專利名稱：具有改良切削性的抗點蝕雙相不銹鋼合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有改良切削性的抗點蝕雙相不銹鋼合金。
背景技術：
本發(fā)明涉及一種雙相不銹鋼，該鋼澆鑄后不進行單獨的熱處理工序，而是在鑄模中進行模內加速熱處理，這種雙相不銹鋼具有改良的切削加工性并保持優(yōu)良的抗點蝕性能。
Rainger等人(美國專利No 4612069和4740254)描述了一種具有改良抗點蝕能力的雙相不銹鋼合金。這些專利中描述為“X-6”的合金在本文中稱作“86號合金”?！?6號合金”是通過在一種合金(75號合金)中加入2wt％的銅，但未同時添加鉬元素而得到的。不加鉬而加銅使得雙相不銹鋼合金可在密閉熱處理爐中非常緩慢地控制冷卻，從而將有害的拉伸殘余應力降至最低，同時保持良好的延展性和抗腐蝕能力。
一種相當商業(yè)化生產的含鉬合金是瑞典Avesta Prefab.A.V.的3RE60SRG。本申請所討論的雙相不銹鋼的典型成分以重量百分比列于下表1表1

86號合金可用于化學工業(yè)、制漿業(yè)和造紙業(yè)。86號合金可用于(但并不局限于)制造容器、蒸餾罐、管道系統(tǒng)之類的產品；也可用于造紙機械軋輥輥套(roll shell)例如涂飾輥、溝槽輥和盲孔輥，也可應用于造紙機械吸輥輥套(suction roll shell)例如中心輥、伏輥、蘸料輥(pickup roll)、壓輥和擠干輥。這些制品在它們的制造過程中需要數(shù)百小時的機加工和鉆孔時間，本發(fā)明的X-11合金也具有與上相同的用途，但具有更短的制造周期和改良的機械加工性及可鉆性。
競爭的壓力促使冶金方面開發(fā)這樣一種雙相不銹鋼合金既具有它們最終使用時所必須的抗蝕性，又能在更短的時間內制造出來。X-11合金通過其化學成分和鑄模內加速熱處理可得到所需性能的綜合。采用模內加速熱處理可免除常規(guī)合金所需的單獨熱處理工序，從而縮短制造時間；可提供更平直、圓度更好的離心鑄件，進而對機床設備的要求降低；提供易于機加工和鉆孔的合金，因而制造產品所需的機加工和鉆孔時間降低；刀具磨損降低，因而制造設備不需停下來以更換鈍刀。
為成功地用于制漿和造紙業(yè)的吸輥輥套，雙相不銹鋼合金所需的特性是通過特定化學組成得到的，通過該化學組成可獲得鐵素體基體上分布著奧氏體的雙相顯微組織，在侵蝕性造紙機白水(white water)中具有耐蝕性、對疲勞裂紋的擴展具有抵抗能力和低的殘余應力。X-11合金除具有其獨特的加工特性外，也能滿足以上這些使用要求。
有意加入鉬后的雙相不銹鋼不能采用模內熱處理方法，因為模內熱處理方法的冷速不夠快，無法避免脆性相及降低耐蝕性相的形成。所以需要附加的熱處理工序以溶解這些不合需要的相，并隨后快冷以防止這些相的再次形成。為抗點蝕而加銅的86號合金和X-11合金的化學成分可以允許慢得多的冷速而不形成那些脆性相。
雙相不銹鋼的機械加工性被認為受它們高的退火強度所局限(金屬手冊，第9版，pp.689～690)。Carlborg，C.、Nilsson，A.和Franklind，P-A，在“雙相不銹鋼的機械加工性”(1991年10月在法國BeauneBourgogne召開的會議論文集，Vol.1，pp.683～696)一文中討論了一系列冶金變量如高溫強度、夾雜物、組織及合金元素對雙相不銹鋼機械加工性的影響，但并沒有認識到模內加速熱處理可以提高其機械加工性。Charles，J.，Dupoiron，F(xiàn).，Souglignac，P.，和Gagnepain，Jr.，在“UR 35N Cu一種具有改良機械加工性的新型富銅不含鉬的雙相不銹鋼”(1991年10月在法國Beaune Bourgogne召開的會議論文集，Vol.2，pp.1274～1281)一文中報道了在水淬雙相不銹鋼中加銅可以提高其機械加工性。然而，具有與86號合金相同銅含量的X-11合金可以通過模內加速熱處理得到改良的機械加工性，這是Charles等人沒有意識到的。
