CN1352319A - 具有高机械强度和抗腐蚀的马氏体不锈钢 - Google Patents

具有高机械强度和抗腐蚀的马氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种可用于制造像轴或叶轮等要求很高机械强度和抗腐蚀能力制品的马氏体不锈钢,该马氏体不锈钢含有小于0.06wt.%的C、小于2.5wt.%的Si、小于2.5wt.%Mn、1.0－6.0wt.%的Ni、10.0－19.0wt.%的Cr、0.5－6.0wt.%的W、小于3.5wt.%的Mo、小于0.5wt.%的Nb、小于0.5wt.%的V、小于3.0wt.%的Cu、0.05－0.25wt.%的N,其余为Fe和少量的杂质。

Description

具有高机械强度和抗腐蚀的马氏体不锈钢
本发明是关于马氏体不锈钢，尤其是关于在制造像轴承、叶轮或刀具等要求高机械强度和抗腐蚀制品中可使用的马氏体不锈钢。
一般不锈钢按照它的主要成分进行分类，像马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁氧体不锈钢、双炼不锈钢、沉淀硬化不锈钢和超级不锈钢。
这些不锈钢保证具有所要求的机械强度和抗腐蚀能力。因此，它们广泛应用到要求这种特性的工业设备和部件的制造中。
尤其是众所周知的410或420马氏体不锈钢具有很高的机械强度，已被用作制造能承受高离心力的锅炉泵叶轮或输送含磨蚀颗粒流体的管道的材料。
最新开发设计的动力设备，是通过增加锅炉涡轮机的入口温度来改进燃料效率，而且，也增加了涡轮泵的旋转速度。因此，要求一种能够承受动力设备严酷条件的材料。
尤其是锅炉供料泵，由于它必须输送含氧化物水垢或像煤、砂能对部件产生磨蚀的细小固体颗粒的流体，所以锅炉供料泵的部件必须具有很高的抗腐蚀、耐磨损以及很高的机械强度。
然而，410和420马氏体不锈钢，已被用于制造通常锅炉供料泵的部件，具有很高的机械强度，但也具有相当低的不耐腐蚀缺点。
即，由于马氏体不锈钢含有相当高重量的碳和12-18％铬，所以通过热处理加工，其机械强度可增加到很高的水平。但是，由于碳含量高，碳化铬沉积在颗粒周围，很容易形成铬耗尽的层，从而降低了抗腐蚀能力。
众所周知，由Avesta Sheffield公司开发研制的一种超级马氏体合金248SV，被用作制造锅炉供料泵的材料，这种合金通过减少碳量、增加铬量和添加镍，改进了抗腐蚀能力。然而，由于添加的镍是一种奥氏体稳定的元素，所以很难使合金具有较高百分比的马氏体结构，从而该合金的机械强度很低。
目本专利JP-1030665公开了一种不锈钢，改进了对海水和其他流体的抗腐蚀能力，然而，由于这种不锈钢含有3.5-7.0％的钴，所以增加了制造费用，而且，碳量超过0.08％，又降低了抗腐蚀能力。
因此，要求一种既具有很高机械强度，又具有很高抗腐蚀能力的不锈钢，这种不锈钢最适宜用来制造锅炉供料泵的叶轮和轴。
经过努力研究而完成的本发明可满足以上要求。
为满足上述要求，本发明提供了一种马氏体不锈钢，含有小于0.06wt.％C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％的Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.％的Mo、小于0.8wt.％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.04-0.25wt.％的N，其余为Fe和少量的杂质。
这种马氏体不锈钢最好进一步含有小于0.8Wt％的Ti或1.0Wt％的Ta中的至少一种。
根据本发明的另一个方面，这种马氏体不锈钢含有小于0.035wt.％的C、小2.0wt.％的Si、小于2.0wt.％的Mn、1.5-4.5wt.％的Ni、12.0-16.0wt.％的Cr、0.5-4.5wt.％的W、小于2.5wt.％的Mo、小于0.3wt.％的V、小于2.0wt.％的Cu、0.08-0.20wt.％的N，其余为Fe和少量杂质。
根据本发明的另一方面，制造这种马氏体不锈钢的方法，包括如下步骤：熔炼含有如下成分的不锈钢，即，小于0.06wt.％的C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％的Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.％的Cr、0.5-0.6wt.％的W、小于3.5wt.％的Mo、小于0.8wt.％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.04-0.25wt.％的N、其余为Fe和少量杂质；使熔炼的不锈钢在800-1150℃下承受奥氏体热处理和/或在350-575℃下使该不锈钢承受回火处理。
