TW201602361A - 雙相不銹鋼 - Google Patents

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Abstract

一種雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計包含約11.5%至約12% Cr、約0.8%至約1.5% Mn、約0.75%至約1.5% Ni、0%至約0.5% Si、0%至約0.2% Mo、0%至約0.0025% B、Fe及雜質。在各種實施方案中，該鋼具有布氏硬度(HB)及在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)以使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或160以上。亦公開包括該等不銹鋼之製品。

Description

雙相不銹鋼
本發明係關於一種雙相不銹鋼，其具有鐵素體及回火馬氏體之微觀結構。詳言之，本發明係關於具成本效益之不銹鋼，其具有用於耐磨蝕及/或耐磨損應用之改良硬度。
雙相不銹鋼可展現所需特性之組合，該等特性使其適用於多種工業應用，諸如用於油砂提取及製糖工業中。此等鋼一般特徵為分散於鐵素體基質中之回火馬氏體之微觀結構。
雙相不銹鋼之一實例為ATI 412TM不銹鋼(UNS 41003)，其通常按重量計含有11.75%鉻(Cr)、0.90%錳(Mn)、0.70%矽(Si)、0.40%鎳(Ni)、0.030%硫(S)、0.020%碳(C)、0%至0.040%磷(P)、0%至0.030%氮(N)，且其餘為鐵(Fe)及其他偶存雜質。ATI 412TM不銹鋼當在約766℃下退火時通常具有約177之布氏硬度(Brinell hardness；HB)，且當在約843℃下退火時具有約258之布氏硬度。
另一種雙相不銹鋼為Duracorr®鋼，其按重量計含有11.0%至12.5% Cr、0.20%至0.35%鉬(Mo)、0%至1.50% Mn、0%至1.00% Ni、0%至0.70% Si、0%至0.040% P、0%至0.030% N、0%至0.025% C、0%至0.015% S，且其餘為Fe。值得注意地，Duracorr®不銹鋼含有Mo作為合金元素，亦即，有意添加合金元素，而不作為偶存雜質。然而，由於Mo之成本提高，故Duracorr®不銹鋼對於某些應 用而言可能成本過高。儘管Duracorr®不銹鋼通常具有約223HB之硬度，但其可經加工以展現300HB之標稱硬度，該等級作為Duracorr® 300不銹鋼可購得。Duracorr®及Duracorr® 300不銹鋼在很大程度上具有相同組成，但Duracorr® 300不銹鋼之硬度在260HB至360HB之間變化。然而，Duracorr® 300不銹鋼之硬度增加係由韌度降低而實現。舉例而言，在-40℃下Duracorr® 300不銹鋼之沙比V形缺口衝擊能(Charpy V-notch impact energy)平均僅為約15ft-lb。
在需要具有耐磨蝕性及/或耐磨損性之不銹鋼之應用中，例如高達約350HB之高硬度水準可能需要與高於可獲自Duracorr® 300不銹鋼之韌度的韌度組合。此外，在某些應用中可能需要例如高達約450-500HB之服務中工作硬化性。此外，需要任何此類合金均具成本效益。
根據本發明之一個非限制性態樣，描述高硬度雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼之一實施方案。該不銹鋼按重量計包含約11.5%至約12% Cr、約0.8%至約1.5% Mn、約0.75%至約1.5% Ni、0%至約0.5% Si、0%至約0.2% Mo、0%至約0.0025% B、Fe及雜質。在某些非限制性實施方案中，本發明之不銹鋼展現布氏硬度(HB)及在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)以使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或160以上。
根據本發明之另一非限制性態樣，描述包括高硬度雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼之製品之一實施方案。該不銹鋼按重量計包含約11.5%至約12% Cr、約0.8%至約1.5% Mn、約0.75%至約1.5% Ni、0%至約0.5% Si、0%至約0.2% Mo、0%至約0.0025% B、Fe及雜質。根據該物品之某些非限制性實施方案，不銹鋼展現布氏硬度(HB)及在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)以使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB) 為約160或160以上。
本文所述之不銹鋼及製品之特徵及優點可藉由參考隨附圖式而更好地理解，在圖式中：圖1為繪製本發明之不銹鋼之非限制性實施方案之布氏硬度及沙比V形缺口衝擊能與某些習知鋼相比之圖。
讀者將在思考本發明之不銹鋼及製品之某些非限制性實施方案的以下詳細描述後理解上述細節以及其他。讀者亦可在製造或使用本文所述之不銹鋼及製品後瞭解該等其他細節中之某些細節。
