TW202020185A

TW202020185A - 高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金及其製造方法

Info

Publication number: TW202020185A
Application number: TW107140859A
Authority: TW
Inventors: 蔣承學; 孫德源
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-06-01
Also published as: TWI665314B

Abstract

一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金包括下列元素：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳、0.1~1%之釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質

Description

高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金及其製造方法

本發明是有關於一種不銹鋼合金及其製造方法，且特別是有關於一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金及其製造方法。

依EN 10088-1之定義，鋼中至少含有10.5wt%鉻且含碳量不超過1.2wt%時才稱為不銹鋼。不銹鋼比一般鋼材具更佳的抗腐蝕性及耐熱性，在大氣中可常保金屬光澤。不銹鋼耐腐蝕的原理是：鉻在金屬表面形成連續緻密的氧化膜(俗稱鈍化膜)。此鈍化膜可隔絕金屬與外在環境的接觸，所以具有耐腐蝕的功能。不銹鋼表面鈍化膜，可隔絕金屬與外在環境的接觸，與一般碳鋼塗覆材不同的是，即使表面鈍化膜遭外力刮傷後，仍可自行修復而生成新的表面鈍化膜。而耐蝕能力與鈍化膜的穩定性有關，這除了與不銹鋼的化學成份有關外，還與腐蝕介質的種類、溫度、壓力、流速等有關。

沃斯田鐵不銹鋼合金主要添加元素為鉻、鎳、錳，區分為200及300系。200系不銹鋼與300系不銹鋼同屬沃斯田鐵系(Austenitic series)。300系不銹鋼保持沃斯田鐵組織的方法為加鎳，而200系則減少鎳、鉻含量，增加錳、氮含量，以維持沃斯田鐵組織的穩定性。部份200系不銹鋼會添加銅，除能穩定沃斯田鐵組織，同時能提高材料成型性。

沃斯田鐵系不銹鋼合金之特性應用：無法藉熱處理改變其機械性質(無淬火硬化性)，但具有優良的延性及韌性，常施以低溫加工，使其加工硬化增加強度和硬度。沃斯田鐵系不銹鋼對一般性腐蝕(General Corrosion)抵抗大，但有粒間腐蝕(Inter-granular Corrosion)的缺點，其原因為600~800℃之溫度加熱，使鉻的碳化物再結晶粒界析出所致。

由於鎳之成分是作為降低該不銹鋼之腐蝕速率，但是鎳之價格較為昂貴，因此對新一代不銹鋼材料而言，以氮代鎳的資源節約型高氮低鎳不銹鋼合金則應運而生。

高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金是指不銹鋼中的氮含量高於在大氣下熔煉所製作出不銹鋼中的氮含量，對以大氣熔煉法所製作的沃斯田鐵不銹鋼而言，不銹鋼中最大氮含量約在重量百分比0.05%左右。現今在工業生產，不銹鋼熔煉製程均普遍使用電弧爐、感應爐、轉爐、氧氣氬氣脫碳爐、或真空氧氣脫碳爐(VOD爐)等設備在大氣或低真空環境下熔製不銹鋼。以大型VOD爐熔製不銹鋼為例，是將氮氣吹入爐體底部，以增加不銹鋼氮含量。

再者，若需增加不銹鋼氮含量，例如在熔煉製程中常添加含氮合金，此方法最高可製作出氮含量約重量百分比0.7%的不銹鋼材料。在高氮氣壓力下熔煉亦為一種增加不銹鋼中氮溶解度有效的方法，Fe-Cr-Mn沃斯田鐵不銹鋼在高氮氣壓力下熔煉(氮氣壓力高達50大氣壓)可製作出氮含量為重量百分比0.8-1.5%或0.8-1.8%的不銹鋼材料，唯此種高壓熔煉設備造價昂貴且生產時需消耗大量氮氣，導致製造成本增加，而在高壓下進行熔煉亦增加了製程的危險性。

因此，便有需要提供一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，其加入釩(V)元素，可增加氮溶解度。

依據上述之目的，本發明提供一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金包括下列元素：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳、0.1~1%之釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。

本發明之高氮低鎳含量的不銹鋼合金特別加入釩(V)元素，可增加氮溶解度，降低鎳之用量，提高該不銹鋼合金之抗拉強度及降伏強度，並降低腐蝕速率及製作成本。

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

圖1為本發明之一實施例之高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法流程圖。

圖2顯示各種合金元素在攝氏1600度對液態鐵之氮熔解度的影響。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例之高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法流程圖。該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法包括下列步驟：(1)持溫熔煉步驟S1：將不銹鋼合金之多個熔煉原料放置在一感應熔煉設備內，將該感應熔煉設備中的空氣抽出，再通入高於大氣壓(atm)之氮氣後，以接近於澆鑄溫度之持溫熔煉使該熔煉原料熔融成一高氮低鎳含量的不銹鋼熔湯；以及(2)不銹鋼熔湯固化步驟S2：將該不銹鋼熔湯進行澆鑄，以固化成一高氮低鎳含量的不銹鋼合金。

