CN1636075A - 高铬－氮轴承可铸合金 - Google Patents

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Abstract

本发明关于抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承合金，其包含下列组成(重量％)：28至48的铬，0.01至0.7的氮，0.5至30的锰，0.01至5的硼，0.3至2.5的碳，至多0.01至25的镍加钴，至多0.01至5的硅，至多0.01至8的铜，至多0.01至6的钼，至多各为2％的选自锆、钒、铈、钛、钨、铌、铝、钙及稀土元素中的元素，其余基本上为铁与其他微量元素或不可避免的杂质。该合金具有在奥氏体基体中包含亚共晶、共晶、铬的碳化物、硼化物与氮化物的显微结构，其中该基材具有饱和氮且无二次碳化物与氮化物。

Description

高铬-氮轴承可铸合金
技术领域
本发明一般而言是关于合金技术，并且更具体地是关于具有高抗腐蚀性的高铬氮轴承合金。本发明亦关于高铬-氮轴承可铸合金、高含量铬-氮合金与生产该高铬-氮轴承合金的方法，以及由其所制备的物件。本发明还关于抗腐蚀性的高铬-氮轴承奥氏体合金，其在高温下也具有极好的强度，并适于作为在工作时暴露在极高温与腐蚀性环境中的锅炉、化学厂反应器及其他设备的材料。本发明也关于耐热性的高铬氮轴承奥氏体合金，其在高温腐蚀性的环境中具有高强度与优良的抗腐蚀性。本发明也提及制造金属铸造材料的问题，该金属铸造材料的耐磨性约相当于普通工业用类型的白铁，而其另外的特征为在腐蚀性介质中的高度抗腐蚀性。除了高抗腐蚀性与耐磨性以外，根据本发明的合金材料具有良好的铸造特性。总之，其可在通常的高级钢铁厂中制造。再者，该铸造材料具有良好的加工特性。此外，上述的正面特性主要为28至48重量％的铬含量、0.3至2.5重量％的碳含量及0.01至0.7重量％的氮含量，这将形成足够高体积比例的碳化物与氮化物。大幅增加铬含量可减少基材的铬贫化。在抗腐蚀性与耐磨性的组合方面，根据本发明的材料毫无疑问地优于先前使用在水力研磨应用中的已知类型的铸件。本发明也关于抗腐蚀性且耐广范围酸强度的酸(诸如硫酸与磷酸)的可空气熔炼、可铸造且可加工的合金。
发明背景
用于高腐蚀性环境的设备通常由诸如不锈钢的金属合金或其他高合金所构成。这些合金必须能耐受极具腐蚀效果的环境，在这些环境中的设备会遇到诸如浓硫酸或浓磷酸等化学品。在制造磷酸盐肥料时会遇到特别困难的环境。在以热浓硫酸溶解磷酸盐岩石时，该设备必须能耐温度高达约100℃的环境。所生产的不纯磷酸可能极具腐蚀性并含有一些残留硫酸。腐蚀效果通常因磷酸中的其他杂质而增加，特别是经常存在于过程所使用的磷酸盐岩石原料中的诸如氯化物与氟化物的卤素离子。在粗磷酸的浓缩中会遇到极具腐蚀性的环境。
在世界各地的磷酸盐岩石矿床的化学组成方面变化很大。在处理含有高卤素含量(诸如氯化物或氟化物)的磷酸盐岩石矿层中通常会遇到最严重的腐蚀环境。
增加铬含量对于提高钢材抗腐蚀性的效果也是众所熟知的。从1930年代起，已知包含23-40％铬、0.8-2％碳、2.5％硅及至多5％钼的高铬合金。详见如德国专利7001807。美国专利5,252,149代表该合金的现代化，接着还有德国专利86 12 044及44 17 261。应注意地是二个专利中的合金皆具有高耐磨性与高抗腐蚀性。然而，二者都具有不良的机械性质，特别是低韧性、脆性、对热的敏感性及对缺口的敏感性，这些性质都限制其使用性。已证实其结构含有铁素体(Feα)。
这些合金中的铁素体结构本质上极脆，且埋入该脆性相中的碳化物相造成极低的韧性、高缺口敏感性及对热的敏感性。此外，具有过饱和铬的铁素体结构会造成σ相的形成，这将大大降低韧性与抗腐蚀性。
