成本效益的鐵素體不銹鋼的制作方法
【專利摘要】一種成本效益的具有與304L型不銹鋼相當(dāng)?shù)母倪M的耐腐蝕性能的鐵素體不銹鋼。這種不銹鋼基本上不含鎳，用鈦和鈮雙穩(wěn)定化，并包含鉻、銅和鉬。
【專利說明】成本效益的鐵素體不銹鋼
[0001] 本申請是非臨時專利申請，要求了于2012年4月2日提交的名稱為"21 % Cr鐵素 體不銹鋼"的61/619, 048號臨時申請的優(yōu)先權(quán)。61/619,048號申請的公開通過引用合并 于此。 發(fā)明概要
[0002] 需要生產(chǎn)一種耐腐蝕性能與ASTM 304類型不銹鋼相當(dāng)?shù)蔫F素體不銹鋼，這種不 銹鋼基本上不含鎳，通過鈦和鈮雙穩(wěn)定化以防止晶間腐蝕，以及包含鉻、銅和鉬以提供耐點 蝕性，而不犧牲耐應(yīng)力腐蝕裂紋性。這種鋼尤其可用于通用鋼板，其通常見于商業(yè)廚房用 品、建筑構(gòu)件和汽車應(yīng)用，汽車應(yīng)用包括但不限于商用和客運車輛排氣和選擇性催化還原 (SCR)部件。
[0003] 發(fā)明詳述
[0004] 在鐵素體不銹鋼中，控制鈦、鈮、碳和氮的相互關(guān)系及用量以獲得亞平衡的表面質(zhì) 量，基本上為鑄態(tài)等軸晶結(jié)構(gòu)，完全耐晶間腐蝕。并且控制鉻、銅和鉬的相互關(guān)系以優(yōu)化耐 腐蝕性能。
[0005] 亞平衡熔體被定義為鈦和氮的含量非常低以致在合金熔體中不形成氮化鈦的組 合物。這種氮化鈦析出物在熱乳或冷乳過程中會形成缺陷，如表面縱裂缺陷或?qū)恿?。這些 缺陷會降低可成形性，耐蝕性以及外觀。圖1是從在鐵素體不銹鋼的一種實施方案的液相 溫度下熱力學(xué)模擬鈦和氮元素產(chǎn)生的示例相圖得到的。為了基本不含氮化鈦以及被認(rèn)為 是亞平衡，在鐵素體不銹鋼中的鈦和氮的含量應(yīng)落在圖1中顯示的溶解度曲線的左側(cè)或下 偵!I。如圖1中所示，氮化鈦的溶解度曲線可以表示為如下數(shù)學(xué)方程式：
[0006] 方程 1 Ti· = 0· 0044(N-1.027)
[0007] 式中，Tinax是鈦的最大重量百分比濃度，N是氮的重量百分比濃度。除非另有指 明，這里所有的濃度均為重量百分比濃度。
[0008]根據(jù)方程式1，如果在一個實施方式中氮的含量等于或低于0. 020°%，那么所述實 施方式中的鈦的濃度應(yīng)該保持在或低于0· 25%。如果鈦的濃度超過0· 25%，就會導(dǎo)致在熔 融合金中形成氮化鈦析出物。然而，圖1還顯示，如果氮的含量小于〇.〇2%，那么即使鈦的 含量高于0. 25%也是可以接受的。
[0009]鐵素體不銹鋼的實施方式顯示鑄態(tài)和軋態(tài)和退火態(tài)等軸晶結(jié)構(gòu)，在板坯中沒有大 的柱狀晶?；蛟诶滠埌逯袥]有帶狀晶粒。這種精細的晶粒結(jié)構(gòu)能夠提高可成形性和靭性。 為了獲得這種晶粒結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有足夠的鈦、氮和氧的含量以稱為固化板坯的晶種，并提供等 軸晶初始形成的位點。在這樣的實施方式中，最小的鈦和氮的含量示于圖1中，并通過以下 方程式表不：
[0010]方程式 2 :打―=0· 0025/N _1]式中，是鈦的最小重量百分比濃度，以及N是氮的重量百分比濃度。
[0012]利用方程式2,如果在一個實施方式中氮的含量等于或低于〇. 020%，那么最小鈦 濃度是0· I25%。圖1中的拋物線表明如果總的鈦濃度降低，那么在氮濃度高于〇. 〇2%時可 以得到等軸晶結(jié)構(gòu)。預(yù)期鈦和氮的含量在方程式2所代表的曲線的右側(cè)或上方時，可獲得 等軸晶結(jié)構(gòu)。亞平衡狀態(tài)與得到等軸晶結(jié)構(gòu)的鈦和氮含量之間的關(guān)系如圖1所示。其中， 最小鈦含量方程式（方程式2)標(biāo)會在圖1的液相線相圖上。兩個拋物線之間的區(qū)域是這 些實施方式中的鈦和氮的含量范圍。
