TWI510648B - 低鎳含量之沃斯田鐵系不鏽鋼及其使用 - Google Patents
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Description
本發明係有關於高度可成形之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其比較目前上市的低鎳沃斯田鐵系鋼等級具有對延遲裂化之高度抗性。本發明也係有關於該鋼用在藉加工方法所製造的金屬產品之用途。
鎳價的高度起伏波動,使得人們對鉻-鎳合金沃斯田鐵系不鏽鋼的低鎳及不含鎳替代品之關注增高。後文中當描述元素含量時,若未另行述及,則含量係以重量%表示。錳合金200系列沃斯田鐵系不鏽鋼比較鉻-鎳合金300系列等級具有通常相等的成形性,該等鋼之其它性質也可相媲美。但大部分錳合金等級,特別具有自0%至5%特低鎳含量之等級對延遲裂化現象敏感,妨礙其用在需要嚴苛深部壓延操作之應用。目前可資利用的低鎳等級的另一項缺點為其鉻含量減低,來確保其完整沃斯田鐵系晶體結構。舉例言之,含約1%鎳之低鎳等級典型地只含有15%鉻來提供抗蝕性。
低鎳錳合金鋼等級之一個實例為藉由與銅Cu合金化做出修改版本之等級AISI 204(UNS S20400)。依據標準ASTM A240-09b及EN特化級1.4597,新穎銅合金材料在該標準係定名為S20431。此等鋼係廣泛用在家用電器、淺鍋及平底鍋及其它消費者產品。但目前可使用鋼對延遲裂化極為敏感,因而無法用在材料接受深部壓延之應用。
業已提出若干設定來對抗延遲裂化之具有減低鎳含量之沃斯田鐵系不鏽鋼級。GB專利案1419736揭示不穩定的沃斯田鐵系不鏽鋼對延遲裂化具低敏感度,其係基於C及N之低含量。但該鋼具有載明為6.5%之最低鎳含量,妨礙該鋼之成本效益。
WO公告案95/06142揭示沃斯田鐵系不鏽鋼,其係藉由限制C及N含量及藉由控制描述鋼之沃斯田鐵穩定性之Md30
溫度而變成對延遲裂化具有耐性。但此種WO公告案之鋼含有至少6%鎳,因此不具成本效益。
EP專利案2025770揭示減鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其係藉由控制Md30
溫度而調整成對延遲裂化具有耐性。但此一EP專利案之鋼含有至少3%鎳,減低鋼之成本效益。
此外,曾經提示多種合金來找出習知鉻-鎳合金鋼等級之具成本效益的替代之道。但並無任何既有合金係組合低鎳含量(約1%)及對延遲裂化之高度抗性。
舉例言之,EP專利案0694626揭示一種含1.5-3.5%鎳之沃斯田鐵系不鏽鋼。該鋼含有9-11%錳,但可能有損鋼的表面品質及防蝕性。美國專利案6274084揭示含1-4%鎳之沃斯田鐵系不鏽鋼。美國專利案3893850揭示含最低8.06%錳及不高於0.14%鎳之不含鎳沃斯田鐵系不鏽鋼。EP專利案0593158揭示含至少2.5%鎳之沃斯田鐵系不鏽鋼,如此未具最佳成本效益。此外,前述各種鋼皆未曾設計來對抗延遲裂化,可能限制其用在需要進行苛刻成形操作之該等應用用途。
本發明之目的係消除先前技術之若干缺點與提出一種比較目前市面上的低鎳不鏽鋼具有對延遲裂化之實質上較低敏感度之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼。藉經審慎設計鋼之化學組成,具有沃斯田鐵系穩定性及碳與氮含量之最佳組合,可確保獲得對延遲裂化之抗性。本發明之目的也係使用鋼於藉加工方法所製造的金屬產品的使用,該方法中可能遭致延遲裂化。本發明之主要特徵係列舉於隨附之申請專利範圍。
本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼之較佳化學組成如下(以重量百分比表示):
0.02-0.15% C
0.1-2% Si
7-15% Mn
14-19% Cr
0.1-4% Ni
0.1-3% Cu
0.05-0.35% N,
差額為鐵及無法避免的雜質。
本發明之鋼可選擇性地含有下列組群中之至少一者:至多3%鉬(Mo)、至多0.5%鈦(Ti)、至多0.5%鈮(Nb)、至多0.5%鎢(W)、至多0.5%釩(V)、至多50 ppm硼(B)及/或至多0.05%鋁(Al)。
本發明之鋼具有下列性質:
● 降伏強度Rp0.2%
係高於260MPa,
● 終抗拉強度Rm
係高於550 MPa,
● 斷裂點伸長率A80mm
係高於40%,
● 耐點蝕性相當PRE(PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N)係高於17。