在非限制性實施方案之本發明描述中及在申請專利範圍中，除非在操作實施例中或另有指示，否則表示成分、合金及物品之量或特徵、加工條件及其類似者之所有數字應理解為在所有情況下由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則以下描述及所附申請專利範圍中所闡述之任何數值參數為可視尋求在本發明之不銹鋼及製品中獲得之所需特性而變化的近似值。最低限度地且不試圖限制等同原則應用於申請專利範圍之範疇，各數值參數應至少依據所報導之有效數位之數位且藉由應用常規舍入技術來解釋。
據稱以引用的方式併入本文中之任何專利、公開案或其他揭示材料全部或部分僅在所併入之材料不與本發明中所闡述之現有定義、聲明或其他揭示材料相矛盾之程度上併入本文中。因而且在必要之程度上，如本文所闡述之本發明替代以引用的方式併入本文中之任何相矛盾之材料。據稱以引用的方式併入本文中，但與本文所闡述之現有定義、聲明或其他揭示材料相矛盾之任何材料或其部分僅在不會在所併入之材料與現有揭示材料之間產生矛盾的程度上併入。
本發明一部分針對具成本效益之雙相鐵素體-馬氏體不 銹鋼，其具有有利之硬度且適合用於需要耐磨蝕性及/或耐磨損性之各種應用中。詳言之，本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼之某些實施方案按重量計包含約11.5%至約12% Cr、約0.8%至約1.5% Mn、約0.75%至約1.5% Ni、0%至約0.5% Si、0%至約0.2% Mo、0%至約0.0025% B、Fe及雜質。在某些實施方案中，不銹鋼展現布氏硬度(HB)及在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)以使得滿足以下：CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或160以上。
Cr可在本發明之合金中提供以賦予耐腐蝕性。可能需要約11.5%(按重量計)或11.5%以上之Cr含量以提供足夠之耐腐蝕性。另一方面，過量Cr可能不合需要地(1)穩定鐵素體相及/或(2)脆化相，諸如σ相。因此，本發明之不銹鋼之某些實施方案按重量計包含約11.5%至約12%之Cr含量。
Mn可在本發明之合金中提供以改良工作硬化性。可能需要約0.8%(按重量計)或0.8%以上之Mn含量以達成所需工作硬化效果。另一方面，過量Mn可能不合需要地在加工不銹鋼期間離析。因此，本發明之不銹鋼之某些實施方案按重量計包含約0.8%至約1.5%之Mn含量。在某些其他實施方案中，不銹鋼之Mn含量按重量計可為約1.0%至約1.5%。在本發明之不銹鋼之某些實施方案中，添加Mn與添加其他合金元素組合可有利地影響工作硬化性以使得鋼達到約450HB或450HB以上之硬度。
Ni可在本發明之合金中提供以幫助穩定雙相(馬氏體-鐵素體)合金之馬氏體相。可能需要約0.75%(按重量計)或0.75%以上之Ni含量以提供包括水準高於Duracorr® 300不銹鋼之馬氏體之材料。在不欲受任何理論約束下，合金之鎳含量可藉由在熱處理期間穩定奧氏體形成，從而允許更多時間用於碳擴散來促進合金之馬氏體相之硬度。另一方面，歸因於Ni之高成本，可能需要限制Ni含量。因此，本 發明之鋼之一些實施方案包括約0.75%至約1.5%(按重量計)之Ni含量以提供具成本效益之雙相不銹鋼，其具有高達約350HB之高硬度水準，與高於Duracorr® 300不銹鋼之典型韌度的韌度組合。在其他實施方案中，本發明之不銹鋼之Ni含量按重量計可為約1.0%至約1.5%。
在本發明之不銹鋼之某些實施方案中，Si之水準可受限制以(1)使雙相不銹鋼之鐵素體相不穩定及/或(2)避免脆化相，諸如σ相。因此，本發明之鋼之某些實施方案按重量計包含0%至不超過約0.5%之Si。
在本發明之不銹鋼之某些實施方案中，Mo之水準可受限制以(1)使雙相不銹鋼之鐵素體相不穩定及/或(2)避免脆化相，諸如σ相。因此，本發明之鋼之某些實施方案按重量計包含0%至不超過約0.2%之Mo。在本發明之鋼之某些其他實施方案中，Mo濃度按重量計為0%至不超過約0.1%。
B可在本發明之雙相不銹鋼中提供以改良馬氏體硬度。本發明之鋼之某些實施方案按重量計包含0%至約0.0025% B。在鋼之某些實施方案中，B含量按重量計可為約0.002%至約0.0025%。
所揭示之合金中之偶存元素及雜質可包括例如C、N、P及S中之一或多者。在本發明之不銹鋼之某一實施方案中，此等元素之總含量按重量計不超過0.1%。在某些實施方案中，C可按重量計以不超過0.025%之量存在於本文所揭示之鋼中。在某些實施方案中，S可按重量計以不超過0.01%之量存在於本文所揭示之鋼中。在某些實施方案中，N可按重量計以不超過0.03%之量存在於本文所揭示之鋼中。偶存水準之各種金屬元素亦可存在於本發明之合金之實施方案中。舉例而言，本發明之合金之某些非限制性實施方案按重量計可包括至多0.25%銅(Cu)。
根據某些非限制性實施方案，本發明之雙相鐵素體-馬 氏體不銹鋼按重量計包含：約11.5%至約12% Cr；約1.0%至約1.5% Mn；約1.0%至約1.5% Ni；0%至約0.5% Si；0%至約0.1% Mo；0%至約0.0025% B；0%至約0.025% C；0%至約0.01% S；0%至約0.03% N、Fe及雜質。在某些實施方案中，不銹鋼進一步包含P。在某些實施方案中，C、N、P及S之總濃度按重量計不大於約0.1%。在某些實施方案中，鋼中B之濃度按重量計為約0.002%至約0.0025%。在某些實施方案中，鋼按重量計包含不超過0.25% Cu。
