TWI405857B - 高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金 - Google Patents

Description

高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金

本發明係關於一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，特別是關於一種適用於鑄造工件，且鑄造後，經高溫退火後，可提升其機械強度、延展性及防鏽性之高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金。

「合金(alloy)」是指在一主要金屬內摻雜或添加一種或一種以上之其他金屬或非金屬所形成具有金屬特性的混合物質。當純金屬為了某些特殊目的添加其他金屬或非金屬而配製成合金後，其本身的性質也會發生變化，例如熔點降低、強度升高、延展性降低、電阻增大、導熱度降低、熱處理性能增進、耐蝕性變化及磁性變化等。由於純金屬配製成合金後，其機械、物理及化學性質均獲得改善，因此可隨著機械、器具之設計需要，選用適當的合金元素並控制其含量、製造程序、加工程序、熱處理程序，以配製成合用的合金材料。依照機械強度及延展性的差異，不同的合金材料可能適用於鑄造製程或鍛造加工製程，以供製造各種工件。

請參照第1圖所示，其揭示現今之鑄造法與鍛造加工法所使用的合金材料之機械性質比較表。當分析該些不鏽鋼合金材料的機械性質時，可發現鑄造用不鏽鋼合金材料之降伏強度約在94ksi以下，抗拉強度約在123ksi以下，及延伸率約在41%以下；鍛造用不鏽鋼合金材料之降伏強度約在93ksi以下，抗拉強度約在121ksi以下，及延伸率約在64%以下。一般而言，鑄造用不鏽鋼合金材料之機械強度較佳，而鍛造用不鏽鋼合金材料對延伸率及耐蝕性之要求較高。

請參照第2圖所示，其揭示鐵鉻鎳不鏽鋼合金系列之基本結構分佈圖。過去數十年來，鐵鉻鎳合金鋼系列受到廣泛的研究與討論，研究顯示經由不同的合金設計能使鐵鉻鎳合金鋼分別具有高強度、高韌性、耐低溫、耐高溫及耐磨耗等特性，其主要成份為鐵、鉻及鎳，其中鉻元素的添加可增加合金的抗氧化性和抗蝕性，而鎳元素的添加可穩定沃斯田鐵相或麻田散鐵相，使此合金在室溫或低溫均為面心立方(face-centered cubic，FCC)結構，以改善鐵基合金的韌性。鐵鉻鎳合金鋼之基本分類大致如下：

(1)、沃斯田鐵系合金鋼：其顯微結構為完全FCC結構，基本成分為：16至26wt%之鉻、8至25wt%之鎳、0至6wt%之鉬及0.08wt%以下之碳；其典型機械性質範圍：抗拉強度約60至80ksi，降伏強度約45至60ksi，延伸率約40至60%。

(2)、肥粒鐵系合金鋼：其顯微結構為體心立方(body-centered cubic，BCC)結構，基本成分為：12至19wt%之鉻、0至5wt%之鎳、5wt%以下之鉬及0.25wt%以下之碳；其典型機械性質範圍：抗拉強度約 60至100ksi，降伏強度約45至80ksi，延伸率約20至30%。

(3)、肥粒鐵-沃斯田鐵系合金鋼：其顯微結構為FCC+(20至50wt%)BCC雙相結構，基本成分為：18至27wt%之鉻、4至7wt%之鎳、1至4wt%以下之鉬及0.05wt%以下之碳；其典型機械性質範圍：抗拉強度約100至120ksi，降伏強度約45至80ksi，延伸率約25至40%。

(4)、麻田散鐵系合金鋼：其顯微結構為麻田散鐵結構，基本成分為：11至18wt%之鉻、0至2wt%之鎳、2wt%以下之鉬及0.17wt%以下之碳；其典型機械性質範圍：抗拉強度約150至200ksi，降伏強度約140至180ksi，延伸率約10至15%。

(5)、麻田散鐵-沃斯田鐵系合金鋼：其顯微結構為麻田散鐵+(0至20wt%)沃斯田鐵雙相結構，基本成分為：12至18wt%之鉻、4至6wt%之鎳、1至2wt%以下之鉬及0.10wt%以下之碳；其典型機械性質範圍：抗拉強度約120至160ksi，降伏強度約100至140ksi，延伸率約15至20%。

