專利名稱：在熔渣層下重熔前的馬氏體不銹鋼的脫氣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造馬氏體不銹鋼的方法，包括所述鋼錠電渣重熔步驟和冷卻所述鋼錠的步驟。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明中，除非另有說明，成分比例都是重量百分比。馬氏體不銹鋼是一種鉻含量超過10. 5%且結(jié)構(gòu)主要為馬氏體的鋼。重要的是，這種鋼的疲勞特性應(yīng)盡可能的好，這樣，采用這種鋼制成的部件的使用壽命才會(huì)最大。為此，人們?cè)噲D改善鋼的雜質(zhì)特性，即，減少鋼內(nèi)存有的非期望雜質(zhì)的數(shù)量(某種合金，氧化物，碳化物，和金屬間化合物相位)。這種雜質(zhì)會(huì)起到裂紋起始位置的作用，即，在循環(huán)載荷的情況下，引起鋼的過早破壞。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中從該鋼試驗(yàn)樣品疲勞試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了大的彌散，即對(duì)于強(qiáng)制變形下疲勞載荷的每個(gè)等級(jí)、使用壽命(對(duì)應(yīng)于導(dǎo)致該鋼疲勞樣品斷裂的循環(huán)數(shù))會(huì)在寬的范圍內(nèi)發(fā)生變化。雜質(zhì)是造成最小值的原因，在統(tǒng)計(jì)上，是造成鋼的疲勞使用壽命(所述范圍的低值)的原因。為了減少這種疲勞特性彌散情況，S卩，為了提升所述低值，并且也是為了加強(qiáng)平均疲勞特性值，有必要改善鋼的雜質(zhì)特性。電渣重熔(ESR)技術(shù)已為人們所知。采用這種技術(shù)時(shí)，鋼錠置放在倒有熔渣(各種礦物混合物，例如，石灰、氟化物、氧化鎂、氧化鋁、方解石) 坩堝中，這樣，鋼錠的下端就浸在熔渣中。接著，鋼錠通一電流，起電極的作用。該電流足夠大，可對(duì)熔渣加熱到使其液化，并對(duì)鋼電極的下端進(jìn)行加熱。該電極的下端與熔渣接觸，于是，便以細(xì)滴的形式熔化穿過熔渣，然后，在熔渣層的下面凝固，這層熔渣漂浮以形成逐漸增大的新的鋼錠。其中，熔渣起到了一種過濾的作用，提取鋼滴中的雜質(zhì)，于是，位于熔渣層下面的所述新鋼錠所含雜質(zhì)要少于初始鋼錠(電極)。這種作業(yè)是在大氣壓力和空氣中進(jìn)行的。盡管電渣重熔(ESR)技術(shù)可通過去除雜質(zhì)減少馬氏體不銹鋼疲勞特性的彌散，但就部件使用壽命來講，這種分散依然太大。發(fā)明者采用超聲波進(jìn)行無損試驗(yàn)表明，所述鋼實(shí)際上包括未知的氫缺陷(薄片)于是，疲勞特性的彌散結(jié)果，特別是結(jié)果范圍的低端值，因?yàn)殇摰牧鸭y過早開裂的另一種意外機(jī)制，導(dǎo)致過早疲勞斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可提高這些低值，減少馬氏體不銹鋼疲勞特性彌散，并增強(qiáng)平均疲勞特性的制造方法。該目的實(shí)現(xiàn)可通過在電渣重熔步驟前，使鋼錠經(jīng)受一定時(shí)間的真空脫氣，該時(shí)間足夠使鋼錠中的氫含量小于3個(gè)ppm。
這些手段可降低顯微尺寸氣相的形成(采用工業(yè)無損測(cè)試裝置是看不到的)，所述氣相由鋼內(nèi)的輕元素構(gòu)成，這樣，可避免由所述顯微相導(dǎo)致的裂紋過早開裂，引起疲勞情況下鋼過早損壞。下面通過詳細(xì)描述以非限定性示例給出的實(shí)施方式，可以更好地理解本發(fā)明和其優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述鋼和現(xiàn)有技術(shù)鋼的疲勞壽命曲線；圖2示出了疲勞載荷曲線；圖3為樹枝晶和枝晶間區(qū)示意圖；以及圖4為使用電子顯微鏡攝取的疲勞后斷裂面的圖像，示出了該斷裂開裂時(shí)的氣相。
