TWM605747U - 高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備 - Google Patents

Abstract

一種高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備包括：一封閉腔體；一感應熔煉裝置，設置於該封閉腔體內，用以容置並感應加熱多個熔煉原料成一不銹鋼熔湯；一水冷式模具，設置於該封閉腔體內，用以容置澆鑄後之不銹鋼熔湯，並將該不銹鋼熔湯固化成一沃斯田鐵不銹鋼合金；一真空裝置，藉由一管路單元連通該封閉腔體，用以對該封閉腔體抽真空；以及一氮氣供應源，藉由該管路單元連通該封閉腔體，用以供應氮氣至該封閉腔體。

Description

高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備

本新型是有關於一種不銹鋼合金的製造設備，且特別是有關於一種高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備。

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，與一般碳鋼塗覆材所不同的是，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是添加元素為鉻、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。高氮低鎳含量的不銹鋼合金仍具有高強度及低腐蝕速率。

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化合金，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，便有需要提供一種具有高氮低鎳含量之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，以解決前述的問題。

本新型之一目的是提供一種高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其只須在10~30大氣壓之氮氣環境下以低於不銹鋼熔湯之澆鑄溫度進行持溫熔煉。

依據上述之目的，本新型提供一種沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，包括：一封閉腔體；一感應熔煉裝置，設置於該封閉腔體內，用以容置並感應加熱多個熔煉原料成一不銹鋼 熔湯；一水冷式模具，設置於該封閉腔體內，用以容置澆鑄後之不銹鋼熔湯，並將該不銹鋼熔湯固化成一沃斯田鐵不銹鋼合金；一真空裝置，藉由該管路單元連通該封閉腔體，用以對該封閉腔體抽真空；以及一氮氣供應源，藉由該管路單元連通該封閉腔體，用以供應氮氣至該封閉腔體。

本新型之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金具有高氮低鎳含量。相較於先前技術之Fe-Cr-Mn沃斯田鐵不銹鋼必須在高氮氣壓力下熔煉(氮氣壓力高達50大氣壓)，本新型之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備的感應熔煉裝置只須在10~30大氣壓之氮氣環境下以低於不銹鋼熔湯之澆鑄溫度進行持溫熔煉，而不須以高達50大氣壓的氮氣壓力來增加氮溶解度，如此可避免消耗大量氮氣，降低製造成本增加，以及避免在50大氣壓的高壓下進行熔煉所增加的製程危險性。

1:製造設備

11:封閉腔體

12:感應熔煉裝置

121:水冷式坩堝單元

122:感應線圈單元

13:水冷式模具

14:真空裝置

15:氮氣供應源

16:管路單元

20:不銹鋼熔湯

S1:步驟

S2:步驟

圖1為本新型之一實施例之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備。

圖2為本新型之一實施例之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法流程圖。

圖3，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。

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

圖1為本新型之一實施例之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備。該高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備1包括一封閉腔體11、一感應熔煉裝置12、一水冷式模具13、一真空裝置14及一氮氣供應源15。該感應熔煉裝置 12設置於該封閉腔體11內。該感應熔煉裝置12包括一水冷式坩堝單元121及一感應線圈單元122。該水冷式坩堝單元121用以容置多個熔煉原料。該感應線圈單元122環繞該水冷式坩堝單元121，用以感應加熱該些熔煉原料成不銹鋼熔湯20。該水冷式模具13設置於該封閉腔體11內，用以容置澆鑄後之不銹鋼熔湯20。該真空裝置14藉由管路單元16連通該封閉腔體11，用以對該封閉腔體11抽真空。該真空裝置14可為真空泵。該氮氣供應源15藉由該管路單元16連通該封閉腔體11，用以供應氮氣至該封閉腔體11。圖2為本新型之一實施例之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金之製造方法流程圖。高強度耐腐蝕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該感應熔煉裝置12之水冷式坩堝單元121內，藉由該真空裝置14將該封閉腔體11中的空氣抽出，再藉由該氮氣供應源15通入10~30大氣壓(atm)之氮氣至該封閉腔體11中後，該感應熔煉裝置12之感應線圈單元122(設定電壓50Kv)以一熔煉溫度持溫熔煉使該些熔煉原料熔融成高氮低鎳含量的不銹鋼熔湯，其中熔煉溫度低於不銹鋼熔湯之澆鑄溫度，該些熔煉原料包括含鐵材料、含釩材料、含鉻材料、含鉬材料、含矽材料、含鎳材料及含錳材料；以及(2)不銹鋼熔湯固化步驟S2：將不銹鋼熔湯澆鑄至該水冷式模具13(設定冷卻水流量20升/分鐘)，以固化成一高氮低鎳含量的沃斯田鐵不銹鋼合金。

