CN112981218A - 高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢合金的制造方法，包括下列步骤：一持温熔炼步骤：将多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将感应熔炼设备中的空气抽出，再通入10~30大气压的氮气后，以一熔炼温度持温熔炼使该些熔炼原料熔融成高氮低镍含量的不锈钢熔汤，其中熔炼温度低于该不锈钢熔汤的浇铸温度，该些熔炼原料包括含铁材料、含钒材料、含铬材料、含钼材料、含硅材料、含镍材料及含锰材料；以及一不锈钢熔汤固化步骤：将不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一奥氏体不锈钢合金。本发明的感应熔炼设备只须在10~30大气压的氮气环境下以低于不锈钢熔汤的浇铸温度进行持温熔炼，可避免消耗大量氮气、降低制造成本以及避免在高压下进行熔炼所增加的制程危险性。

Description

高强度耐腐蚀奥氏体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强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金及其制造方法。

背景技术

依据EN 10088-1的定义，钢中至少含有10.5 wt.%铬且含碳量不超过 1.2 wt.%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，与一般碳钢涂覆材料所不同的是，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。

奥氏体不锈钢合金主要是添加元素为铬、镍、锰，区分为200及300系。200系不锈钢与300系不锈钢同属奥氏体系(Austenitic series)。300系不锈钢保持奥氏体组织的方法为加镍，而200系则减少镍、铬含量，增加锰、氮含量，以维持奥氏体组织的稳定性。部份200系不锈钢会添加铜，除能稳定奥氏体组织，同时能提高材料成型性。

奥氏体不锈钢合金的特性应用：无法借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。奥氏体不锈钢对一般性腐蚀(General Corrosion)抵抗大，但有粒间腐蚀(Inter-granularCorrosion)的缺点，其原因为 600～800℃的温度加热，使铬的碳化物再结晶粒子界析出所致。

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。高氮低镍含量的不锈钢合金仍具有高强度及低腐蚀速率。

高氮低镍奥氏体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奥氏体不锈钢而言，不锈钢中最大氮含量约在重量百分比0.05 wt.%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化合金，此方法最高可制作出氮含量约重量百分比0.7 wt.%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奥氏体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0.8~1.5 wt.%或0.8~1.8 wt.%的不锈钢材料，但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，便有需要提供一种具有高氮低镍含量的高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金，以解决前述的问题。

发明内容

本发明的一目的是提供一种高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金的制造方法，其以低于不锈钢熔汤的浇铸温度进行持温熔炼。

依据上述的目的，本发明提供一种奥氏体不锈钢合金的制造方法，包括下列步骤：

一持温熔炼步骤：将多个熔炼原料放置在一感应熔炼设备内，将感应熔炼设备中的空气抽出，再通入10~30大气压的氮气后，以一熔炼温度持温熔炼使该些熔炼原料熔融成不锈钢熔汤，其中熔炼温度低于该不锈钢熔汤的浇铸温度，该些熔炼原料包括含铁材料、含钒材料、含铬材料、含钼材料、含硅材料、含镍材料及含锰材料；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一奥氏体不锈钢合金。

在一些实施例中，所述熔炼原料包括：铁基合金、钒铁、铬铁、钼铁、硅铁、含镍材料及含锰材料。

在一些实施例中，该熔炼温度介于该些熔炼原料其中之一的最高熔点及最低熔点之间。

在一些实施例中，该持温熔炼步骤中：在该熔炼温度范围为摄氏1385~1455度进行至少15分钟的持温熔炼。

在一些实施例中，该浇铸温度的范围为摄氏1580~1620度。

在一些实施例中，该些熔炼原料更包括含氮材料。

在一些实施例中，以其总重为100 wt.%计算，该奥氏体不锈钢合金包括下列元素：

16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.7~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1 wt.%的硅、≦2 wt.%的锰及0.1~1 wt.%的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

在一些实施例中，该奥氏体不锈钢合金更包括下列元素：磷≦0.045 wt.%及硫≦0.03 wt.%。

本发明更提供一种奥氏体不锈钢合金，以其总重为100 wt.%计算，奥氏体不锈钢合金包括下列元素：16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.7~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1 wt.%的硅、≦2 wt.%的锰及0.1~1 wt.%的钒、磷≦0.045 wt.%及硫≦0.03 wt.%，其余部分为铁及不可避免的杂质。

本发明的高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金具有高氮低镍含量。相较于先前技术的Fe-Cr-Mn奥氏体不锈钢必须在高氮气压力下熔炼(氮气压力高达50大气压)，本发明的感应熔炼设备只须在10~30大气压的氮气环境下以低于不锈钢熔汤的浇铸温度进行持温熔炼，而不须以高达50大气压的氮气压力来增加氮溶解度，如此可避免消耗大量氮气、降低制造成本以及避免在50大气压的高压下进行熔炼所增加的制程危险性。

附图说明

图1为本发明的一实施例的高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金的制造方法流程图；

图2为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。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和特点能更明显易懂，配合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强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金的制造方法流程图。高强度耐腐蚀奥氏体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，将感应熔炼设备中的空气抽出，再通入10~30大气压(atm)的氮气后，以一熔炼温度持温熔炼使该些熔炼原料熔融成高氮低镍含量的不锈钢熔汤，其中熔炼温度低于不锈钢熔汤的浇铸温度，该些熔炼原料包括含铁材料、含钒材料、含铬材料、含钼材料、含硅材料、含镍材料及含锰材料；以及