根據某些非限制性實施方案，本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計基本上由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約0.8%至約1.5%錳；約0.75%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.2%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
根據某些非限制性實施方案，本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計基本上由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約1.0%至約1.5%錳；約1.0%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.1%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
根據某些非限制性實施方案，本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約0.8%至約1.5%錳；約0.75%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.2%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
根據某些非限制性實施方案，本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約1.0%至約1.5%錳；約1.0%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.1%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03% 氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
對於既定之鋼，硬度一般與韌度呈逆相關。在本發明中，布氏硬度(HB)為硬度之主要量度，且在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)為韌度之主要量度。參考圖1，對於本發明之鋼之某些實施方案，鋼之CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或160以上。在本發明之鋼之某些實施方案中，硬度為約300HB或300HB以上，且CVN為約50ft-lb或50ft-lb以上。在某些實施方案中，本發明之鋼具有高達約450HB或450HB以上之硬度的服務中工作硬化性。
實施例
表1包括本發明之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼之一實施方案及習知ATI 412TM不銹鋼及習知Duracorr® 300不銹鋼之組成及某些特性。表1中所列之三種合金之熱塊熔融成重約15,000lb之板坯且在約1950℉之溫度下軋製以生產約6mm厚之材料。在軋製過程之後，在766℃或843℃下使鋼退火15分鐘，且空氣冷卻。
量測表1中所列之實驗鋼之實施方案之機械特性，且與兩種所列之習知鋼之機械特性相比較。表1中展示三種合金之布氏硬度及在-40℃下之CVN(ft-lb)。根據美國測試及材料協會(American Society for Testing and Materials；ASTM)標準A370，在室溫下使用碳化鎢球壓頭對測得標距長度為約5cm且厚度為約0.5cm之樣品進行拉伸測試。根據ASTM標準A370及E23，在約-40℃下對測得約10mm×2.5mm之橫向樣品進行沙比測試(Charpy test)。由於此等樣品按照ASTM-A370視為小尺寸，因此將所量測之衝擊能轉換成表1中之標準尺寸試件值。
如表1中之實驗結果所示，本發明之實驗鋼樣品相對於習知合金展現極有利之硬度及韌度(CVN衝擊能)。此為特別意想不到且令人驚訝的。提供相當之硬度及韌度之市售合金通常為碳鋼，其將 不會耐受腐蝕環境。
在某些可能之非限制性實施方案中，本發明之雙相不銹鋼係使用習知不銹鋼生產實踐來製備，包括例如在電爐中熔融起始材料、經由AOD脫碳及鑄造成鑄錠。鑄錠可例如藉由連續鑄造或鑄錠澆注來鑄造。在某些實施方案中，鑄造材料可經熱處理(奧氏體化)或以軋製狀態出售。
本發明之合金之潛在用途眾多。如上文描述及證明，本文所述之雙相不銹鋼能夠用於耐磨蝕性及/或耐磨損性較重要之許多應用中。本發明之鋼將尤其有利之製品包括例如用於油砂提取中之部件及設備以及用於糖加工中之部件及設備。本發明之不銹鋼之其他應用將為一般技術人員顯而易知。一般技術者可使用習知製造技術自本發明之不銹鋼容易地製造此等及其他製品。
儘管上述描述已必要地僅呈現有限數量之實施方案，但相關技術中之一般技術者將瞭解，熟習此項技術者可對已在本文中描述及說明之合金及物品及實施例之其他細節作出各種改變，且所有該等修改將保持處於如本文及所附申請專利範圍中所表述之本發明之原理及範疇內。舉例而言，儘管本發明已必要地僅呈現本發明之不銹鋼之有限數量之實施方案，而且已必要地僅論述有限數量之包括不銹鋼之製品，但應瞭解，本發明及相關申請專利範圍不受此限制。一般技術者將容易地鑒別其他鋼組成，且可沿著該等路線並在必要地有限數量之本文所論述之實施方案的精神內生產其他製品。因此，應瞭解，本發明不限於本文所論述或併入之特定實施方案，而欲涵蓋處於如申請專利範圍所界定之本發明之原理及範疇內的修改。熟習此項技術者亦應瞭解，可在不脫離上述實施方案之寬泛發明概念之情況下對上述實施方案作出改變。