舉例，本新型之持溫熔煉步驟S1是指在抽真空後，該氮氣供應源15提供10~30大氣壓之氮氣環境下，該感應熔煉裝置12將鐵基合金、釩鐵、鉻鐵、鉬鐵、含鎳材料及含錳材料等在該感應熔煉裝置之熔煉溫度範圍約為攝氏1385~1455度(此溫度範圍低於該不銹鋼熔湯澆鑄至該水冷式模具之溫度範圍約為攝氏1580~1620度)進行至少15分鐘的持溫熔煉，使該些熔煉原料熔融混合。上述熔煉溫度介於該些熔煉原料其中之一的最高熔點及最低熔點之間。該些熔煉原料中可另加入矽鐵，以 使得該些熔煉原料進行熔煉後另包含有矽之成分。

由於在熔煉製程中不銹鋼熔湯溫度越高則氮溶解度越小之影響，該熔煉溫度範圍攝氏1385~1455度為可熔煉且為最佳氮溶解度之溫度範圍，如此一來沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備只須在10~30大氣壓之氮氣環境下進行持溫熔煉，而不須以高達50大氣壓的氮氣壓力來增加氮溶解度。

請參考圖3，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)。由於本新型加入釩(V)元素，其具有較佳的吸氮功能，因此也可增加氮溶解度。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。

在另一實施例中，本新型之持溫熔煉步驟S1中，該些熔煉原料中亦可另加入含氮材料(例如氮化鐵)作為置入感應熔煉設備中進行熔融，如此則可增加氮在不銹鋼熔湯中的比例及均勻性。

請再參考圖1所示，本新型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括有以重量百分比計：16~18%之鉻(Cr)、1~5%之鎳(Ni)、0.5~1.0%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。較佳地，不銹鋼合金包括0.7~1.0%之氮(N)。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、0.5~1.0%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。較佳地，不銹鋼熔湯包括0.7~1.0%之氮(N)。

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新型之高氮低鎳含量的不銹鋼合金。

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

綜上所述，本新型之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金具有高氮低鎳含量。相較於先前技術之Fe-Cr-Mn沃斯田鐵不銹鋼必須在高氮氣壓力下熔煉(氮氣壓力高達50大氣壓)，本新型之高強度耐腐蝕沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備的感應熔煉裝置只須在10~30大氣壓之氮氣環境下以低於不銹鋼熔湯之澆鑄溫度進行持溫熔煉，而不須以高達50大氣壓的氮氣壓力來增加氮溶解度，如此可避免消耗大量氮氣，降低製造成本增加，以及避免在50大氣壓的高壓下進行熔煉所增加的製程危險性。

綜上所述，乃僅記載本新型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，並非用來限定本新型專利實施之範圍。即凡與本新型專利申請範圍文義相符，或依本新型專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本新型專利範圍所涵蓋。

1:製造設備

11:封閉腔體

12:感應熔煉裝置

121:水冷式坩堝單元

122:感應線圈單元

13:水冷式模具

14:真空裝置

15:氮氣供應源

16:管路單元

20:不銹鋼熔湯

Claims (10)

1. 一種沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，包括：

   一封閉腔體；

   一感應熔煉裝置，設置於該封閉腔體內，用以容置並感應加熱多個熔煉原料成一不銹鋼熔湯；

   一水冷式模具，設置於該封閉腔體內，用以容置澆鑄後之不銹鋼熔湯，並將該不銹鋼熔湯固化成一沃斯田鐵不銹鋼合金；

   一真空裝置，藉由一管路單元連通該封閉腔體，用以對該封閉腔體抽真空；以及

   一氮氣供應源，藉由該管路單元連通該封閉腔體，用以供應氮氣至該封閉腔體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該感應熔煉裝置包括一水冷式坩堝單元及一感應線圈單元，該水冷式坩堝單元用以容置該些熔煉原料，且該感應線圈單元環繞該水冷式坩堝單元，用以感應加熱該些熔煉原料成該不銹鋼熔湯。
3. 如申請專利範圍第2項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該些熔煉原料包括含鐵材料、含釩材料、含鉻材料、含鉬材料、含矽材料、含鎳材料及含錳材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該氮氣供應源提供10~30大氣壓之氮氣環境下，該感應熔煉裝置將鐵基合金、釩鐵、鉻鐵、鉬鐵、矽鐵、含鎳材料及含錳材料進行持溫熔煉。
5. 如申請專利範圍第4項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該熔煉溫度介於該些熔煉原料其中之一的最高熔點及最低熔點之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該感應熔煉裝置之持溫熔煉的溫度範圍為攝氏1385~1455度，並進行至少15分鐘的持溫熔煉。
7. 如申請專利範圍第6項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該不銹鋼熔湯澆鑄至該水冷式模具之溫度範圍為攝氏1580~1620度。
8. 如申請專利範圍第3項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該些熔煉原料更包括含氮材料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中以其總重為100w%計算，該沃斯田鐵不銹鋼合金包括下列元素：

   16~18%之鉻、1~5%之鎳、0.5~1.0%之氮、1~3%鉬、≦0.075%之碳、≦1%之矽、≦2%之錳及0.1~1%釩，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。
10. 如申請專利範圍第9項所述之沃斯田鐵不銹鋼合金的製造設備，其中該沃斯田鐵不銹鋼合金更包括下列元素：磷≦0.045%及硫≦0.03%。

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