(2)不锈钢熔汤固化步骤S2：将不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一奥氏体不锈钢合金。

举例，本发明的持温熔炼步骤S1是指在抽真空后，在10~30大气压的氮气环境下，将铁基合金、钒铁、铬铁、钼铁、含镍材料及含锰材料等在熔炼温度范围约为摄氏1385~1455度(此温度范围低于该不锈钢熔汤的浇铸温度范围约为摄氏1580~1620度) 进行至少15分钟的持温熔炼，使该些熔炼原料熔融混合。上述熔炼温度介于该些熔炼原料其中之一的最高熔点及最低熔点之间。该些熔炼原料中可另加入硅铁，以使得该些熔炼原料进行熔炼后另包含有硅的成分。

由于在熔炼制程中不锈钢合金熔汤温度越高则氮溶解度越小的影响，该熔炼温度范围摄氏1385~1455度为可熔炼且为最佳氮溶解度的温度范围，如此一来感应熔炼设备只须在10~30大气压的氮气环境下进行持温熔炼，而不须以高达50大气压的氮气压力来增加氮溶解度。

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)。由于本发明加入钒(V)元素，其具有较佳的吸氮功能，因此也可增加氮溶解度。氮作为合金元素加入不锈钢中具有稳定奥氏体组织，可提高奥氏体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奥氏体相稳定存在的温度范围扩大，促使奥氏体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。

在另一实施例中，本发明的持温熔炼步骤S1中，该些熔炼原料中亦可另加入含氮材料(例如氮化铁)置入感应熔炼设备中进行熔融，如此则可增加氮在不锈钢熔汤中的比例及均匀性。

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括有以重量百分比计：16~18 wt.%的铬(Cr)、1~5 wt.%的镍(Ni)、0.5~1.0 wt.%的氮(N)、1~3 wt.%的钼(Mo)、≦0.075 wt.%的碳(C)、≦1 wt.%的硅(Si)、≦2 wt.%的锰(Mn)、0.1~1 wt.%的钒(V)，其余部分为铁及不可避免的杂质。较佳地，不锈钢合金包括0.7~1.0 wt.%的氮(N)。详细而言，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：16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.5~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1wt.%的硅、≦2 wt.%的锰、0.1~1 wt.%的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。较佳地，不锈钢熔汤包括0.7~1.0 wt.%的氮(N)。

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0.045 wt.%，硫较佳是低于0.03 wt.%。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与前案的比较例11及12的差异表，如下：

接续

接续

表一

综上所述，本发明的高强度耐腐蚀奥氏体不锈钢合金具有高氮低镍含量。相较于先前技术的Fe-Cr-Mn奥氏体不锈钢必须在高氮气压力下熔炼(氮气压力高达50大气压)，本发明的感应熔炼设备只须在10~30大气压的氮气环境下以低于不锈钢熔汤的浇铸温度进行持温熔炼，而不须以高达50大气压的氮气压力来增加氮溶解度，如此可避免消耗大量氮气，降低制造成本增加，以及避免在50大气压的高压下进行熔炼所增加的制程危险性。

综上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依据本发明专利权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种奥氏体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10~30大气压的氮气后，以一熔炼温度持温熔炼使该些熔炼原料熔融成高氮低镍含量的不锈钢熔汤，其中该熔炼温度低于该不锈钢熔汤的浇铸温度，该些熔炼原料包括含铁材料、含钒材料、含铬材料、含钼材料、含硅材料、含镍材料及含锰材料；以及

一不锈钢熔汤固化步骤：将该不锈钢熔汤进行浇铸，以固化成一奥氏体不锈钢合金。

2.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该持温熔炼步骤中：将铁基合金、钒铁、铬铁、钼铁、硅铁、含镍材料及含锰材料进行持温熔炼。

3.如权利要求2所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该熔炼温度介于该些熔炼原料其中之一的最高熔点及最低熔点之间。

4.如权利要求3所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该持温熔炼步骤中：在该熔炼温度范围为摄氏1385~1455度进行至少15分钟的持温熔炼。

5.如权利要求4所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该浇铸温度的范围为摄氏1580~1620度。

6.如权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该些熔炼原料更包括含氮材料。

7.如权利要求6所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，以其总重为100wt.%计算，该奥氏体不锈钢合金包括下列元素：

16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.7~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1 wt.%的硅、≦2 wt.%的锰及0.1~1 wt.%的钒，其余部分为铁及不可避免的杂质。

8.如权利要求7所述的奥氏体不锈钢合金的制造方法，其特征在于，该奥氏体不锈钢合金更包括下列元素：磷≦0.045 wt.%及硫≦0.03 wt.%。

9.一种奥氏体不锈钢合金，其特征在于，以其总重为100 wt.%计算，该奥氏体不锈钢合金包括下列元素：

16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.7~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1 wt.%的硅、≦2 wt.%的锰及0.1~1 wt.%的钒、磷≦0.045 wt.%及硫≦0.03 wt.%，其余部分为铁及不可避免的杂质。

10.一种奥氏体不锈钢合金，其特征在于，以其总重为100 wt.%计算，该奥氏体不锈钢合金由下列元素所构成：

16~18 wt.%的铬、1~5 wt.%的镍、0.7~1.0 wt.%的氮、1~3 wt.%的钼、≦0.075 wt.%的碳、≦1 wt.%的硅、≦2 wt.%的锰及0.1~1 wt.%的钒、磷≦0.045 wt.%及硫≦0.03 wt.%，其余部分为铁及不可避免的杂质。

Images