具體實(shí)施例方式在電渣重熔(ESR)過程期間，經(jīng)熔渣過濾的鋼冷卻并逐漸凝固而形成鋼錠。該凝固發(fā)生在冷卻期間并會(huì)引起樹枝晶的生長，如圖3所示。根據(jù)馬氏體不銹鋼相圖，對(duì)應(yīng)于第一凝固顆粒的樹枝晶10本質(zhì)上在α晶胞方面更豐富，而枝晶間區(qū)20則在γ晶胞方面更豐富(應(yīng)用相圖的已知杠桿定則)。α晶胞是一種有利于鐵素體類組織的晶胞(在低溫時(shí)更穩(wěn)定的組織貝氏體、鐵素體-珠光體、馬氏體)。Y晶胞是一種有利于奧氏體組織的晶胞(一種高溫時(shí)穩(wěn)定的組織)。為此，在樹枝晶10和枝晶間區(qū)20之間會(huì)發(fā)生分凝。然后，在整個(gè)制造期間，甚至在隨后的熱成形期間，都會(huì)存在這種化學(xué)成分的局部分凝。于是，在凝固的鋼錠和隨后變形的鋼錠中都會(huì)看到這種分凝。一旦材料凝固，樹枝晶10會(huì)在冷卻期間首先變換成鐵素體組織，而枝晶間區(qū)域20 則隨后在較低溫度時(shí)部分地或全部地變換，從而保留較長時(shí)間的奧氏體組織。在所述固態(tài)冷卻期間，會(huì)存在局部組織的不均勻性，奧氏體和鐵素體型顯微結(jié)構(gòu)共存。在這些條件下，在奧氏體組織中比在鐵素體組織中更容易溶解的輕元素(Η，Ν，0)，會(huì)在枝晶間區(qū)20內(nèi)趨于濃縮。這種濃縮則會(huì)因?yàn)橹чg區(qū)內(nèi)Y晶胞數(shù)量較大而增加。在小于300°C溫度時(shí)，輕元素只會(huì)以極低速率擴(kuò)散并始終被截留在其區(qū)域內(nèi)。在枝晶間區(qū)完全或局部變換成鐵素體組織后，在一定集中條件下，會(huì)達(dá)到這些氣相的可溶性極限范圍，而且， 這些氣相會(huì)構(gòu)成氣袋(或者一種可提供高可鍛性和不可壓縮性的物理狀態(tài)的物質(zhì))。在冷卻階段，當(dāng)電渣重熔(ESR)結(jié)束時(shí)，鋼錠(或隨后變形的鋼錠)的直徑越大 (或，一般來講，鋼錠最大尺寸越大)，或者，鋼錠的冷卻速率越低，輕元素從樹枝晶向枝晶間區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)就越大，在枝晶間區(qū)，輕元素在鐵素體和奧氏體組織共存階段期間會(huì)變得集中。在枝晶間區(qū)局部，出現(xiàn)這些輕元素的可溶性超過風(fēng)險(xiǎn)值的情況會(huì)更嚴(yán)重。當(dāng)輕元素的含量超過了該可溶性時(shí)，那么，在所述鋼內(nèi)會(huì)出現(xiàn)含有所述輕元素的顯微氣袋。此外，在冷卻快要結(jié)束的同時(shí)，當(dāng)鋼的溫度低于馬氏體變換溫度Ms時(shí)，該溫度大于環(huán)境溫度，枝晶間區(qū)域的奧氏體趨于局部變?yōu)轳R氏體。然而，馬氏體的輕元素可溶性臨界值低于奧氏體。于是，在該馬氏體轉(zhuǎn)變期間，所述鋼內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)顯微氣相。在隨后的熱成形時(shí)(例如，鍛造)鋼所經(jīng)歷的變形期間，這些氣相會(huì)整平為薄片形狀。在疲勞載荷情況下，這些薄片起應(yīng)力集中位置的作用，這些應(yīng)力集中位置因裂紋開裂必需能量的減少而造成裂紋過早開裂。進(jìn)而，造成鋼的過早損壞，引起疲勞特性結(jié)果的低值。發(fā)明者經(jīng)過觀察已經(jīng)證實(shí)了這些結(jié)論，正如圖4電子顯微圖片所示。在這張馬氏體不銹鋼裂紋表面圖像上，可以從裂紋F輻射中看到大體球狀區(qū)域P。 該區(qū)P是輕元素構(gòu)成的氣相的覆蓋區(qū)，位于這些裂紋F形成起點(diǎn)，而這些裂紋通過傳播和聚結(jié)而形成了顯微裂紋區(qū)。本發(fā)明人在馬氏體不銹鋼上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電渣重熔前，當(dāng)這種鋼在液態(tài)時(shí)經(jīng)受一定時(shí)間的真空脫氣處理，該時(shí)間足夠獲得所述鋼錠內(nèi)重量小于3ppm的H(氫)含量， 然后，首先，在該鋼電渣重熔之后能形成的氣相中，該H (氫)的含量不足以引起H和0 (氧) 以及N(氮)之間的再結(jié)合。其次，在與鐵素體組織共存的奧氏體組織中，氣態(tài)元素的這種降低后的數(shù)量始終低于會(huì)引起超過這些氣相一甚至在濃縮后的馬氏體上一可溶性數(shù)量。這就使得枝晶間區(qū)內(nèi)Y晶胞的集中和樹枝晶內(nèi)α晶胞的集中保持大體恒定不變。從而，降低了在該鋼內(nèi)形成非期望氣相的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)選地，熔渣在電渣重熔(ESR)坩堝內(nèi)使用前脫氣。