根据本发明的再一个方面，制造这种马氏体不锈钢的方法，包括如下步骤：熔炼含有如下成分的不锈钢，即，小于0.06wt.％的C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％的Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.t％的Mo、小于0.8wt.％的Nb、小于3.0wt.％的Cu、0.04-0.25wt.％的N、其余为Fe和少量杂质；对这种不锈钢进行机械处理，使该不锈钢产生加工硬度；使机械处理的不锈钢在800-1150℃下承受奥氏体热处理和/或在350-575℃下使该不锈钢承受回火处理。
伴随说明书中的，并构成说明书一部分的附图，说明本发明的实施例，并接合说明书解释本发明的原理。
图1是本发明最佳实施例中试验样品的屈服应力随回火温度变化而变化的曲线图。
图2是本发明最佳实施例中试验样品的延伸率随回火温度变化而变化的曲线图。
参照附图说明本发明的最佳实施例。
本发明的马氏体不锈钢包括小于0.06wt.％的C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％的Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.％的Mo、小于0.8wt.％的Nb、小于0.8wt.t％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.04-0.25wt.％的N、其余为Fe和少量杂质。马氏体不锈钢的组合物还将详细描述。
碳是与金属元素，像Cr、Mo、W、Nb和V结合形成碳化物的元素，可增加不锈钢的强度。当普通的410马氏体钢中的碳量增加到0.15wt.％时，碳化铬的沉积层将增加，本发明中，添加小于0.06wt.％的碳，最好小于0.035wt.％的碳。
硅是熔炼金属中的一种残存元素，可以作为熔炼剂添加，增加液体金属的流动度，限制小于2.5wt.％，以防止机械特性降低，最好添加小2.0wt.％的硅。
当Mn大于2.0wt.％时，像金属的延伸度等机械特性会降低，最好添加小于2.0wt.％的Mn。
Ni是一种形成奥氏体的元素，本发明中，由于C量小于0.06wt.％，所以Ni量至少应在1.0wt.％以上。然而，当Ni量高于6.0wt.％时，马氏体转换点和共晶温度(AC1)会大大降低，并产生过老化现象，降低抗淬火能力。因此，最好添加1.0-6.0wt.％的Ni。然而，最好进一步添加Ni到1.50-4.5wt％，以形成均匀的马氏体结构，并改进机械强度。
添加Cr是为改进抗腐蚀能力，因此能有效防止高温氧化和腐蚀，然而，当Cr量小于10wt.％时，抗腐蚀能力降低，当高于19wt.％时，受稳定的δ-铁氧体影响，而降低机械强度。因此，最好添加12.0-16.0wt.％的Cr。
添加W可改进高温度下的机械强度和回火阻力，与C结合形成碳化物，像M2C(M是金属元素)。尤其是，W能在预定PH下改进抗点蚀能力。然而，当添加小于0.5wt.％的W时，却不能获得这种效果，当高于6.0wt.％时，会形成大量的铁氧体，强度降低，并降低马氏体转换点，难以获得马氏体结构，因此，最好添加0.5-4.5wt％的W。
添加Mo可改进抗点蚀能力及机械强度，最好添加小于3.5wt.％的Mo，小于2.5wt.％尤为好。
添加Nb和V可分别形成NbC和V4C3，因此能增加高温下的机械强度。如果Nb和V各添加大于0.8wt.％，韧性和延伸性降低。因此，Nb和V各自添加最好小于0.8wt.％，小于0.3wt.％尤为好。
添加Cu可通过改进细粒大小改进抗腐蚀能力和抗高温蒸汽的硬化度，通过沉积一种Cu会引起锭分凝，使材料恶化。因此，最好添加小于2.0wt.％的Cu。
本发明中，当与普通的马氏体不锈钢比较时，降低了C量，额外地添加N，以减少δ-铁氧体和稳定奥氏体，此外，N能推迟钢转换成大的碳化物，像M23C6，以至于能防止Cr耗尽而引起抗腐蚀能力的降低，为获得这种效果，应添加大于0.04wt.％的N。然而，N量大于0.25wt.％时，会降低马氏体开始转换的温度，因此，降低了不锈钢的韧性。因此最好添加0.08-0.2wt.％的N。
具有上述描述组合物的马氏体不锈钢可用作熔炼制品，或者以后通过锻造、辊压和挤压加工形成板材或棒材。
此外，马氏体不锈钢可用作拉制的焊接钢丝，在普通的碳钢表面上形成高性能的元素。
当利用马氏体不锈钢通过简单的机械加工制造熔炼制品时，像磨削，而不会产生加工硬化，最好在800-1150℃下进行奥氏体热处理，以至于去除铸造熔析，并使微观结构均匀化。在完成奥氏体热处理后，最好选择在350-575℃下进行回火处理，以改进制品的机械特性。
当通过产生加工硬化的机械加工，像锻造、辊压，和挤压加工，用马氏体不锈钢加工制品时，最好在800-1150℃下承受奥氏体热处理和/或在350-575℃下进行回火处理，以改进制品的机械特征。
现在根据实际例子描述本发明的最佳方案。
实例
下表1中列出了与上述描述发明有关的马氏体不锈钢各样品例和比较例的组合物，将具有下表1所示组合物的钢在真空熔炉中熔化，并浇铸成150×150×300mm的铸锭。
表1