美国专利5,320,801是关于具有下列组成的合金：27至34重量％的铬、13至31％的镍+钴、3.2至4.5％的硅、2.5至4％的铜、0.7至1.6％的碳、0.5至1.5％的锰、1至4％的钼及铁(基本上为平衡量)。虽然`801专利的合金具有良好的韧性，但是具有极差的硬度、极差的金属丝电阻率及低的拉伸强度。208至354HB的硬度类似于CD4MCU不锈钢的硬度(260-350HB)，该CD4MCU不锈钢具有优良的抗腐蚀性，但耐磨性差。在美国专利5,320,801中公开并申请的合金类似于奥氏体高镍不锈钢，其具有良好的韧性，但极低的拉伸强度与硬度及差的耐磨性。存在于抗腐蚀合金中的镍主要用于结构稳定化，但对于其抗腐蚀性效果则很少有利。其良好的实施例为含有12-35％镍的奥氏体不锈钢(其抗腐蚀性接近于具有低镍比例(4-8％)的双重不锈钢)或镍至多为4％的高铬不锈钢。如在用于表示各种合金元素如何影响不锈钢抗腐蚀性的模型中所示，不锈钢合金的主要元素为铬、钼及氮。耐点蚀当量值(Pitting Resistance Equivalent Number)PREN＝％Cr+3.3*Mo+16*％N说明氮是抗腐蚀合金的重要且极有用的合金元素。
现有技术的高铬合金的主要缺点为在对合金机械性质，诸如韧性、拉伸强度、脆性、热敏感性及焊接能力方面，不产生负面影响的状况下，难以将铬、钼及氮溶解于基材中。这是由于具有饱和铬与钼的合金中析出σ相的结果。由上述高铬合金制成的泵部件过早磨损为经常发生的现象。主要的作用因子(contributing factor)是：极低的韧性、脆性与低耐用性。通常故障会发生于在独立区域中磨薄的铸件，其中由于合金不良的机械性质而发生裂痕，以导致最终其他可用元件的崩解。
现有技术合金在酸性环境中的腐蚀与冲蚀机制在含固体的腐蚀性流体中的颗粒不断移除钝化抗腐蚀层而加速腐蚀。这现象在含有较多体积的铬与钼的合金中特别明显，其中不可避免产生明显量的σ相，且金属基材具有极差的韧性。为恢复钝化层，铬与钼的浓度必须尽可能的高。
增加(铬/碳)或(铬+钼/碳)的比例可提高抗腐蚀性高达临界点，在临界点之后便开始形成σ相，σ相的形成大幅度降低韧性并降低合金的抗腐蚀性(因在σ相析出物周围的铬贫化所造成)。
本发明是基于通过降低基材中的碳而增加以(铬+氮/碳-氮)或(铬+钼+氮/碳)与(铬+钼+氮+硼/碳-氮)表示的比例，并同时将作为强效添加合金元素的氮引入高铬合金内，其中氮以高浓度存在于固溶体中。
氮和碳一样与体心立方(bcc)α铁及面心立方(fcc)γ铁形成间隙固体。氮原子的尺寸小于碳原子的尺寸；在这状况下，在α与γ相中，氮更易于占据间隙位置。
在相同温度下，氮在α铁与γ铁中的最大溶解度为碳的数倍至数十倍，其将导致基本晶格的明显的膨胀与畸变。在维持较大韧性的同时，其固溶体硬化与强化效果还较碳为大。
氮在现有技术高铬合金中的溶解度极限相当低，最大值为0.15％N。该极限由在α铁结构中的氮与碳的固有的低的物化溶解度(最大值为0.02至0.08的碳+氮)以及低锰含量≤1.5％所控制，其中在德国专利44 17 261或19512 044中α铁结构构成合金的40％(最大值)。
在对于延性及抗腐蚀性无负面影响的情况下，添加氮是改良奥氏体高铬合金的机械性质的最有效的方法。为了使氮有效地成为抗腐蚀剂，并对铸件的机械性质提供其广范围的正面效果，诸如在未损失延性的情况下，增加拉伸强度、硬度与韧性，本申请人发现在高铬合金中，这现象可在有相当数量的锰与钼作为增强合金的情况下发生。在这些条件下，氮溶解于固态中其量为溶解于现有技术的任何高铬合金中的二至四倍。类似于高锰不锈钢(其溶解至多达0.8％的氮，且在分压下甚至达1％)，其拉伸强度与硬度为二倍至四倍高，且延性较无氮的相同钢材为佳。
现有技术并未涉及本发明的高铬合金。
发明的目的
本申请发明目的在于生产适于处理有严重腐蚀性环境的磷酸盐岩石的结构材料。