實(shí)際上，電渣重熔(ESR)后的鋼錠內(nèi)H的含量都會(huì)高于電渣重熔前所述鋼錠內(nèi)H的含量。而后，在電渣重熔(ESR)方法期間，氫會(huì)從熔渣進(jìn)入到鋼錠內(nèi)。通過提前對(duì)熔渣進(jìn)行脫水，熔渣內(nèi)存留的氫的含量就會(huì)降到最小，于是，在電渣重熔(ESR)方法實(shí)施期間，從熔渣進(jìn)入到鋼錠內(nèi)的氫的含量會(huì)降到最優(yōu)選地，在電渣重熔(ESR)方法之前，液態(tài)金屬鋼錠會(huì)經(jīng)受一定時(shí)間的真空脫氣， 所述時(shí)間足夠獲得電渣重熔步驟后鋼錠內(nèi)的氫含量小于3ppm。人們已知合金的真空脫氣的方法，為此，下面只做簡要描述。所述方法是將依然為液態(tài)的鋼錠置放在一個(gè)容器內(nèi)，該容器至少為低真空的?；蛘?，所述的真空脫氣可在裝入容器內(nèi)的液態(tài)鋼中，浸入與建立了真空的冶勺相連的管路來進(jìn)行。通過冶勺內(nèi)的真空將該鋼吸入該冶勺中，然后，經(jīng)由管路再放回容器內(nèi)。所述冶勺還可以包括進(jìn)入管路和排出管路， 二者都可浸入到液態(tài)鋼內(nèi)，然后，鋼經(jīng)由進(jìn)入管進(jìn)入，經(jīng)由排出管而流出，使鋼流過冶勺。在真空脫氣方法之前，鋼通常經(jīng)過在環(huán)境大氣下的精煉。所述精煉可產(chǎn)生很精確的化學(xué)濃度，盡可能地降低硫和碳的含量至預(yù)期范圍之內(nèi)。采用馬氏體不銹鋼，所使用的最經(jīng)濟(jì)的工業(yè)設(shè)施是氬氧脫碳法(AOD)，該方法是在環(huán)境大氣下進(jìn)行。該AOD方法與上述真空脫氣的組合構(gòu)成了一種方法，與真空容器內(nèi)進(jìn)行雜質(zhì)提取方法相比，諸如VOD(真空氧脫碳法)，該方法優(yōu)點(diǎn)是成本低，實(shí)施速度快。發(fā)明人在采用本發(fā)明方法所制備的Z12CNDV12鋼上進(jìn)行了試驗(yàn)，即，通過鋼錠脫氣，采用電渣重熔(ESR)步驟前的上述參數(shù)；這些試驗(yàn)結(jié)果如下Z12CNDV12鋼的成分如下(DMD0M2-20標(biāo)準(zhǔn)，指數(shù)E)C(0. 10 % 至 0. 17 % )_Si( < 0. 30 % )-Mn(0. 5 % 至 0. 9 % )-Cr(ll % 至 12. 5% )-Ni 0%至3% )-Μο(1· 50% 至 2. 00% ) -V (0. 25% 至 0. 40% )-N2 (0. 010% 至 0. 05 0% )-Cu( < 0. 5% )-S( < 0. 015% )-P( < 0. 025% )并滿足如下標(biāo)準(zhǔn)
4. 5 ≤(Cr-40. C~2. Μη_4· Ni+6. Si+4. Mo+11. V-30. N) < 9圖1在質(zhì)量上給出了本發(fā)明所述方法所產(chǎn)生的改善情況。在實(shí)驗(yàn)上，獲得了斷裂循環(huán)周期數(shù)N，根據(jù)偽交變應(yīng)力C的變化，該周期數(shù)是斷裂承受循環(huán)拉伸載荷的鋼試樣所需要的(根據(jù)這些試驗(yàn)所采用的Snecma標(biāo)準(zhǔn)DMC0401，在強(qiáng)制變形下，作用在試樣上的載荷)O圖2示出了這種周期性載荷。周期T表示一個(gè)循環(huán)。最大值Cmax和最小值Cmin之間會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變化。通過對(duì)統(tǒng)計(jì)上足夠數(shù)量的試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)明者獲得了點(diǎn)N = f (C)，從中，得出了平均統(tǒng)計(jì)C-N曲線(應(yīng)力C隨疲勞周期數(shù)N變化而變化)。而后，計(jì)算出一定數(shù)量循環(huán)周期的載荷標(biāo)準(zhǔn)偏差。在圖1中，第一曲線15(細(xì)線)是(示意的)所獲得的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而生產(chǎn)的鋼的平均曲線。