                                                组合物(wt％)
  C    Si   Mn   Ni   Cr    Mo     W    Nb    V   Cu   Ti    Ta     N   Fe
  样品例1   0.03   0.32   0.4   2.0   12.5   1.5   1.0   0.1   0.1    -    -    -   0.12   其余
  样品例2   0.03   0.31   0.5   2.0   13.0   1.5   1.0    -    -    -   0.05   0.1   0.21   其余
  样品例3   0.02   0.40   0.4   5.0   16.0   1.0   0.5   0.1   0.1   0.5    -    -   0.08   其余
  样品例4   0.03   0.25   0.4   2.0   16.0   0.5   3.0   0.1   0.2   0.4    -    -   0.21   其余
  样品例5   0.02   0.32   0.3   3.0   18.0   1.0   0.5   0.15   0.12   0.7    -    -   0.20   其余
  样品例6   0.02   0.35   0.7   2.1   13.2   1.7   1.1   0.1   0.1    -    -    -   0.11   其余
  样品例7   0.03   0.40   0.5   2.0   15.8   0.6   3.2   0.1   0.2   0.4    -    -   0.15   其余
  样品例8   0.05   0.43   0.6   2.1   13.6   2.0   1.0   0.1   0.1    -    -    -   0.13   其余
  比较例1   0.15   0.40   0.7    -   12.1    -    -    -    -    -    -    -   0.01   其余
  比较例2   0.21   0.41   0.7    -   12.8    -    -    -    -    -    -    -   0.01   其余
  比较例3   0.32   0.5   0.6    -   13.1    -    -    -    -    -    -    -   0.01   其余
  比较例4   0.02   0.42   0.7   5.0   16.0   1.0    -    -    -    -    -    -   0.01   其余
  比较例5   0.10   0.40   0.6   2.0   13.8   2.2   1.0   0.1   0.1    -    -    -   0.13   其余
  比较例6   0.19   0.42   0.6   2.1   13.7   2.0   1.0   0.1   0.1    -    -    -   0.12   其余
将铸锭切割成75×75×150mm大小，然后，使其在1100℃下承受2小时奥氏体热处理，制成试验样品。
利用维氏硬度计测量硬度，利用万能试验机测量屈服强度和延伸率。此外，利用测量的临界点蚀温度评价腐蚀特征。
另外，按照ASTMG48A标准，使用10％的FeCl3.6H2O溶液，同时变化温度0-10℃，进行抗腐蚀能力试验。按照ASTMG46A标准，使用10％的Feel3.6H2O测量腐蚀速率。
样品的硬度、延伸率、抗腐蚀能力表示于下表2。
表2
    硬度(Hv)   屈服强度(Kg/mm2)   延伸率(％) 临界点蚀温度(℃)
样品例1     418     105.8     10.2     ＜10.0
样品例2     475     120.8     8.6     ＜20.0
样品例3     392     98.8     12.0     ＜10.0
样品例4     425     106.0     11.0     ＜30.0
样品例5     430     109.5     12.0     ＜30.0
样品例6     429     110.2     11.0     ＜10.0
样品例7     312     80.5     11.2     ＜20.0
比较例1     307     78.5     17.0     ＜0.0
比较例2     381     99.0     11.2     ＜0.0
比较例3     412     105.2     9.8     ＜0.0
比较例4     302     78.0     14.5     ＜0.0