本申请发明的目的还在于生产一种具有高铬含量及高抗腐蚀性的抗腐蚀合金。
本申请发明另一目的在于生产一种含有足量硅，以使合金可以以通常方法进行铸造的高抗腐蚀合金。
本申请再一个发明目的在于制造含硅的高抗腐蚀合金。
本申请发明的又一目的在于生产一种具有高铬含量并含氮的抗腐蚀合金。
本申请发明的另一个目的在于生产一种具有高强度与硬度性质的抗腐蚀合金。
本发明的另一个目的在于提供一种机械性质明显改良的高铬氮轴承合金。
再者，本发明的另一个目的在于提供一种高的抗腐蚀与冲蚀相结合的高铬氮轴承合金，特别是用在含有氯化物、氟化物介质或其他杂质的酸性环境中。
本发明的另一个目的在于提供一种含有大量氮的高铬氮轴承合金。
本发明的另一个目的在于提供一种通过低温处理而硬化高铬氮轴承合金的新颖方法。
本申请发明的另一个目的在于生产一种抗冲蚀与腐蚀的含有高铬、氮与硼的合金。
发明概要
本发明也关于抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承并可铸合金，其包含下列组成(重量％)：
28％至48％的铬
0.01％至0.7％的氮
0.5％至30％的锰
0.3％至2.5％的碳
0.01％至5％的硼
视需要0.01％至6％的钼
视需要0.01％至5％的硅
视需要0.01％至8％的铜
视需要0.01％至25％的镍和钴
该合金还包含有至多各为2％的选自锆、钒、铈、钛、钽、钨、铝、铌、钙及稀土元素中的一种或多种微合金元素(其余基本上为铁与其他微量元素或不可避免的杂质)，并具有在奥氏体基体包含铬的碳化物、硼化物与氮化物的显微结构，该基材为固溶体形式氮过饱和的面心立方晶体结构，且其中所述合金的奥氏体性以下比例定义：
(％Ni+％Co+0.5(％Mn+％Cu)+30(％N+％C)+5×％B)/(％Cr+％Mo+％Si+1.5(Ti+Ta+V+Nb+Ce+Al))≥1.5
实施方式
本发明是关于高铬合金，并且更具体地是关于抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承可铸合金。本发明的合金是设计用于浆料泵部件的铸造成形，诸如壳体、叶轮、抽吸管道、管体、喷嘴、搅拌器、阀门叶片等，其中该铸造部件将暴露于高腐蚀性流体与研磨浆料中。该部件通常应用于磷酸的湿式处理。工业用磷酸溶液在化学上是复杂的，其包含硫酸、氢氟酸、氢氟酸与氯化物、氟化物与石膏，所有的去钝化的物质，对于暴露的部件很有害。使用这些部件的另一个地方为电厂的洗涤器，亦即将部件暴露于硫成分与石膏的废气除硫过程。
本发明的目的在于提供一种高抗氯化物环境的材料，同时该材料在酸和碱的环境中具有出色的性质并结合有良好的机械性质与高度结构稳定性。这种结合对于诸如化学工业中的应用极为有用，因为化学工业具有因酸所引起的腐蚀问题，并同时具有带有氯化物的酸的污染这可进一步加剧腐蚀效果。由经济观点，结合有高强度的这些合金性质会产生有利的设计方案。虽然的确存在在酸环境中具有优良性质的材料，但是其通常为具有高镍含量的钢材，这将使该材料的成本过高。使用奥氏体的另一个缺点为奥氏体钢材的强度通常相当低。
本申请人在经验上发现氮在铁铬锰合金的固溶体中的溶解度为0.013至最多0.0155％N(铬为1％、锰为最少6％，而钼(2％)作为最佳的增强剂)。
氮对铬的亲和力远较碳对铬的亲和力低得多。氮在高铬锰合金中的上述性质会使这些合金中的碳转变为碳化物相，形成硬质的共晶碳化铬，而过剩的碳与氮会一起溶解在基材中。
以高浓度引入固溶体中的氮在阻滞σ相的效果较碳为强，使更大量的铬与钼溶解于铁铬锰合金中，以提高钝化性。
氮通常提高抗腐蚀性，特别是在含有氯的介质中，在不锈钢中，其效果已以因子PREN(抗点蚀当量值)-Cr％+3.3Mo％+16N％进行测试并表示。钝化元素(铬、钼、氮)的含量越高，抗腐蚀性/抗冲蚀性便越高。
