CN111334700A - 高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金包括下列元素：16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。本发明的高氮低镍含量的不锈钢合金特别加入钒(V)元素，可增加氮溶解度，降低镍的用量，提高该不锈钢合金的抗拉强度及降伏强度，并降低腐蚀速率及制作成本。

Description

高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种不锈钢合金及其制造方法，且特别是有关于一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金及其制造方法。

背景技术

依EN 10088-1的定义，钢中至少含有10.5wt％的铬且含碳量不超过1.2wt％时才称为不锈钢。不锈钢比一般钢材具更佳的抗腐蚀性及耐热性，在大气中可常保金属光泽。不锈钢耐腐蚀的原理是：铬在金属表面形成连续致密的氧化膜(俗称钝化膜)。此钝化膜可隔绝金属与外在环境的接触，所以具有耐腐蚀的功能。不锈钢表面钝化膜，可隔绝金属与外在环境的接触，与一般碳钢涂覆材不同的是，即使表面钝化膜遭外力刮伤后，仍可自行修复而生成新的表面钝化膜。而耐蚀能力与钝化膜的稳定性有关，这除了与不锈钢的化学成份有关外，还与腐蚀介质的种类、温度、压力、流速等有关。

沃斯田铁不锈钢合金主要添加元素为铬、镍、锰，区分为200及300系。200系不锈钢与300系不锈钢同属沃斯田铁系(Austenitic series)。300系不锈钢保持沃斯田铁组织的方法为加镍，而200系则减少镍、铬含量，增加锰、氮含量，以维持沃斯田铁组织的稳定性。部份200系不锈钢会添加铜，除能稳定沃斯田铁组织，同时能提高材料成型性。

沃斯田铁系不锈钢合金的特性应用如下：无法通过热处理改变其机械性质(无淬火硬化性)，但具有优良的延性及韧性，常施以低温加工，使其加工硬化增加强度和硬度。沃斯田铁系不锈钢对一般性腐蚀(General Corrosion)抵抗大，但有粒间腐蚀(Inter-granular Corrosion)的缺点，其原因为600～800℃的温度加热，使铬的碳化物再结晶粒界析出所致。

由于镍的成分是作为降低该不锈钢的腐蚀速率，但是镍的价格较为昂贵，因此对新一代不锈钢材料而言，以氮代镍的资源节约型高氮低镍不锈钢合金则应运而生。

高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金是指不锈钢中的氮含量高于在大气下熔炼所制作出不锈钢中的氮含量，对以大气熔炼法所制作的沃斯田铁不锈钢而言，不锈钢中最大氮含量约在重量百分比0.05wt％左右。现今在工业生产，不锈钢熔炼制程均普遍使用电弧炉、感应炉、转炉、氧气氩气脱碳炉、或真空氧气脱碳炉(VOD炉)等设备在大气或低真空环境下熔制不锈钢。以大型VOD炉熔制不锈钢为例，是将氮气吹入炉体底部，以增加不锈钢的氮含量。

再者，若需增加不锈钢氮含量，例如在熔炼制程中常添加含氮合金，此方法最高可制作出氮含量约重量百分比为0.7wt％的不锈钢材料。在高氮气压力下熔炼亦为一种增加不锈钢中氮溶解度有效的方法，Fe-Cr-Mn沃斯田铁不锈钢在高氮气压力下熔炼(氮气压力高达50大气压)可制作出氮含量为重量百分比0.8-1.5wt％或0.8-1.8wt％的不锈钢材料，唯此种高压熔炼设备造价昂贵且生产时需消耗大量氮气，导致制造成本增加，而在高压下进行熔炼亦增加了制程的危险性。

因此，便有需要提供一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，解决前述的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的是提供一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，其加入钒(V)元素，可增加氮溶解度。

依据上述的目的，本发明提供一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金包括下列元素：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

进一步地，其中所述的高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，更包括：磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％。

本发明还提供一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金只由下列元素所组成：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰及0.1～1wt％的钒、磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％，其余部分为铁及不可避免的杂质。

本发明还提供一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法，包括下列步骤：

一持温熔炼步骤：将不锈钢合金的多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将该感应熔炼设备中的空气抽出，再通入高于大气压的氮气后，以接近于浇铸温度的持温熔炼使该熔炼原料熔融成一高氮低镍含量的不锈钢熔汤；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金，其中以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金包括下列元素：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰及0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

进一步地，其中该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金更包括：磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％。

本发明进一步提供了一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法，包括下列步骤：

一持温熔炼步骤：将不锈钢合金的多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将该感应熔炼设备中的空气抽出，再通入高于大气压的氮气后，以接近于浇铸温度的持温熔炼使该熔炼原料熔融成一高氮低镍含量的不锈钢熔汤；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金，其中以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金只由下列元素所组成：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒、磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％，其余部分为铁及不可避免的杂质。

本发明的高氮低镍含量的不锈钢合金特别加入钒(V)元素，可增加氮溶解度，降低镍的用量，提高该不锈钢合金的抗拉强度及降伏强度，并降低腐蚀速率及制作成本。

附图说明

图1为本发明的一实施例的高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法流程图。

图2显示各种合金元素在摄氏1600度对液态铁的氮熔解度的影响。

其中：

S1-持温熔炼步骤；

S2-不锈钢熔汤固化步骤。

具体实施方式

为了让本发明的上述目的、特征和特点能更明显易懂，兹配合以下附图将本发明相关实施例详细说明如下。

图1为本发明的一实施例的高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法流程图。该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法包括下列步骤：(1)持温熔炼步骤S1：将不锈钢合金的多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将该感应熔炼设备中的空气抽出，再通入高于大气压(atm)的氮气后，以接近于浇铸温度的持温熔炼使该熔炼原料熔融成一高氮低镍含量的不锈钢熔汤；以及(2)不锈钢熔汤固化步骤S2：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金。