[0013]鐵素體不鎊鋼的完全穩(wěn)定化熔體必須具有足夠的鈦和鈮，以與鋼中存在的可溶解 碳和氮相結(jié)合。這有助于防止因碳化鉻和氮化鉻的形成而降低耐晶間腐蝕性能。導(dǎo)致完全 穩(wěn)定化所需的最小鈦和碳含量可用下式表示：
[0014]方程式 3 :Ti+Cbmin = 〇· 2% +4(C+N)
[0015]式中，Ti是欽的重量百分?jǐn)?shù)，Cb_是鈮的最小重量百分?jǐn)?shù)，C是碳的重量百分?jǐn)?shù)， N是氮的重量百分?jǐn)?shù)。
[0016]、在上述的實施方式中，當(dāng)最大氮含量為0.02%時，確定了等軸晶結(jié)構(gòu)和亞平衡條 件所必要的鈦含里。如上所述，由式1和2分別得到了最小的鈦含量是〇· 125%，最大的鈦 含量是0· 25%。在該實施方式中，利用最大碳含量〇_ 〇25%和應(yīng)用式3,對于最小和最大的 鈦含量，需要的最小鈮含量分別是0.25%和〇· 13%。在一些這樣的實施方式中，鈮濃度的 目標(biāo)是0· 25%。 _7]錢些實施方式中，在由約21% &和〇· 25% M。構(gòu)成的基體中保持戀濃度在 市場上銷售的3〇4l相當(dāng)（如果不比其更好）的整體耐腐蝕 匕化物（如鹽酸）存在時除外。加銅的合金在硫酸中顯示出改進的 5二曰:的〇·=· 8%時，陽極溶解速率降低，電化學(xué)擊穿電位在中性氯化物 式在L萬式中'取佳的&、 Μ〇和Cu的含量（以重量百分?jǐn)?shù)表示）滿足以
[0018]方程式 4 :20. 5<Cr+3. 3Mo
[0019]方程式 5 :〇. 6<Cu+Mo<1. 4 當(dāng) Cumax<〇. 80 _〇] 賴體不銹_錢方^包含齡咖 所述鐵素體不鎊鋼的實施方式可包含〇_ 4〇重^百分比^^碳。 _2]所述鐵素體不銹鋼的實施方式可包含約〇· 〇百 [0_ 鐵素體不銹鋼的實施方式可包含 側(cè)觸咖含纟⑷ 式可包含約21. 5-式G重量百分比的鉻。-些實施方
[0027]臟鐵素體不鎊鋼的實施方式可包 比或更少的鎳。 陶]所述鐵雜不銹_實施方式可包H.4q2G重或更少的氮。 式可包含約G_ 45-G. 75重量百分比的銅，以方Q重里百分比的銅。-些買施$ [贈]臟鐵雜不__施方式可包含約。.60 %的銅。 式可包含約0_ 30-0. 5重量百分比的鉬，以艱百分比的鉬。-些實施方 _〇]所述鐵素體不銹鋼的實施方式可=萬式可包含約0.側(cè)的鉬。 式可包含約0· 17-0. 25重量百分比的鈦 」也匕實重量百分比的鈦。-些實施方 二頭施萬式可包含約0· 21 %的鈦。 4
[0031]所述鐵素體不銹鋼的實施方式可包含約0. 20-0. 30重量百分比的鈮。一些實施方 式可包含約0.25 %的鈮。
[0032]所述鐵素體不銹鋼的實施方式可包含約〇· 〇1〇重量百分比或更少的鋁。
[0033]所述鐵素體不銹鋼利用本領(lǐng)域已知的用于制造鐵素體不銹鋼的工藝條件，如記載 在美國專利6, 855, 213和5, 868, 875中的工藝條件生產(chǎn)。
[0034]在=些實施方式中，所述鐵素體不銹鋼也可包含煉鋼領(lǐng)域己知的或者是故意添加 或者是殘留元素的其他元素，如煉鋼過程中的雜質(zhì)。
[0035]在烙化爐（如電弧爐）中提供鐵素體不銹鋼的含鐵熔體。這種含鐵的熔體可由固 體含鐵廢料、碳鋼廢料、不銹鋼廢料、含鐵固體材料，包括氧化鐵、碳化鐵、直接還原鐵、熱 壓塊鐵，_在溶化爐中形成，或者所述熔體也可在高爐中或在任何能夠提供含鐵熔體的其他 溶鐵?元內(nèi)形成。然后，含鐵熔體在熔化爐中精煉，或被移至精煉容器中，如氬氧脫碳容器 或真氧脫碳各器，然后是修整站，如鋼包冶金爐或喂絲站。
[0036]在一些實施方式中，含有足夠鈦和氮和限定量的鋁（用于形成小的氧化鈦夾雜物 以提供形成鑄態(tài)等軸晶結(jié)構(gòu)必需的核心）的熔體被鑄造成鋼，使得用這樣的鋼生產(chǎn)的退火 板也有增強的起壟特性。