如表2所示，当与比较例1-4比较时，按照本发明制造的样品例1-7，在硬度和屈服强度方面得到改进，当与比较例比较时，某些样品的硬度和屈服强度提高了30％。而样品例的延伸率几乎与比较例的延伸率一致。
另外，样品例1-7的临界点蚀温度在低于10-30℃下形成，而比较例的临界点蚀温度是在低于0℃下形成，这就表明与比较例相比，按本发明制造的样品例的抗腐蚀特征得到改进。
下表3中示出了样品例和比较例的腐蚀速率。
表3
    腐蚀速率(mm/年)
   样品例6      1.7
   样品例7      2.5
   样品例8      2.9
   比较例5      3.7
   比较例6      6.4
如表3所示，当C量增加时，腐蚀速率也增加。这就表明不锈钢的C量越低，腐蚀速率也越低。
下表4示出了热处理马氏体不锈钢时的腐蚀速率。
表4
     腐蚀速率(mm/年)
    样品例6    样品例7
    熔炼时      13.0     17.3
  奥氏体热处理后      1.7     2.5
如表4所示，只进行熔炼而不进行任何热处理的样品腐蚀速率远远快于进行奥氏体热处理的样品腐蚀速率。这就表明通过进行热处理，可以大大改进不锈钢的抗腐蚀能力。
这试验样品的机械特性，而改变回火温度，通过奥氏体热处理制备样品，可在350-7502下进行回火热处理2小时。
图1示出了不锈钢在350-575℃的回火温度下具有最高的强度。屈服强度变化曲线与其他样品的曲线几乎一致。
图2示出了样品例6的延伸率变化随回火温度变化的曲线。
该曲线表明，当不锈钢经过奥氏体处理和回火处理时，延伸率有很大增加，延伸率变化曲线与其他样品的曲线几乎一致。
虽然以上已详细描述了本发明的最佳实施例，但是应明确地知道基于本发明概念所启示本技术领域的人员作出的任何变化和/或改进，都将属于本发明的精神和范畴，正如权利要求中所限定的。

Claims (8)

1.一种马氏体不锈钢，其特征是包括如下成分：小于0.06wt.％的C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％Mn、1.0-6.0wt.t％的Ni、10.0-19.0wt.％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.％的Mo、小于0.5wt.％的Nb、小于0.5wt.％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.05-0.25wt.％的N，其余为Fe和少量的杂质。
2.根据权利要求1的马氏体不锈钢，特征是进一步含有：0.8wt.％Ti和/或1.0wt.％Ta中的至少一种。
3.一种马氏体不锈钢，其特征是包括如下成分：即小于0.035wt.％的C、小2.0wt.％的Si、小于2.0wt.％的Mn、1.5-4.5wt.％的Ni、12.0-16.0wt.％的Cr、0.5-4.5wt.％的W、小于2.5wt.％的Mo、小于0.3wt.％的Nb、小于0.3wt.％的V、小于2.0wt.％的Cu、0.08-0.20wt.％的N，其余为Fe和少量杂质。
4.根据权利要求3的马氏体不锈钢，特征是进一步含有0.8wt.％Ti和/或1.0wt.％Ta中的至少一种。
5.一种制造马氏体不锈钢的方法，特征是包括以下步骤：熔炼含如下成分的不锈钢，即，小于0.06wt.％的C、小于2.5wt.％的Si、小于2.5wt.％Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.t％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.％的Mo、小于0.5wt.％的Nb、小于0.5wt.％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.05-0.25wt.％的N，其余为Fe和少量的杂质，
使熔炼的不锈钢在800-1150℃下承受奥氏体热处理和/或在350-575℃下使该不锈钢承受回火处理。
6.根据权利要求5的方法，其特征是：不锈钢进一步含有0.8wt.％Ti和/或1.0wt.％Ta中的至少一种。
7.一种制造马氏体不锈钢的方法，其特征是包括以下步骤：熔炼含如下成分的不锈钢，即，小于0.06wt.％的碳、小于2.5wt％的Si、小于2.5wt.％Mn、1.0-6.0wt.％的Ni、10.0-19.0wt.t％的Cr、0.5-6.0wt.％的W、小于3.5wt.t％的Mo、小于0.5wt.％的Nb、小于0.5wt.％的V、小于3.0wt.％的Cu、0.05-0.25wt.％的N，其余为Fe和少量的杂质，
机械处理不锈钢，使其产生加工硬度；并使机械处理的不锈钢在800-1150℃下承受奥氏体热处理和/或在350-575℃下使该不锈钢承受回火处理。
8.根据权利要求7的方法，特征是不锈钢进一步含有：0.8wt.％Ti和/或1.0wt.％Ta中的至少一种。
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