先前的煉鋼技術認為提高奧氏體不銹鋼的機械加工性可通過加入會降低抗蝕性的諸如硫和硒之類的合金元素來得到(金屬手冊，第9版，p.686)，或者，需要采用特殊的煉鋼手段以控制鋼中氧化物夾雜的成分(金屬手冊，第9版，p.688；Johansson，R.，Davison，R.，的“具有優(yōu)良性能的可鍛雙相不銹鋼吸輥”，1996年TAPPI工程會議論文集，pp.103～109；Carsson，T.，“Prodec-如何解決加工問題”，pp.9～12)。而為使X-11合金具有高的機械加工性和可鉆性，以上兩種方法都不需要。
發(fā)明簡述提供一種高抗點蝕能力的雙相不銹鋼合金，該合金含有下列重量百分比的成分C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分基本為鐵和不可避免的雜質，以上元素構成了具有高點蝕抗力的雙相不銹鋼材料。這種合金當澆鑄后在鑄模中進行加速熱處理時，與在獨立工序的密閉熱處理爐中經非常緩慢控制冷卻后的同種成分的合金相比，具有顯著改善的機械加工性。
優(yōu)選方案描述本文中所述的模內加速熱處理用于中空的柱狀離心鑄件，但也可應用于顯微組織和殘余應力的控制處于重要地位的其它鑄造雙相不銹鋼產品。熔融金屬倒入鑄模中凝固，最終冷至室溫?，F(xiàn)有技術雙相不銹鋼工藝要求將鑄件從鑄模中取出，在另一個生產設備(即爐子)中以獨立的工序進行熱處理以得到最佳的耐蝕性。本發(fā)明X-11合金的獨特之處在于它采用在鑄模內通過一個加速過程進行熱處理，因而可以取消一個重要的熱處理工序。本發(fā)明的合金可不需要單獨的爐中控制冷卻工序而得以生產。
在冷卻過程中鑄造雙相不銹鋼產品內部的溫度與其外部的溫度基本保持相同，對內部和外部的溫度同時進行控制，以使它們以相同的速率緩慢冷卻。
對于模內加速冷卻，鑄件冷卻的速率控制在金屬形成有效強度的溫度范圍之內，即約260℃～1090℃(500°F～2000°F)。在這個溫度范圍之內，通過測量內部和外部溫度，鑄件內徑處的溫度與鑄件外徑處的溫度之差保持在250℃(450°F)之內。內部和外部溫度的冷卻速率可由以下方法進行控制對內徑處進行加熱或在鑄模各端使用絕熱手段，以降低鑄件的冷速；或使用如可控數(shù)量的強制風冷、水霧冷卻、噴水冷卻或其它冷卻介質之類的冷卻方法或其它冷卻技術以加快冷卻速率。
完成模內加速熱處理所需的時間小于約20小時，此時間決定于鑄件的重量。這個熱處理時間同86號合金所需的加熱時間相比，要短得多，后者所需的時間，約72～144小時還要加上等待熱處理爐空閑可能耽誤的時間。X-11合金的模內加速熱處理在整體時間的節(jié)省上、減少材料傳遞和避免生產過程中的阻塞問題等方面上表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。
采用模內加速熱處理后，X-11合金機械加工性和可鉆性的改善可由鉆孔試驗得以證實，這個試驗可靈敏地同時反映出機械加工性和可鉆性。該試驗中，用M42級麻花鉆頭在試驗塊上鉆直徑為約4mm(0.156英寸)的孔。鉆孔總深度為38mm(1.5英寸)，分步進行。第一步6mm(0.25英寸)深，余下的各步驟3mm(0.125英寸)。所用轉速750轉/分鐘，進給量51mm(2.03英寸)/分鐘，鉆頭用鉆削用油潤滑，鉆孔試驗的結果是鉆頭在斷裂、過量磨損或產生過大的噪音和震動前所鉆孔的數(shù)量。結果如下表II所示，數(shù)值越高越合乎要求。
表II

X-11試樣所用鉆頭的鉆孔壽命是86號合金所用鉆頭壽命的大致三倍，這是刀具壽命上顯著的和意想不到的提高，這要歸因于X-11合金所采用的模內加速熱處理技術。
材料性能采用電化學方法測量耐蝕性，試樣在模擬造紙廠內白水的強腐蝕溶液中進行，條件如下35mg/l硫代硫酸根離子，400mg/l氯離子，800mg/l硫酸根離子，PH值4.1，溫度54℃。采用一個叫做“安全系數(shù)(margin ofsafety)”的數(shù)值來衡量耐蝕性，此數(shù)值越高越合乎需求。安全系數(shù)列于下表III中。
表III

超過450件生產的制品在使用中未發(fā)現(xiàn)86號合金被腐蝕。X-11合金920mV的安全系數(shù)接近86號合金的所經歷的最高數(shù)值，X-11號合金在強腐蝕白水中具有與86號合金優(yōu)良耐蝕性相當?shù)哪臀g性。對于像X-11合金這樣經過模內加速熱處理的合金，這是出乎意料的和獨特的發(fā)現(xiàn)。