此外，硼与周期表中的许多元素反应，而形成多种化合物。多数硼化物的强共价键结会产生其高熔点、抗腐蚀性与硬度值。硼化物的耐化学性优于其大多数的相应的氮化物或碳化物。对于硼化物MnBm(硼化镍、硼化钴、硼化锰、硼化铁、硼化铬)而言，因为与碳～0.77埃或氮～0.71埃相比较，硼具有较大的原子尺寸～0.91埃，所以硼在未畸变的八面体位置中的间隙置换很少，而主要形成硼-硼键结。
此外，镍、锰及铁会与硼发生强反应，并形成远较其氮化物或碳化物硬得多的极硬化合物。对于极度研磨与腐蚀的应用而言，硼应添加到至多5％，碳含量应为0.3％至1.2％，而氮为0.4至0.6％。
通过本发明的具有高度抗腐蚀基材的新颖显微结构便可理解所有优越的效果，其中该基材优选为具有以固溶体形式的氮过饱和的面心立方晶体结构的奥氏体。该基材极硬、韧性、非脆性，并镶嵌有硼化物、碳化物及氮化物，而形成具有高耐磨耗性的高抗磨蚀性的基材。
在本发明中，希望基材在固溶体中含有高含量的铬、钼与氮，而无结合有σ相析出物的铬或钼。亦希望本发明的合金是根据作为本发明合金的奥氏体化量度的下列不等式来平衡其元素：
(％Ni+％Co+0.5(％Mn+％Cu)+30(％N+％C)+5×％B)/(％Cr+％Mo+％Si+1.5(Ti+Ta+V+Nb+Ce+Al))≥1.5
根据本发明，提供一种抗腐蚀且抗冲蚀的铬氮轴承可铸造合金，其包含有下列组成(重量％)：
28％至48％的铬
0.01至0.7％的氮
0.5％至30％的锰
0.3％至2.5％的碳
0.01％至5％的硼
0.01％至6％的钼
0.01％至8％的铜
0.01％至25％的镍加钴
0.01％至5％的硅
本发明的合金也可含有至多2％的选自锆、钒、铈、钛、钽、铝、钨、铌、钙及稀土元素中的另外元素，其余的基本上为铁与其他微量元素或不可避免的杂质。
特别优选的合金包含如下重量％范围的主元素(铬、氮、锰、碳、硼、钼、铜、镍、钴及硅)：
36％至42％的铬
0.45至0.55％的氮
4％至15％的锰
0.5％至1.6％的碳
0.01％至4％的硼
2％至5％的钼
1％至6％的铜
4％至10％的镍加钴
0.5％至1.5％的硅
关于优选的组成，其希望奥氏体基材包含0.4重量％氮，以及35至38％的(铬+钼+氮)的固溶体。
再者，因为作为目标的添加有0.01至25重量％浓度范围的奥氏体成形剂-镍加钴，所以可以限定方式控制基材中的铁素体与奥氏体相的比例。通过仅在奥氏体相中主要沉淀碳化铬，而避免在铁素体基材中具有高碳含量与碳化物晶格的激冷铸件的通常的严重脆性。因为奥氏体相不同于铁素体相不会因金属相偏析或因偏析过程而发生脆化，所以因碳化物与基材间的应力造成的破裂风险不大于纯铁素体或铁素体-奥氏体基材的状况。
对于抗腐蚀性而言，特别是在含有氯化物的酸性介质中，0.01至6重量％，优选2至4重量％，且特别是2至3重量％的钼含量为重要的。
再者，通过在0.3至2.5重量％碳及28至48重量％铬的范围中，改变合金成分碳与铬，可将本发明材料的抗腐蚀性与耐磨性调整至指定的规格。
本发明的高铬氮轴承合金组合物也对低温硬化过程高度感应，因此变得超硬。当以低温处理进行硬化时，该组合物具有更高的耐磨性、较大的硬度及没有一般的二次碳化物析出的耐用基材。
本发明的合金是以习知的熔解方法进行制备，而无须诸如控制气氛、特殊炉衬、保护炉渣或特殊成形材料等特殊条件。
在本发明的处理过程中，该高铬氮轴承可铸合金具有完全分布于奥氏体相的多种合金元素；或者当进行至少-100°F优选为-100°F至-300°F的深冷处理时，其转换制品远较通过习知高温处理所得的制品的硬度大得多。
通常，本发明的高铬氮轴承合金是通过下列步骤制备的：在空气或添加氮存在的状况中，制备所有必要元素的熔融金属物质；浇铸铸件；冷却铸件；以及将铸件进行低温冷却处理，以产生所希望的硬度。可在低温冷却之前或之后，清洁并修整铸件表面。更详细地说，优选过程包含下列步骤：