舉例，本發明之持溫熔煉步驟S1是指在抽真空後，再以高於大氣壓(例如30~50大氣壓)之氮氣環境下，將鐵基合金、釩鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎳及錳等材料進行熔煉溫度範圍約攝氏1580~1620度(此溫度範圍接近於澆鑄溫度)的持溫熔煉，使該些材料熔融混合。該些熔煉材料中亦可另加入矽鐵，以使得該些材料進行熔煉後另包含有矽之成分。

請參考圖2，其顯示各種合金元素在攝氏1600度對液態鐵之氮熔解度的影響。各種合金元素的影響標準化為相對於鉻(Cr)的影響(各種合金元素的相互作用係數除以鉻(Cr)係數)。由於本發明特別加入釩(V)元素，其具有較佳的吸氮功能，因此可增加氮溶解度。氮作為合金元素加入不銹鋼中具有穩定沃斯田鐵組織，可提高沃斯田鐵不銹鋼力學性能及耐腐蝕的作用。此外，添加氮(N)元素之合金組成可使沃斯田鐵相穩定存在的溫度範圍擴大，促使沃斯田鐵相在冷卻過程中能重新形成，使得合金之耐蝕性及機械性質不因銲接而大幅破壞，可提高低鎳不銹鋼合金之抗拉強度、抗孔蝕及間隙腐蝕能力。

請再參圖1所示，本發明之不銹鋼熔湯固化步驟S2將該不銹鋼熔湯進行澆鑄，經過快速冷卻後，可固化成一高氮低鎳含量的不銹鋼合金，藉此使固化後之不銹鋼合金包含有以重量百分比計：16~18%之鉻(Cr)、1~5%之鎳(Ni)、0.4~0.7%之氮(N)、1~3%之鉬(Mo)、≦0.075%之碳(C)、≦1%之矽(Si)、≦2%之錳(Mn)、0.1~1%之釩(V)，其餘部分為鐵及不可避免之雜質所構成。詳言之，當前述材料加入感應熔煉設備以形成熔融合金後，接著便取樣測量該熔煉設備中熔融合金之重量組成比例，以確定該熔融混合之不銹鋼熔湯之組成重量百分比維持在：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳、0.1~1%之釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。

該合金材料中另包含有部分雜質，例如硫(S)、磷(P)等成分，以重量百分比計，磷較佳是低於0.045%，硫較佳是低於0.03%。如此，使該熔融混合後之合金維持上述組成比例，待冷卻固化後便可獲得形成本發明之高氮低鎳含量的不銹鋼合金。

請參考表一所示，其為本發明不同配比之實施例1~4與前案之比較例11及12之差異表，如下：

綜上所述，本發明之高氮低鎳含量的不銹鋼合金特別加入釩(V)元素，可增加氮溶解度，降低鎳之用量，提高該不銹鋼合金之抗拉強度及降伏強度，並降低腐蝕速率及製作成本。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

Claims

一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金包括下列元素：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳、0.1~1%之釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第2項所述之高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，更包括：磷≦0.045%及硫≦0.03%。
一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金，以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金只由下列元素所組成：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳及0.1~1%之釩、磷≦0.045%及硫≦0.03%，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。
一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法，包括下列步驟：一持溫熔煉步驟：將不銹鋼合金之多個熔煉原料放置在一感應熔煉設備內，將該感應熔煉設備中的空氣抽出，再通入高於大氣壓之氮氣後，以接近於澆鑄溫度之持溫熔煉使該熔煉原料熔融成一高氮低鎳含量的不銹鋼熔湯；以及一不銹鋼熔湯固化步驟：將該不銹鋼熔湯進行澆鑄，以固化成一高氮低鎳含量的不銹鋼合金，其中以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金包括下列元素：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳及0.1~1%之釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第4項所述之高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金更包括：磷≦0.045%及硫≦0.03%。
一種高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法，包括下列步驟：一持溫熔煉步驟：將不銹鋼合金之多個熔煉原料放置在一感應熔煉設備內，將該感應熔煉設備中的空氣抽出，再通入高於大氣壓之氮氣後，以接近於澆鑄溫度之持溫熔煉使該熔煉原料熔融成一高氮低鎳含量的不銹鋼熔湯；以及一不銹鋼熔湯固化步驟：將該不銹鋼熔湯進行澆鑄，以固化成一高氮低鎳含量的不銹鋼合金，其中以其總重為100w%計算，該高氮低鎳沃斯田鐵不銹鋼合金只由下列元素所組成：16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.4~0.7%之氮、1~3%之鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳、0.1~1%之釩、磷≦0.045%及硫≦0.03%，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。