請再參照第1及2圖所示，為了進一步提升不鏽鋼合金鑄件的機械性質，本案發明人改良設計一種鐵鉻鎳合金(鐵-18-19wt%鉻-5.0-6.0wt%鎳)，以進行機械性質之研究分析及試驗。結果顯示，該鐵鉻鎳合金之降伏強度值約為100ksi，抗拉強度值約為140ksi，延伸率則 約為40%，因此若能進一步設計與控制鐵鉻鎳合金成分比例、製造流程及顯微結構，將可發展降伏強度大於100ksi、抗拉強度大於140ksi、延伸率大於40%，並具備較佳鑄造性質及耐蝕性之鐵鉻鎳合金，以便應用於鑄造各種工件。

綜上所述，本發明者乃利用合金設計與製程處理之理念，設計出本發明之高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其具有(麻田散鐵及15至25wt%的沃斯田鐵)雙相顯微結構之特性，同時利用適當的製程處理(低頻震盪處理)，使其結構微細化，進而使該鐵鉻鎳合金具備降伏強度大於100ksi、抗拉強度大於140ksi及延伸率大於40%之機械性質，且具有較佳鑄造性質及抗鏽蝕性之特性。因此相較於傳統不鏽鋼合金，本發明之鐵鉻鎳合金更適合用以製作各種鑄件，並能使其具備更高之延展性、防鏽性及鑄造性質等多重優點。

本發明之主要目的在於提供一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其包含18至19wt%之鉻、5.0至6.0wt%之鎳、0.18至0.23wt%之氮及0.05至0.15wt%之碳，其餘比例為鐵及其他微量元素。該鐵鉻鎳合金兼具高抗拉強度及高延展性，因而有利於提升不鏽鋼合金之鑄造加工性。

本發明之另一目的在於提供一種高強度高韌性鑄造 用鐵鉻鎳合金，其微量元素包含0.4至1.2wt%之矽及0.4至1.2wt%之錳，藉由矽防止氣孔形成、增進收縮作用、增加鋼液流動性，故有助於提升鑄造性質。

本發明之再一目的在於提供一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其微量元素包含0.5至1.0wt%之(鈦+鈮+釩)，藉由鈦降低合金密度及增加抗腐蝕性；藉由鈮細化晶粒和降低合金的過熱敏感性及回火脆性，並具有抵抗大氣腐蝕之性能；藉由釩做為鋼液中之去氧劑，以細化組織晶粒，故有助於提升抗腐蝕性、機械強度及韌性。

為達上述之目的，本發明提供一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其包含18至19wt%之鉻、5至6wt%之鎳、0.18至0.23wt%之氮及0.05至0.15wt%之碳，其餘比例為鐵及微量元素，該微量元素較佳選自下列元素組成之族群：0.4至1.2wt%之矽及0.4至1.2wt%之錳、0.5至1.0wt%之(鈦+鈮+釩)及其組合。該鐵鉻鎳合金具備100ksi以上之降伏強度、140ksi以上之抗拉強度及40%以上之延伸率等機械性質，其屬於麻田散鐵-沃斯田系不鏽鋼，適用於各種鑄造工件用途，以供提升鑄造工件所需之抗拉強度、延展性、防鏽性及鑄造性質。

在本發明之一實施例中，當該鐵鉻鎳合金應用於鑄造各種工件時，造成鑄模內的鐵鉻鎳合金形成微細的(麻田散鐵+15至25wt%的沃斯田鐵)之顯微結構，以進一步提升該鑄件之鐵鉻鎳合金之機械強度。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明揭示一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其主要包含鐵(Fe)、鉻(Cr)及鎳(Ni)，其中亦可摻雜或添加氮(N)、碳(C)、鈦(Ti)、鈮(Nb)及釩(V)等微量元素，且該鐵鉻鎳合金基本上屬於麻田散鐵-沃斯田系不鏽鋼。在本發明之一實施例中，該鐵鉻鎳合金包含18至19wt%之鉻、5至6wt%之鎳、0.18至0.23wt%之氮及0.05至0.15wt%之碳，其餘比例為鐵。在本發明之另一實施例中，該鐵鉻鎳合金包含18至19wt%之鉻、5%至6wt%之鎳、0.18至0.23wt%之氮及0.05至0.15wt%之碳，其餘比例則以鐵為基材，並包含至少一種微量元素，其中該微量元素較佳選自下列元素組成之族群：0.4至1.2wt%之矽及0.4至1.2wt%之錳、0.5至1.0wt%之(鈦+鈮+釩)及其組合。