(1)将供应至炉体的必要成分进行混合；
(2)将炉体中的混合物熔解至浇铸条件；
(3)将熔融金属组合物浇铸于适当的模具中；
(4)在环境条件下，将模具及其中的铸件缓慢冷却至室温；
(5)通过研磨或类似方法使表面平滑，并清洁和修整铸件表面；以及
(6)将经修整的铸件浸没在于-100°F至-300°F的低温冷却介质中至足以达到所希望硬度的时间。
为了理解本发明，本申请人进行下列的数个机械试验，其包含有下列的测量：
拉伸强度-(Ksi)
挠度-(mm)，30.5mm直径的铸棒，300mm的跨距
冲击能-(J)，悬臂梁式试验(Izot test)，光面的30.5mm直径棒材，在支撑物上方76mm进行冲击。
硬度-(BHN)：布氏硬度试验(Brinell test)，3000KG负载于10mm的碳化钨球上。对该试验而言，优选的合金组成是选自现有技术的合金、本发明及参考用不锈钢中。
所试验的特定组成如下：
美国专利5,252,149号的优选组合物合金(重量％)
     1      2      3
铬36.6 铬38.2 铬39.3
碳1.9 碳2.06 碳2.02
锰1.2 锰1.5 锰1.1
硅1.5 硅1.4 硅1.5
镍2 钼1.2 钼1.8
铜1 镍1.2 镍1.6
其余的-铁及不可避免的杂质 铜1.2 铜1.6
其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质
美国专利5,320,801号的优选组合物合金(重量％)
     4      5      6
铬29.8 铬32.7 铬34.8
镍+钴17.2 镍+钴26.5 镍+钴34.5
硅3.4 硅3.2 硅3.5
铜1.9 铜3.1 铜3.8
碳1.65 碳1.28 碳1.26
锰1.1 锰1.5 锰1.6
钼0.9 钼1.8 钼2.2
其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质
                                            本发明的合金(重量％)
     7      8      8B      9
铬35.8 铬37.3 铬37.9 铬38.3
氮0.42 氮0.48 氮0.4 氮0.52
锰6.1 锰9.8 锰5.2 锰11.1
碳1.26 碳1.33 碳1.33 碳1.41
硼0.2 硼0.15 硼3.8 硼0.1
钼3 钼2.6 钼2.6 钼2.2
硅0.9 硅0.8 硅1 硅0.7
铜1.5 铜1.7 铜1 铜1.9
钴2.1 钴0.6 钴0.5 钴4
镍3.25 镍3.6 镍8.2 镍0.2
其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质
德国专利8612044号及44 17 261号的合金组合物(重量％)
     10      11      12
铬38.8 铬43 铬44
镍5 镍8 镍10
钼2 钼3 钼3.5
铜2 铜2.5 铜2.1
氮0.19 氮0.09 氮0.15
硅1 硅1.5 硅1.5
锰1 锰1.2 锰1.1
碳1.6 碳1.7 碳1.6
钒1.2
其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质
用于机械试验的不锈钢合金的组合物(重量％)
     20Cb3      Cd-4MCu+N      317L
铬20 铬26.5 铬18
镍37.5 镍5.5 镍11
钼3 钼2.5 钼3.1
铜3 铜2.9 碳最少量
铌0.4 氮0.23
碳最少量 碳最少量
其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质 其余的-铁及不可避免的杂质