本發明之鋼具有至多至少2.0或甚至更高的壓延比來達成深部壓延而未遭致延遲裂化。壓延比係定義為用在深部壓延操作中具有可變直徑之一圓形坯料與具有常數直徑之一衝頭直徑間之比。本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼可用在藉深部壓延、拉伸成形、彎曲、紡絲、液壓成形及/或滾軋成形等加工方法或藉此等加工方法之任一項組合所製成的金屬產物之抗延遲裂化之耐性。
本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼之各元素的效果及以重量百分比計之含量係描述如下:
碳(C)為有價值的沃斯田鐵系形成及穩定元素,其允許減少使用昂貴元素鎳、錳及銅。碳合金化之上限係藉碳化物沈澱風險設定,其降級鋼的防蝕性。因此,碳含量將限於低於0.15%,較佳低於0.12%,及適合低於0.1%。藉脫碳處理而將碳含量降至低水平並不經濟,因此,碳含量不應低於0.02%。將碳含量限於低濃度也增加其它昂貴沃斯田鐵系形成元素及穩定元素的需求。
矽(Si)添加至不鏽鋼用在冶鑄的脫氧化目的,不應低於0.1%。原因在於矽為肥粒鐵(ferrite)系形成元素,其含量須限制低於2%,較佳係低於1%。
錳(Mn)為本發明鋼的關鍵元素,確保穩定沃斯田鐵系晶體結構及允許減少使用較為昂貴的鎳。錳也增高氮對鋼之溶解度。為了以儘可能低的鎳合金化,達成完全沃斯田鐵系及夠穩定的晶體結構,錳含量須高於7%。高錳含量使得鋼之脫碳處理變困難,損害表面品質及減低鋼的防蝕性。因此,錳含量須低於15%,較佳係低於10%。
鉻(Cr)係負責確保鋼之防蝕性。鉻也穩定化沃斯田鐵系結構,如此就避免延遲裂化現象而言相當重要。因此,鉻含量須至少為14%。藉由從此一濃度提高含量,可改良鋼之防蝕性。鉻為肥粒鐵系形成元素。因此,提高鉻含量,增加對昂貴沃斯田鐵系形成元素鎳、錳、銅的需求,或要求不合實際的高碳及氮含量。因此,鉻含量須低於19%,較佳係低於17.5%。
鎳(Ni)為強力沃斯田鐵系形成元素及穩定元素。但其價格昂貴,因此為了維持本發明鋼之成本效益,鎳合金化之上限須為4%。較佳為了進一步改良成本效益,鎳含量應低於2%,適合1.2%。極低鎳含量需要以其它沃斯田鐵系形成及穩定化元素不合實際地高度合金化。因此,鎳含量應較佳係高於0.5%,及更佳高於1%。
銅(Cu)可用作沃斯田鐵系形成元素及穩定元素,作為鎳之較廉價替代品。由於熱延展性的損耗,銅含量不應高於3%。較佳,銅含量不應超過2.4%。
氮(N)為強力沃斯田鐵系形成元素及穩定元素。因此,藉由允許較低量使用鎳、銅及錳,氮合金化改良本發明鋼之成本效益。為了確保前述合金化元素之用量合理地低,氮含量須至少0.05%,較佳大於0.15%。高氮含量提高鋼之強度,如此使得形成操作更為困難。此外,氮化物沈澱風險隨著氮含量的增高而提高。因此理由故,氮含量須不超過0.35%,較佳氮含量須低於0.28%。
鉬(Mo)為選擇性元素,可添加來改良鋼之防蝕性。但因成本高,故鋼之鉬含量須低於3%。
除了前述個別合金化元素範圍之外,鋼之Md30
溫度與碳與氮含量之和值(C+N)之組合須經調整,使得該組合係在圖1之區域ABCD所界定的範圍以內。圖1之點ABCD具有下列值
Md30
溫度係定義為在0.3塑性抗拉應變,形成50%應變誘導麻田散鐵(martensite)系之溫度。業已提示用來計算Md30
溫度之多個實驗式。值得注意者為其中並無任一者對具有高錳含量之本發明鋼為準確。因此,述及Md30
溫度,其已為本發明鋼實驗上測量得。
為了測試本發明鋼,製造數個低鎳錳合金沃斯田鐵系不鏽鋼呈60千克小規模熱鋼。澆鑄錠經熱軋及冷軋至1.2亳米至1.5毫米範圍之厚度。鋼之鎳含量係在1至4.5%之範圍。若干典型商業上可購得之等級稱作為對延遲裂化敏感也可含括於測試。測試材料對延遲裂化之敏感度係利用史夫特(Swift)杯測試進行研究,此處不等直徑的圓坯料係使用圓柱體衝頭而深部壓延成杯。
鋼之沃斯田鐵系穩定性表示材料對應變誘導麻田散鐵系相變換的傾向,係藉實驗上測量鋼之Md30
溫度而測定。拉力測試樣本係在各個恆定溫度被張緊至0.3真正塑性應變,及麻田散鐵系含量係利用肥粒鐵鏡測量,肥粒鐵鏡為量測材料中之鐵磁相含量之裝置。肥粒鐵鏡讀數藉乘以1.7之校正常數而轉成麻田散鐵系含量。Md30
溫度值係基於藉迴歸分析之實驗結果測定。
由於Md30
溫度之實驗測定繁瑣,對有些材料,Md30
溫度係藉利用實驗結果之迴歸分析所導算出之實驗式測定。
圖1呈現結果之摘要。圖中各個資料點表示單一測試材料。所使用的符碼(1.4、1.6、1.8、2.0及2.1)指示材料可被深部壓延而距深部壓延操作兩個月內不會發生延遲裂化之最高壓延比。對角線係基於實驗資料點摘述,來更明白顯示該鋼之Md30
溫度效果及碳與氮含量之和值(C+N)效果。
顯然,實驗結果顯示延遲裂化風險係取決於該鋼之Md30
溫度效果及碳與氮含量之和值(C+N)的組合。Md30