該第一平均C-N曲線在兩個(gè)曲線16和14之間，如細(xì)虛線所示。這些曲線16 和14與第一曲線15分別相距+3 ο工和-3 σ O1是在這些疲勞試驗(yàn)期間獲得的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布標(biāo)準(zhǔn)偏差；士3 ο工在統(tǒng)計(jì)學(xué)上對(duì)應(yīng)于置信區(qū)間的99. 7%。這兩根虛線14和16之間的距離是試驗(yàn)結(jié)果的彌散的一種計(jì)量單位。曲線14是部件尺寸的限定系數(shù)。在圖1中，第二曲線25(粗線)是(示意的)在根據(jù)圖2的載荷條件下按本發(fā)明所生產(chǎn)的鋼上進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)結(jié)果中獲得的平均曲線。該第二平均C-N曲線在兩個(gè)曲線沈和M之間，如粗虛線所示，與第二曲線25分別相距+3 (2和-3 (2，(2是在這些疲勞試驗(yàn)期間獲得的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。曲線M是部件尺寸的限定系數(shù)。應(yīng)該指出的是，第二曲線25位于第一曲線15的上方，這表示在載荷水平C的疲勞載荷情況下，平均來講，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的鋼樣品斷裂的周期數(shù)N高于現(xiàn)有技術(shù)鋼樣品斷裂的周期數(shù)。此外，粗虛線所示的兩個(gè)曲線沈和M之間的距離小于細(xì)虛線所示的兩個(gè)曲線16 和14之間的距離，這表示根據(jù)本發(fā)明所生產(chǎn)的鋼的疲勞特性彌散小于現(xiàn)有技術(shù)鋼。圖1示出了下表1所歸納的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表1給出了根據(jù)圖2的低循環(huán)疲勞載荷的結(jié)果，零最小應(yīng)力Cmin，溫度250°C，N = 20000周期，和N= 50000周期。“低循環(huán)疲勞(Oligocyclic fatigue) ”是指載荷頻率大約為IHz (該頻率定義為每秒的周期數(shù)T)。表 權(quán)利要求
1.一種制造馬氏體不銹鋼的方法，包括所述鋼錠電渣重熔步驟，然后冷卻所述鋼錠的步驟，其特征在于，在電渣重熔步驟之前，所述鋼錠在液態(tài)金屬狀態(tài)下進(jìn)行一定時(shí)間的真空脫氣，所述時(shí)間足夠獲得所述鋼錠內(nèi)的氫含量不到3ppm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于，在所述重熔步驟中使用的熔渣已經(jīng)提前進(jìn)行脫水處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于，所述鋼錠經(jīng)受一定時(shí)間的所述真空脫氣，所述時(shí)間足夠獲得在所述電渣重熔步驟之后所述鋼錠內(nèi)的氫含量小于3ppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3任一項(xiàng)所述的制造馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于，在所述真空脫氣前，所述鋼錠經(jīng)受環(huán)境大氣下的精煉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的制造馬氏體不銹鋼的方法，其特征在于，所述鋼的碳含量小于鋼亞共析的碳含量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造馬氏體不銹鋼的方法，包括將所述鋼錠電渣重熔步驟然后冷卻所述鋼錠的步驟。在電渣重熔步驟前，所述鋼錠進(jìn)行一定時(shí)間的真空脫氣，所述時(shí)間足夠獲得所述鋼錠內(nèi)氫含量小于3ppm。
文檔編號(hào)C22B9/18GK102575309SQ201080046201
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者勞倫特·費(fèi)勒, 帕特里克·飛利浦森 申請(qǐng)人:斯奈克瑪