                                               表1
试样编号美国专利序号 拉伸强度(Ksi)   伸长率％     挠度(mm)     冲击(J)   硬度(BHN)          备注
  5,252,149
    1     61     0      2/3   12  19   450     铸态的
    2     64     0    1.3/1.9   11  18   460
    }热处理
    3     58     0    0.9-1.9   10  16   490     {14503小时
    5,320,801
    4     53     0     8-11   22-26   360     }试样
    5     54   0.3-0.6     9-13   26-34   330     {硬化
    6     48   0.3 0.5     8-13   22  31   320     {14004小时
    本发明
    7     95   0.5-1.1     14-18   48-59   512     低温碳硬化-300°F
    8     111   0.4-1.0     10-16   41-49   450     {热处理
    8B     109   0     8-12   30-36   530     铸态的
    9     95   0.3-0.6     9-12   36-47   490     }铸态的
德国专利44 17261号及第8612049号     }热处理
    10     68   0    1.5-2.2   11-16   500     }1800/2小时
    11     65   0   1      2.0   10-15   450
    12     64   0   0.6    1.6    8-14   490
现有技术的合金1，2，3，10，11及12具有共晶显微结构，且其基材基本上为铁素体(Fe-α)。
德国专利申请案44 17 261及8612044(标示为10，11及12的合金)要求在基材中至多40％的α铁。因为碳与氮在α铁中的溶解度极低，高铬合金中的α铁相本质上具有极低的韧性。即使添加少量的氮也会对韧性、挠度及热敏感度有负面影响，使合金更具有脆性。
美国专利5,320,801的合金4，5及6为具有奥氏体显微结构的铬高镍合金。这些高镍合金本质上具有最低的拉伸强度与最低的硬度，铸态高于200HB，而在硬化后则高于300HB，但损失韧性及抗腐蚀性。
由上述表1可知，本发明的合金7，8及9具有优于现有技术合金的下列性质：
-2至3倍大的韧性
-1.6至2.3倍大的拉伸强度
-在低温硬化后，具有极高的铸态硬度
-可测量的伸长率或延展性
-优良的挠度
-1.5至2.5倍高的最大液压容器试验
-低热敏感度
-良好的机械加工性，特别是车螺纹性，该性质在现有技术合金中相当差
-最佳的可铸性，其熔解与浇铸温度为150°F以下。
现有技术的合金及本发明合金进行腐蚀试验，以证实本发明合金的优越性：
腐蚀试验是在80℃的合成P2O5酸中进行，其中氯化物含量为1000至3000ppm。搅拌并进行96小时试验(mmy)。腐蚀试验的结果归纳于表2中。
                                                            表2
  试样编号专利序号     硬度(BHN)   氯化物含量(PPM)   腐蚀速率(mmy) PREN＝Cr％+3.3Mo％+16*N％