Claims (17)

  1. 一種雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計包含：約11.5%至約12%鉻；約0.8%至約1.5%錳；約0.75%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.2%鉬；0%至約0.0025%硼；鐵；及雜質；其中該鋼具有布氏硬度(HB)及在-40℃下之沙比V形缺口衝擊能(CVN)以使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或160以上。
  2. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中鉬含量為0%至約0.1%。
  3. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中鎳含量為約1.0%至約1.5%。
  4. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中錳含量為約1.0%至約1.5%。
  5. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中硼含量為約0.002%至約0.0025%。
  6. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中該鋼之硬度為約300HB或300HB以上，且該鋼之CVN為約50ft-lb或50ft-lb以上。
  7. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中該鋼具有高達約450HB或450HB以上之硬度的工作硬化性。
  8. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計包含：約11.5%至約12%鉻；約1.0%至約1.5%錳；約1.0%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.1%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；鐵；及雜質。
  9. 如申請專利範圍第8項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其進一步包含銅及磷中之至少一者。
  10. 如申請專利範圍第8項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中所存在之碳、氮、磷及硫之總濃度按重量計不大於約0.1%。
  11. 如申請專利範圍第8項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其中硼含量為約0.002%至約0.0025%。
  12. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計基本上由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約0.8%至約1.5%錳；約0.75%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.2%鉬； 0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
  13. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計基本上由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約1.0%至約1.5%錳；約1.0%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.1%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
  14. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約0.8%至約1.5%錳；約0.75%至約1.5%鎳； 0%至約0.5%矽；0%至約0.2%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
  15. 如申請專利範圍第1項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其按重量計由以下組成：約11.5%至約12%鉻；約1.0%至約1.5%錳；約1.0%至約1.5%鎳；0%至約0.5%矽；0%至約0.1%鉬；0%至約0.0025%硼；0%至約0.025%碳；0%至約0.01%硫；0%至約0.03%氮；視情況，銅及磷中之至少一者；鐵；及雜質。
  16. 一種製品，其包括如申請專利範圍第1、12、13、14及15項中任一項之雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼。
  17. 如申請專利範圍第16項之製品，其中該製品係選自用於油砂提取中之部件及設備以及用於糖加工中之部件及設備。
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