举例，本发明的持温熔炼步骤S1是指在抽真空后，再以高于大气压(例如30～50大气压)的氮气环境下，将铁基合金、钒铁、铬铁、钼铁、镍及锰等材料进行熔炼温度范围约1580～1620摄氏度(此温度范围接近于浇铸温度)的持温熔炼，使该些材料熔融混合。该些熔炼材料中亦可另加入硅铁，以使得该些材料进行熔炼后另包含有硅的成分。

请参考图2，其显示各种合金元素在摄氏1600度对液态铁的氮熔解度的影响。各种合金元素的影响标准化为相对于铬(Cr)的影响(各种合金元素的相互作用系数除以铬(Cr)系数)。由于本发明特别加入钒(V)元素，其具有较佳的吸氮功能，因此可增加氮溶解度。氮作为合金元素加入不锈钢中具有稳定沃斯田铁组织，可提高沃斯田铁不锈钢力学性能及耐腐蚀的作用。此外，添加氮(N)元素的合金组成可使沃斯田铁相稳定存在的温度范围扩大，促使沃斯田铁相在冷却过程中能重新形成，使得合金的耐蚀性及机械性质不因焊接而大幅破坏，可提高低镍不锈钢合金的抗拉强度、抗孔蚀及间隙腐蚀能力。

请再参图1所示，本发明的不锈钢熔汤固化步骤S2将该不锈钢熔汤进行浇铸，经过快速冷却后，可固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金，借此使固化后的不锈钢合金包含有以重量百分比计：16～18wt％的铬(Cr)、1～5wt％的镍(Ni)、0.4～0.7wt％的氮(N)、1～3wt％的钼(Mo)、≦0.075wt％的碳(C)、≦1wt％的硅(Si)、≦2wt％的锰(Mn)、0.1～1wt％的钒(V)，其余部分为铁及不可避免的杂质。详言之，当前述材料加入感应熔炼设备以形成熔融合金后，接着便取样测量该熔炼设备中熔融合金的重量组成比例，以确定该熔融混合的不锈钢熔汤的组成重量百分比维持在：16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

该合金材料中另包含有部分杂质，例如硫(S)、磷(P)等成分，以重量百分比计，磷较佳是低于0.045wt％，硫较佳是低于0.03wt％。如此，使该熔融混合后的合金维持上述组成比例，待冷却固化后便可获得形成本发明的高氮低镍含量的不锈钢合金。

请参考表一所示，其为本发明不同配比的实施例1～4与现有技术的比较例11及12的差异表，如下表一：

表一(以重量百分比计)

接续

	C	Si	P	S
					实施例1	0.034	0.078	0.017	0.010
实施例2	0.043	0.081	0.024	0.014
					实施例3	0.036	0.069	0.031	0.012
实施例4	0.039	0.072	0.029	0.015
					比较例11	0.035	0.483	≦0.024	≦0.008
比较例12	0.037	0.427	≦0.028	≦0.011

接续

	抗拉强度(Mpa)	降伏强度(MPa)	腐蚀率(mpy)
				实施例1	1499	946	0.077
实施例2	1511	952	0.072
				实施例3	1462	921	0.081
实施例4	1478	929	0.087
				比较例11	525	≧209	0.289
比较例12	520	≧207	0.305

综上所述，从上述表1中可以看出，本发明的高氮低镍含量的不锈钢合金特别加入钒(V)元素，可增加氮溶解度，降低镍的用量，提高该不锈钢合金的抗拉强度及降伏强度，并降低腐蚀速率及制作成本。

以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并不能以其限定本发明的专利保护范围；即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，其特征在于，以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金包括下列元素：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，其特征在于，更包括：磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％。

3.一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金，其特征在于，以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金只由下列元素所组成：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰及0.1～1wt％的钒、磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％，其余部分为铁及不可避免的杂质。

4.一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

一持温熔炼步骤：将不锈钢合金的多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将该感应熔炼设备中的空气抽出，再通入高于大气压的氮气后，以接近于浇铸温度的持温熔炼使该熔炼原料熔融成一高氮低镍含量的不锈钢熔汤；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金，其中以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金包括下列元素：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰及0.1～1wt％的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

5.如权利要求4所述的高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金更包括：磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％。

6.一种高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

一持温熔炼步骤：将不锈钢合金的多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将该感应熔炼设备中的空气抽出，再通入高于大气压的氮气后，以接近于浇铸温度的持温熔炼使该熔炼原料熔融成一高氮低镍含量的不锈钢熔汤；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一高氮低镍含量的不锈钢合金，其中以其总重量为100wt％计算，该高氮低镍沃斯田铁不锈钢合金只由下列元素所组成：

16～18wt％的铬、1～5wt％的镍、0.4～0.7wt％的氮、1～3wt％的钼、≦0.075wt％的碳、≦1wt％的硅、≦2wt％的锰、0.1～1wt％的钒、磷≦0.045wt％及硫≦0.03wt％，其余部分为铁及不可避免的杂质。

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