請參照第3、4、5及6圖所示，其揭示本發明之鐵鉻鎳合金之實施例與比較例之成分比例與機械性質之比較表，其中編號1至5為本發明實施例之成分範疇，編號6至8為比較實施例(相關數據為採樣10個試片之平均值)。由圖中所示可知，由鐵-17.0wt%鉻-7.0wt%鎳-0.05wt%碳-0.15wt%氮所組成之編號1合金材 料，經900℃熱處理1小時後，其機械性質為降伏強度105ksi，抗拉強度148ksi，及延伸率45%。若延長熱處理時間至16小時後，其機械性質則變化為降伏強度105.7ksi，抗拉強度148.9ksi，延伸率則可達45.5%，且其鑄件經5%NaCl鹽霧試驗48小時及砲擊3000發試驗均合格。再者，由鐵-17wt%鉻-7.0wt%鎳-0.05wt%碳-0.15wt%氮-0.6wt%矽所組成之編號6之合金材料，經780-930℃熱處理1小時後，其鑄造機械性質為降伏強度92ksi，抗拉強度141.9ksi，延伸率可達49.1%，且能增加鋼液流動性。再者，其工件經5%NaCl鹽霧試驗48小時及砲擊3000發試驗均合格。同樣的，編號1至5合金材料之成份在本發明範疇內，經熱處理後，其機械性質的降伏強度介於100至108ksi之間，抗拉強度介於145至155ksi之間，延伸率可達40至55%，且鹽霧試驗48小時及砲擊試驗均合格。

在本發明之鐵鉻鎳合金的鑄造製程中，機械性質較差(比較例編號6合金材料)，如第5圖所示，其揭示比較例編號6之鑄件之顯微結構圖，其成分與實施例編號1相近。再者，當本發明之鐵鉻鎳合金的鉻含量低於18wt%時(比較例編號7合金材料)，其沃斯田鐵佔14.4wt%，低於本發明之下限15wt%，則發現其機械性質與延伸率低於本發明之預定機械性質與預定延伸率。當鉻含量高於本專利範疇時(比較例編號8合金材料)，比較例編號8之顯微結構圖中的沃斯田鐵佔 22wt%，大於本發明之預定沃斯田鐵比例，且其機械強度高於本發明之預定機械強度，然而延伸率低於本發明之預定延伸率。

下文分別針對各種添加合金元素之比例範圍及其對於本發明之鐵鉻鎳合金性質之影響逐一說明如下：鉻(Cr)：在本發明之鐵鉻鎳合金中添加鉻時，不僅增加鐵鉻鎳合金對於腐蝕及氧化之抵抗性，且亦可形成安定而硬的碳化物，以提昇鐵鉻鎳合金之硬化能及高溫強度。基本上，鉻有助於形成體心立方(body-centered cubic，BCC)沃斯田鐵穩定相。在本發明之鐵鉻鎳合金中，當鉻含量低於18wt%時，將使該鐵鉻鎳合金之沃斯田鐵相不足，而使其機械強度低於本發明之預定機械強度。當鉻含量大於19wt%時，將使沃斯田鐵相過多，而使延伸率低於本發明之預定延伸率。因此，為使鐵鉻鎳合金於生產過程中容易控制(麻田散鐵基地+15至25wt%沃斯田鐵)之顯微結構，以展現最佳化鑄件性能，本發明之鐵鉻鎳合金的鉻含量應控制在18至19wt%之間。

鎳(Ni)：在本發明之鐵鉻鎳合金中添加鎳時，不僅增加鐵鉻鎳合金對於腐蝕及氧化之抵抗性，且亦可穩定鐵鉻鎳合金之面心立方(face-centered cubic，FCC)麻田散鐵相。在本發明之鐵鉻鎳合金中，當鎳含量低於5%，將使該鐵鉻鎳合金之麻田散鐵相較不穩定，相對的沃斯田鐵相會過多，而使其延伸率低於本發明之預定 延伸率。當鎳含量大於6wt%時，將使該鐵鉻鎳合金之麻田散鐵穩定，相對的沃斯田鐵相會不足，而使機械強度低於本發明之預定機械強度。因此，為使鐵鉻鎳合金於生產過程中容易控制(麻田散鐵基地+15至25wt%沃斯田鐵)之顯微結構，以展現最佳化鑄件性能，本發明之鐵鉻鎳合金的鎳含量應控制在5至6wt%之間。