溫度、碳含量及氮含量愈低,則裂化風險愈低。圖1所呈現的展開圖用來設計本發明鋼之化學組成,使得藉最低原料成本即可達成延遲裂化的期望抗性。
顯示本發明鋼之兩種典型化學組成且與表1中對延遲裂化敏感的習知1%鎳鋼作比較。合金1係在圖1範圍ABCD內部,且可深部壓延至2.0之壓延比而未發生延遲裂化。合金2係在圖1範圍DEFG內部,且可深部壓延至2.1之壓延比而未發生延遲裂化。習知鋼可只壓延至1.4之壓延比,圖3、4及5分別顯示自合金1、合金2及習知鋼深部壓延之杯樣本。
本發明鋼之另一項重要特徵為如同合金2之情況,其鉻含量可增高至17%而未有形成δ-肥粒鐵系之風險。於習知含約1%鎳的低鎳鋼,鉻含量限於15%來避免δ-肥粒鐵系的存在,如此於鋼熱軋期間造成問題。本發明鋼之較高鉻含量比較習知鋼允許有較高的防蝕性。舉例言之,合金2儘管其鉻含量高,但不含任何δ-肥粒鐵系。結果,合金2可被熱軋而不會發生熱帶之邊緣裂化。圖2顯示合金2於冷軋後之全沃斯田鐵系顯微結構。
圖1以碳與氮含量之和值(C+N)及測量得之Md30
溫度,例示說明本發明鋼之化學組成範圍。
圖2顯示針對本發明鋼,表1之合金2之顯微結構。
圖3顯示從本發明鋼(合金1)深部壓延之杯。
圖4顯示從本發明鋼(合金2)深部壓延之杯。
圖5顯示從含1.1%鎳之習知鋼深部壓延之杯。
Claims (11)
- 一種低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其對延遲裂化具有高度抗性,特徵在於該鋼含有以重量百分比計,0.02-0.15%碳、7-15%錳、14-19%鉻、0.1-4%鎳、0.1-3%銅、0.05-0.35%氮,該鋼之差額為鐵及無法避免的雜質,及於深部壓延中對鋼達成至少2.0之壓延比而未出現延遲裂化,及碳與氮含量之和(C+N)及由實驗量測得該鋼之Md30 溫度所決定之沃斯田鐵系穩定性的組合係在由具有下列數值之點ABCD所界定的區域內部
- 如申請專利範圍第1項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,該鋼含有15-17.5%鉻。
- 如申請專利範圍第1或2項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,該鋼含有7-10%錳。
- 如申請專利範圍第1或2項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,該鋼含有1-2%鎳。
- 如申請專利範圍第1或2項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其 中,該鋼含有0.1-2.4%銅。
- 如申請專利範圍第1項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,該鋼選擇性地含有下列組群中之至少一者:至多3%鉬、至多0.5%鈦、至多0.5%鈮、至多0.5%鎢、至多0.5%釩、至多50ppm硼及/或至多0.05%鋁。
- 如申請專利範圍第1、2或6項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,降伏強度Rp0.2 係高於260MPa及終抗拉強度Rm 係高於550MPa。
- 如申請專利範圍第1、2或6項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,斷裂點伸長率A80mm 係高於40%。
- 如申請專利範圍第1、2或6項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,耐點蝕性相當PRE係高於17。
- 如申請專利範圍第1、2或6項之低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼,其中,該深部壓延為至少2.0之壓延比係對鋼達成而未出現延遲裂化,及碳與氮含量之和(C+N)及由實驗量測得該鋼之Md30 溫度所決定之沃斯田鐵系穩定性的組合係在由具有下列數值之點DEFG所界定的區域內部
- 一種低鎳沃斯田鐵系不鏽鋼之用途,其對延遲裂化具有高度抗性,特徵在於該鋼含有以重量百分比計,0.02-0.15%碳、7-15%錳、14-19%鉻、0.1-4%鎳、0.1-3%銅、0.05-0.3%氮,該鋼之差額為鐵及無法避免的雜質,及於深部壓延中對鋼達成至少2.0之壓延比而未出現延遲裂化,及碳與氮含量之和(C+N)及由實驗量測得該鋼之Md30 溫度所決定之沃斯田鐵系穩定性的組合係在由具有下列數值之點ABCD所界定的區域內部
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