    美国专利5,320,8015铸态     260     100020003000     172856     PREN5＝38
    5在1400°F/4hr硬化     330     100020003000     233665
    美国专利5,252,1492铸态     460     100020003000     152349     RPEN2＝42
    本发明8铸态     450     100020003000     81116     PREN8＝53
    不锈钢20Cb-3 180 100020003000 131432 PREN＝30(20Cb-3)
    不锈钢CD-4MCuN 280     100020003000     111519     PREN＝38
    CD-4MCuN经硬化     330     100020003000     172845     CD4-MCuN
    不锈钢317L     185     100020003000     0.681.1     PREN＝38(317L)
由表2可得到下列结论：
美国专利5,320,801的编号5的高铬合金，它含有26％镍，具有比现有技术美国专利5,252,149的编号2的合金(镍含量仅为1％)更低的抗腐蚀性。
相同的结论适用于镍含量为37％的不锈钢合金20Cb3。合金CD4MCuN仅含有5％的镍。镍在抗腐蚀合金中的主要功能是作为结构成分。
虽然编号8的本发明高铬氮轴承合金仅含有3.6％的镍，但是0.48％的氮为极有效的腐蚀抑制剂。氮与氯化物相互反应，并缓和其对合金的负面效果。具有较高的PREN＝53的编号8的本发明合金具有优于编号5与编号2的已取得专利权的合金的2至3倍的抗腐蚀性。编号8的本发明合金含有高含量的铬、钼与高浓度的氮，并于含有高水平氯化物的酸性环境中具有最佳的抗腐蚀性。
现有技术合金与本发明合金也进行如下所示的腐蚀冲蚀试验。
腐蚀冲蚀试验
该腐蚀冲蚀试验是使用下列条件完成：悬浮于28％P2O5合成酸中的30重量％的80微米氧化铝，1.5％的硫酸，0.05％的氢氟酸加1000ppm的氯，温度800℃，转速650RPM及时间12小时。质量损失(mg)。该腐蚀冲蚀试验的结果列于下表3中。
                                             表3
    试样编号     硬度BMN     重量损失(mg) PREN＝Cr％+3.3×Mo％+16×N
    美国专利5,320,8015铸态 260 306.6 PREN(5)＝38
    5在1400°F/4hr进行时效硬化 330 282.6
    本发明8-B8铸态 530450 96.3123.3 PREN(8B)＝53PREN(8)＝53
    在2000°F/4hr进行8次退火/S溶液 450 125.1
    不锈钢CD4MCuN固溶退火 280 426     PREN＝38(CD4MCuN)
    CD-4MCuN时效硬化 330 328.2
    20Cb-3固溶退火 180 660.3     PREN＝30(20Cb-3)
浆料腐蚀冲蚀试验显示大多数的质量是由具有最低硬度的合金20Cb-3损失。与参考不锈钢CD-4MCuN的硬度相比，编号5的现有技术合金具有低的硬度。
美国专利5,320,801的编号5的合金试样的质量损失较不锈钢合金试样Cd4MCuN低50％。编号8的本发明合金试样的质量损失较参考合金CD4MCuN低245％。具有最高的PREN因子＝53的编号8的本发明合金优于参考合金CD4MCuN～3.5倍并优于美国专利5,320,801的编号5的合金2.3倍的最高抗腐蚀冲蚀性。
含有硼的本发明合金编号8B具有最高硬度且PREN＝53，并具有优于参考合金CD4MCuN～4.4倍并优于美国专利5,320,801的编号5的合金2.9倍的最高抗腐蚀冲蚀性。