碳(C)、氮(N)：碳與氮元素基本上為一般鋼鐵材料不可或缺的元素，除了形成碳化物或氮化物外，其亦是麻田散鐵穩定相之元素，隨著碳、氮含量增加，肥粒鐵減少而麻田散鐵愈穩定。惟，在本發明之鐵鉻鎳合金中，當碳、氮含量過高時，將不利鐵鉻鎳合金的耐蝕性。因此，本發明之鐵鉻鎳合金若能控制或添加0.05至0.15wt%之碳及0.18至0.23wt%之氮，將有助於提升耐蝕性與穩定麻田散鐵相。

矽(Si)：在本發明之鐵鉻鎳合金內摻雜或添加矽時，有利於防止氣孔形成、增進收縮作用及增加鋼液流動性。但是，在本發明之鐵鉻鎳合金中，當矽含量大於1.2wt%時，將不利於延伸率。因此，本發明之鐵鉻鎳合金若能添加0.4至1.2wt%之矽，將有助於提高鑄造性質，以進行鑄件原料之製程。

鈦(Ti)+鈮(Nb)+釩(V)：在本發明之鐵鉻鎳合金內摻雜或添加鈦、鈮及釩時，可藉由鈦降低合金密度及增加抗腐蝕性；藉由鈮細化晶粒和降低合金的過熱敏感性及回火脆性，並具有抵抗大氣腐蝕之性能；及藉由釩做 為鋼液中之去氧劑，以細化組織晶粒。但是，當(鈦+鈮+釩)含量大於1.0wt%時，將會影響鐵鉻鎳合金之延展性和韌性。因此，本發明之鐵鉻鎳合金若能添加0.5至1.0wt%之(鈦+鈮+釩)，將有助於提升抗腐蝕性、機械強度及韌性。

綜上所述，本發明之鐵鉻鎳合金藉由適當控制合金成分，亦即適當調配鉻、鎳之含量，及適當摻雜或添加碳、氮、矽、(鈦+鈮+釩)之元素，且能藉由震盪程序改善鑄造製程。藉此，將可獲致(麻田散鐵+15至25wt%沃斯田鐵)之顯微結構，以便使本發明設計之鑄件之鐵鉻鎳合金具備100ksi以上之降伏強度、140ksi以上之抗拉強度及40%以上之延伸率等極佳之機械性質。若以具備此機械性質之鐵鉻鎳合金製作鑄件，將可發揮鑄件的最佳要求。確實可以符合鑄件最佳化之設計目的，以提供最佳化之機械強度、韌性、防鏽性及鑄造性質，實為製作鑄件之最佳不鏽鋼合金材料。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第1圖：習用精密脫蠟鑄造法所使用的合金材料、鍛造加工法所使用的合金材料與本發明鐵鉻鎳合金之 機械性質比較表。

第2圖：習用鐵鉻鎳不鏽鋼合金系列與本發明鐵鉻鎳合金(井字線標示處)之基本結構分佈圖。

第3圖：本發明之鐵鉻鎳合金之實施例與比較例之成分比例與機械性質之比較表。

第4圖：本發明之實施例(編號1)之鑄件之金相圖。

第5圖：本發明之比較例(編號6)之鑄件之金相圖。

第6圖：本發明之比較例(編號8)之鑄件之金相圖。

Claims (4)

1. 一種高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其包含18至19wt%之鉻、5至6wt%之鎳、0.18至0.23wt%之氮及0.05至0.15wt%之碳，其餘比例以鐵為主；該鐵鉻鎳合金在精密鑄造一鑄件時，其鑄模經低頻震盪處理，造成鑄模內的鐵鉻鎳合金形成微細顯微結構，以便使鑄件具備100ksi以上之降伏強度、140ksi以上之抗拉強度及40%以上之延伸率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其中該鐵鉻鎳合金另包含0.4至1.2wt%之矽及0.4至1.2wt%之錳。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其中該鐵鉻鎳合金另包含0.5至1.0wt%之(鈦+鈮+釩)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高強度高韌性鑄造用鐵鉻鎳合金，其中該鐵鉻鎳合金具有(麻田散鐵+15至25wt%的沃斯田鐵)之結構。