耐疲勞裂紋擴展能力采用循環(huán)加載緊湊拉伸試樣進行確定。試樣在模擬造紙廠內白水的強腐蝕溶液中進行，條件如下50mg/l硫代硫酸根離子，200mg/l氯離子，500mg/l硫酸根離子，PH值3.5，溫度50℃，加載頻率25Hz。測出一個叫做應力強度門檻值(ΔKth)的特性參數(shù)，經過簡化的力學分析可以算出臨界裂紋尺寸，此數(shù)值越高越合乎需求。
表IV

疲勞裂紋擴展試驗是最能反映材料在使用中抵抗腐蝕斷裂能力的試驗室試驗(Yeske，R.，“吸輥用合金的腐蝕疲勞試驗”，TPPI期刊，1988年3月；Yeske，R.，Revall，M.，Thompson，C.，“雙相不銹鋼在吸輥應用中的腐蝕斷裂”，TAPPI期刊，1994年8月；美國金屬學會國際部(ASMInternational)，金屬手冊，第9版，16卷，pp.686～690)。X-11合金的疲勞裂紋擴展抗力介于75號合金和86號合金之間，后兩者都在一系列白水腐蝕介質中具有優(yōu)良的使用性能，X-11合金也可提供優(yōu)良的使用性能。
殘余引力是在已加工圓筒的內直徑(I.D.)處測量的。經過緩慢爐中冷卻熱處理工序的86號合金的名義I.D.拉伸殘余應力為24Mpa(3500psi)，經過模內加速熱處理的X-11合金的名義I.D.拉伸殘余應力為52MPa(7600psi)，而低于83MPa(12000psi)的值均可以接受。
本發(fā)明提供唯一同時具有優(yōu)良使用性能和生產特性，特別是更好的機械加工性和鉆孔性的雙相不銹鋼，其優(yōu)良的生產特性得自于模內加速熱處理。
權利要求
1.一種具有高點蝕抗力的鐵素體-奧氏體雙相鑄造不銹鋼合金，對該合金進行模內加速熱處理，從而控制有害的拉伸殘余應力，同時保持良好的機械加工性、延展性和抗腐蝕能力，該合金基本上由下列重量百分比的成分組成C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分為鐵和不可避免的雜質。
2.權利要求1的合金，其中所述的模內加速熱處理包括控制在約260℃～約1090℃溫度之間的鑄件冷卻速率，并保持模內合金的溫度與模外的溫度之差不超過約450℃。
3.權利要求1的合金，其中的Cr含量為約26％，Ni為約6.8％，Cu為約2.0％。
4.一種形成具有高點蝕抗力的鐵素體-奧氏體雙相鑄造不銹鋼合金的方法，它包括在鑄模內對該合金進行加速熱處理，從而控制有害的拉伸殘余應力，同時保持良好的機械加工性、延展性和抗腐蝕能力，該合金基本上由下列重量百分比的成分組成C0.10％和更低；Si1.5％和更低；Mn2.0％和更低；Cr25.0％～27.0％；Ni5.0％～7.5％；Cu1.5％～3.5％；N0.15％和更低；Mo0.5％和更低；剩余部分為鐵和不可避免的雜質。
5.權利要求4的合金，其中所述的模內加速熱處理包括控制在約260℃(500°F)～約1090℃(2000°F)溫度之間的鑄件冷卻速率，并保持鑄件內徑處的溫度與鑄件外徑處的溫度之差不超過約250℃(450°F)。
6.權利要求5的方法，其中鑄件內部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率通過對鑄件內部加熱進行控制。
7.權利要求5的方法，其中鑄件內部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率通過在鑄件各端使用絕熱手段進行控制。
8.權利要求5的方法，其中鑄件內部溫度和鑄件外部溫度的冷卻速率可通過加快鑄件的冷速進行控制。
9.權利要求4的方法，其中對所述合金進行加速熱處理的時間為約20小時或更少。
全文摘要
提供一種抗點蝕能力很高的雙相不銹鋼合金,該合金含有下列重量百分比的成分:C:0.10%和更低;Si:1.5%和更低;Mn:2.0%和更低;Cr:25.0%～27.0%;Ni5.0%～7.5%;Cu:1.5%～3.5%;N:0.15%和更低;Mo:0.5%和更低;剩余部分基本為鐵和不可避免的雜質。這種合金當澆鑄后在鑄模中進行加速熱處理時,與在密閉熱處理爐中經非常緩慢控制冷卻后的相同合金組成相比,具有顯著改善的切削加工性。
文檔編號C21D1/84GK1269840SQ98808795
公開日2000年10月11日 申請日期1998年9月3日 優(yōu)先權日1997年9月5日
發(fā)明者E·R·瑞安, J·C·羅杰斯 申請人:桑杜斯克國際公司