任何通常的或在氮气分压下的铸造技术都可用于制造本发明的合金。
形成合金的优选方法是通过任何通常的铸造技术，并接着在1800至2000°F范围的温度下进行热处理，再进行空气冷却。
本发明合金的最佳硬化方法为低温处理：冷却到至少-100°F至-300°F，并在这些温度下维持每英寸铸件壁厚一小时的时间。
使用通常用于热循环处理的设备与机械进行低温回火过程。首先，将处理中的物件置于连接至低温流体供应源，诸如液态氮或类似的低温流体的处理室内。处理室暴露于低温流体使温度降低至到所要的水平为止。在液态氮的情况下，约为-300°F(即零下300°F)。
在本发明范围内可进行各种改变与修饰这对于熟练的本技术人员而言为显而易见的。这种改变与修饰都落在所附权利要求范围所限定的本发明的范围和教导中。本发明并不限于这里所列举的用于说明的实施例，而是限于所附权利要求的范围及其相等同物。

Claims (9)

1.一种抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承和可铸合金，其包含下列组成(重量％)：
28％至48％的铬
0.01至0.7％的氮
0.5％至30％的锰
0.3％至2.5％的碳
0.01％至5％的硼
视需要0.01％至6％的钼
视需要0.01％至5％的硅
视需要0.01％至8％的铜
视需要0.01％至25％的镍和钴
该合金还包含有至多各为2％的选自锆、钒、铈、钛、钽、钨、铌、铝、钙及稀土元素中的一种或多种微合金元素，其余为铁与不可避免的杂质，并具有在奥氏体基材中包含铬碳化物、硼化物与氮化物的显微结构，即该基材为固溶体形式的氮过饱和的面心立方晶体结构，且其中所述合金的奥氏体化程度以下列比例定义：
(％Ni+％Co+0.5(％Mn+％Cu)+30(％N+％C)+5x％B)/(％Cr+％Mo+％Si+1.5(Ti+Ta+V+Nb+Ce+Al))≥1.5
2.如权利要求1的合金，包含有(重量％)：
28％至31％的铬
0.25％至0.35％的氮
4％至6％的锰
0.8％至2.5％的碳
0.01％至5％的硼
视需要2％至6％的钼
视需要0.5％至3％的硅
视需要1％至3％的铜
视需要1％至2％的钴加镍
其余为铁与不可避免的杂质。
3.如权利要求2的合金，其中该基材包含有0.25重量％的固溶体形式的氮。
4.如权利要求1的合金，包含有(重量％)：
32％至34％的铬
035％至0.45％的氮
6％至9％的锰
0.5％至2.5％的碳
0.01％至4.5％的硼
视需要2％至5％的钼
视需要0.5％至3％的硅
视需要1％至4％的铜
视需要2％至4％的钴加镍
其余为铁与不可避免的杂质。
5.如权利要求4的合金，其中该基材包含有0.35重量％的固溶体形式的氮。
6.如权利要求1的合金，包含有(重量％)：
35％至40％的铬
0.4至0.6％的氮
6％至15％的锰
0.8％至1.5％的碳
0.01％至4％的硼
视需要2％至5％的钼
视需要0.5％至3％的硅
视需要1％至6％的铜
视需要4％至12％的钴加镍
其余为铁与不可避免的杂质。
7.如权利要求6的合金，其中该基材包含有0.4重量％的固溶体形式的氮，且PREN为58至66。
8.如权利要求1的合金，包含有(重量％)：
41％至48％的铬
0.45至0.7％的氮
6％至30％的锰
0.9％至1.5％的碳
0.01％至3.5％的硼
视需要1％至4％的钼
视需要0.5％至3％的硅
视需要1％至8％的铜
视需要10％至25％的钴加镍
其余为铁与不可避免的杂质。
9.如权利要求8的合金，其中该基材包含有0.45重量％的固溶体形式的氮，且PREN为51至72。
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