[0037]_在一些實施方式中，鑄造之前將鈦添加到熔體中以達到脫氧的目的。用鈦來對熔 體脫氧形成小的氧化鈦夾雜物，這些夾雜物提供鑄態(tài)等軸晶結(jié)構(gòu)必需的核心。為了使生成 的氧化招夾雜物，如三氧化二鋁αι20 3的量最少，可不將鋁作為脫氧劑加入到這種精煉的熔 體中。在一些實施方式中，鈦和氮可存在于鑄造之前的熔體中，以便產(chǎn)品中鈦和氮除以殘留 鋁的比至少為0. 14。
[0038]如果鋼需要穩(wěn)定化，則可添加超過脫氧所需量的鈦，用于與熔體中的碳和氮結(jié)合， 但最好小于與氮飽和（即亞平衡的量）所需量，由此可以避免或至少最小化在固化之前大 的氮化鈦夾雜物的析出。
[0039]將鑄鋼熱加工為鋼板。對于本公開，術(shù)語"板"指的是包括連續(xù)帶或從連續(xù)帶切 割的一段，以及術(shù)語"熱加工"是指鑄鋼會被再加熱，此后如果必要的話，如通過熱乳將鑄 鋼減薄到預(yù)定的厚度。如果進行熱軋，板坯被再加熱至2000到2350。F(1093-1288°c )， 熱軋終了 溫度是 1500-1800。F (816-982 °C )，并在 1000-1400。F (538-760 Γ )的 溫度卷取。熱軋鋼板也被稱為"熱帶"。在一些實施方式中，熱帶可在金屬峰值溫度 1700-2100° F(926-1149°C)被退火。在一些實施方式中，熱帶可被除鱗并冷軋減薄至少 40%達到需要的最終板厚。在其他實施方式中，熱帶可被除鱗并冷乳減薄至少 50%達到需 要的最終板厚。其后，冷軋板在金屬峰值溫度1700-2100。F(927-1149°C)被退火。
[0040] 鐵素體不銹鋼可以由通過很多方法制造的熱加工鋼板生產(chǎn)。該鋼板可以由錠坯或 連鑄坯形成的厚度為50-200mm的板坯經(jīng)再加熱至2000-2350。F (1093-12881：)，然后進行 熱軋，以得到厚度為l-7mm的初始熱加工板來生產(chǎn)，或者該鋼板由連鑄帶鋼熱加工為厚度 2-26mm。本工藝適用于通過其中將連鑄坯或錠坯直接提供到有或沒有顯著再加熱的熱軋機 中的方法生產(chǎn)的板，或者適用于熱減薄為具有足以在有或沒有進一步再加熱下被熱軋成鋼 板的板坯的錠坯。
[0041] 實施例1
[0042] 為制備導(dǎo)致其整體耐腐蝕性與304L奧氏體不銹鋼相當(dāng)?shù)蔫F素體不銹鋼組合物， 進行了一系列實驗室爐次（heats)的熔化，并分析了耐局部腐蝕性。
[0043] 利用大氣熔化能力在實驗室熔化了第一組爐次。該系列大氣熔化的目的是更好地 了解鉻、鉬和銅在鐵素體基體里的作用和與304L鋼的腐蝕行為進行比較，了解組成的變化 如何影響腐蝕性能。這個研究中，在所研究的大氣熔化中使用的實施方式的組成如下表1 所示。
[0044] 表 1
[0045]
【權(quán)利要求】
1. 一種鐵素體不銹鋼，包含： 約為0. 020重量百分?jǐn)?shù)或更少的碳； 約為20. 0-23. 0重量百分?jǐn)?shù)的鉻； 約為0. 020重量百分?jǐn)?shù)或更少的氮； 約為0. 40-0. 80重量百分?jǐn)?shù)的銅； 約為0. 20-0. 60重量百分?jǐn)?shù)的鑰； 約為0. 10-0. 25重量百分?jǐn)?shù)的鈦； 和約為0. 20-0. 30重量百分?jǐn)?shù)的鈮。
2. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鉻含量約為21. 5-22重量百分?jǐn)?shù)。
3. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中銅含量約為0. 45-0. 75重量百分?jǐn)?shù)。
4. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鑰含量約為0. 30-0. 50重量百分?jǐn)?shù)。
5. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鈦含量約為0. 17-0. 25重量百分?jǐn)?shù)。
6. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鉻含量約為21. 75重量百分?jǐn)?shù)。
7. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中銅含量約為0. 60重量百分?jǐn)?shù)。
8. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鑰含量約為0. 40重量百分?jǐn)?shù)。
9. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鈦含量約為0. 21重量百分?jǐn)?shù)。
10. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，其中鈮含量約為〇. 25重量百分?jǐn)?shù)。
11. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含約為〇. 40重量百分?jǐn)?shù)或更少的錳。
12. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含約為0. 030重量百分?jǐn)?shù)或更少的磷。
13. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含約為0. 30-0. 50重量百分?jǐn)?shù)的硅。
14. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含約為0. 40重量百分?jǐn)?shù)或更少的鎳。
15. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含約為0. 30-0. 50重量百分?jǐn)?shù)的錳。
16. 權(quán)利要求1所述的鐵素體不銹鋼，進一步包含鋁約為0. 10重量百分?jǐn)?shù)或更少的鋁。
17. 制備鐵素體不銹鋼的方法，包括以下步驟： 提供鐵素體不銹鋼熔體，其包含：鉻、銅、鑰、鈦、鈮和碳； 確定鉻、銅和鑰的含量以滿足方程式1和2 : 方程式 1:20. 5 < Cr+3. 3Mo 式中，Cr是鉻的重量百分?jǐn)?shù)濃度，Mo是鑰的重量百分?jǐn)?shù)濃度； 方程式 2:0. 6 彡 Cu+Mo 彡 1. 4,當(dāng) CuMX〈0· 80 時 式中，Cu是銅的重量百分?jǐn)?shù)濃度，Mo是鑰的重量百分?jǐn)?shù)濃度，而Cumax是銅的最大重量 百分?jǐn)?shù)濃度； 利用方程式3、4和5確定鈦、鈮和碳的濃度； 方程式 3 :Timax = 0.0044 (N-1.027) 式中，Timax是鈦的最大重量百分?jǐn)?shù)濃度，N是氮的重量百分?jǐn)?shù)濃度； 方程式 4 = (λ 0025/N 式中，Timin是鈦的最小重量百分?jǐn)?shù)濃度，N是氮的重量百分?jǐn)?shù)濃度； 方程式 5 Ji+Cb. = 0· 2% +4(C+N) 式中，Ti是鈦的重量百分?jǐn)?shù)濃度，Cbmin是鈮的最小重量百分?jǐn)?shù)濃度，C是碳的重量百分 數(shù)濃度，N是氮的重量百分?jǐn)?shù)濃度。
【文檔編號】C22C38/40GK104245990SQ201380018563
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月2日
【發(fā)明者】J·A·道斯特, S·K·科瑞克拉夫特 申請人:Ak鋼鐵產(chǎn)權(quán)公司