定于铸件的重量。这个热处理时间同86号合金所需的加热时间相比，要短得多，后者所需的时间，约72～144小时还要加上等待热处理炉空闲可能耽误的时间。X-11合金的模内加速热处理在整体时间的节省上、减少材料传递和避免生产过程中的阻塞问题等方面上表现出极大的优势。

采用模内加速热处理后，X-11合金机械加工性和可钻性的改善可由钻孔试验得以证实，这个试验可灵敏地同时反映出机械加工性和可钻性。该试验中，用M42级麻花钻头在试验块上钻直径为约4mm(0.156英寸)的孔。钻孔总深度为38mm(1.5英寸)，分步进行。第一步6mm(0.25英寸)深，余下的各步骤3mm(0.125英寸)。所用转速750转/分钟，进给量51mm(2.03英寸)/分钟，钻头用钻削用油润滑，钻孔试验的结果是钻头在断裂、过量磨损或产生过大的噪音和震动前所钻孔的数量。结果如下表II所示，数值越高越合乎要求。

             表II

试样	所钻孔数
		86号合金	79
X-11试样#1	252
		X-11试样#2	217

X-11试样所用钻头的钻孔寿命是86号合金所用钻头寿命的大致三倍，这是刀具寿命上显著的和意想不到的提高，这要归因于X-11合金所采用的模内加速热处理技术。

                        材料性能

采用电化学方法测量耐蚀性，试样在模拟造纸厂内白水的强腐蚀溶液中进行，条件如下：35mg/l硫代硫酸根离子，400mg/l氯离子，800mg/l硫酸根离子，PH值4.1，温度54℃。采用一个叫做“安全系数(margin ofsafety)”的数值来衡量耐蚀性，此数值越高越合乎需求。安全系数列于下表III中。

                   表III

合金	安全系数(mV)
		86号合金(铸造后使用的历史范围内)	560～1120
X-11	920

超过450件生产的制品在使用中未发现86号合金被腐蚀。X-11合金920mV的安全系数接近86号合金的所经历的最高数值，X-11号合金在强腐蚀白水中具有与86号合金优良耐蚀性相当的耐蚀性。对于像X-11合金这样经过模内加速热处理的合金，这是出乎意料的和独特的发现。

耐疲劳裂纹扩展能力采用循环加载紧凑拉伸试样进行确定。试样在模拟造纸厂内白水的强腐蚀溶液中进行，条件如下：50mg/l硫代硫酸根离子，200mg/l氯离子，500mg/l硫酸根离子，PH值3.5，温度50℃，加载频率25Hz。测出一个叫做应力强度门槛值(ΔK_th)的特性参数，经过简化的力学分析可以算出临界裂纹尺寸，此数值越高越合乎需求。

                         表IV

疲劳裂纹扩展试验是最能反映材料在使用中抵抗腐蚀断裂能力的试验室试验(Yeske，R.，“吸辊用合金的腐蚀疲劳试验”，TPPI期刊，1988年3月；Yeske，R.，Revall，M.，Thompson，C.，“双相不锈钢在吸辊应用中的腐蚀断裂”，TAPPI期刊，1994年8月；美国金属学会国际部(ASMInternational)，金属手册，第9版，16卷，pp.686～690)。X-11合金的疲劳裂纹扩展抗力介于75号合金和86号合金之间，后两者都在一系列白水腐蚀介质中具有优良的使用性能，X-11合金也可提供优良的使用性能。

残余引力是在已加工圆筒的内直径(I.D.)处测量的。经过缓慢炉中冷却热处理工序的86号合金的名义I.D.拉伸残余应力为24Mpa(3500psi)，经过模内加速热处理的X-11合金的名义I.D.拉伸残余应力为52Mpa(7600psi)，而低于83Mpa(12000psi)的值均可以接受。

本发明提供唯一同时具有优良使用性能和生产特性，特别是更好的机械加工性和钻孔性的双相不锈钢，其优良的生产特性得自于模内加速热处理。

Claims (7)

1.一种具有高点蚀抗力的铁素体-奥氏体双相铸造不锈钢合金，对该合金进行模内加速热处理，从而控制有害的拉伸残余应力，同时保持良好的机械加工性、延展性和抗腐蚀能力，其中所述的模内加速热处理包括控制在约260℃～约1090℃温度之间的铸件冷却速率，并保持模内合金的温度与模外的温度之差不超过约450℃，该合金基本上由下列重量百分比的成分组成：C：0.10％和更低；Si：1.5％和更低；Mn：2.0％和更低；Cr：25.0％～27.0％；Ni：5.0％～7.5％；Cu：1.5％～3.5％；N：0.15％和更低；Mo：0.5％和更低；剩余部分为铁和不可避免的杂质。

2.权利要求1的合金，其中的Cr含量为约26％，Ni为约6.8％，Cu为约2.0％。

3.一种形成具有高点蚀抗力的铁素体-奥氏体双相铸造不锈钢合金的方法，它包括在铸模内对该合金进行加速热处理，从而控制有害的拉伸残余应力，同时保持良好的机械加工性、延展性和抗腐蚀能力，其中所述的模内加速热处理包括控制在约260℃～约1090℃温度之间的铸件冷却速率，并保持铸件内径处的温度与铸件外径处的温度之差不超过约250℃，该合金基本上由下列重量百分比的成分组成：C：0.10％和更低；Si：1.5％和更低；Mn：2.0％和更低；Cr：25.0％～27.0％；Ni：5.0％～7.5％；Cu：1.5％～3.5％；N：0.15％和更低；Mo：0.5％和更低；剩余部分为铁和不可避免的杂质。

4.权利要求3的方法，其中铸件内部温度和铸件外部温度的冷却速率通过对铸件内部加热进行控制。

5.权利要求3的方法，其中铸件内部温度和铸件外部温度的冷却速率通过在铸件各端使用绝热手段进行控制。

6.权利要求3的方法，其中铸件内部温度和铸件外部温度的冷却速率可通过加快铸件的冷速进行控制。

7.权利要求3的方法，其中对所述合金进行加速热处理的时间为约20小时或更少。