TWI490345B - 不銹鋼製品，其用途及製造方法 - Google Patents

Description

不銹鋼製品，其用途及製造方法

本發明係關於一種由不銹鋼製造的鑄造件，其具有雙相鐵氧體-奧氏體(肥粒鐵-沃斯田鐵)微結構且具有高結構安定性及改良的性質組合，特別為機械加工性及可熔接性之組合。本發明進一步係關於一種該製品之用途及關於一種製造該鑄造件之方法。

鐵氧體-奧氏體或雙相不銹鋼鑄造件大致上定義為具有幾乎等比例之鐵氧體與奧氏體之混合物之合金，相較於主要含有至少10-15%鐵氧體之奧氏體鑄造件。對於根據ASTM A890標準之雙相鑄造件，並未規定鐵氧體含量，但所列舉的合金將發展出約30%至60%鐵氧體之範圍，其餘為奧氏體。具有雙相結構，可設計出令人感興趣的性質側寫。第一種雙相不銹鋼的開發幾乎出現於80年前，最可能係由奧氏體鑄造件所萌生，奧氏體鑄造件之微結構中含某種量之鐵氧體證實為較佳。實際上，雙相組成物通常顯示比奧氏體組合物更優異的鑄造性質。雙相材料之其它優異性質為高機械強度，優異疲勞強度，良好耐磨性及良好防蝕性。如此發現鑄造及鍛造製品皆具有多種吸引人之用途。若干雙相合金組成物已經被描述為多種最佳情況。於多種情況下，鑄造件也被含括為雙相組成物專利案中之主題。近年來，隨著原物料成 本的大增特別關注減低合金中之鎳及鉬含量而又仍然維持適當性質。

對30%至70%鐵氧體及奧氏體範圍之相平衡可達成雙相不銹鋼之有利性質。主要合金化元素特別為鉻、氮、鎳、及鉬之交互作用相當複雜。為了達成可良好回應於加工及製造之穩定雙相結構，須小心矯正各元素之含量。除了相平衡之外，雙相不銹鋼之第二項重大問題為於升高溫度時形成有害的中間相。σ相及χ相形成於高鉻、高鉬不銹鋼，而於鐵氧體中優先沈澱。添加氮以有利方式改變相平衡來避免此等相的形成。

美國專利案4,500,351係有關一種鑄造雙相不銹鋼，其中於鑄造件中之微結構包含一種鐵氧體基體，於1200℃溶液處理且使用水冷激快速冷卻來避免σ相的形成後含有至少約30%奧氏體。以重量百分比計，鑄造件含有0.02%碳，24%鉻，約9.5%鎳，約6%鉬，約0.5%錳，約0.2%矽及約0.25%氮。該美國專利案4,500,351之鑄造件可用於幫浦部件諸如輪葉及機殼以及用於閥門部件諸如閥座及閘閥。

於鑄造狀態(as-cast condition)下具有良好性質組合且可抗拒熱轉換成馬氏體(麻田散鐵)之一種雙相不銹鋼係敘述於美國專利4,828,630。該不銹鋼以重量百分比計含有至多0.07%碳，17%至21.5%鉻，1%至4%鎳，4%至8%錳，0.05%至0.15%氮，小於2%矽，小於2%鉬及小於1.5%銅。該專 利案之不銹鋼含有30%至60%鐵氧體，特別適合用於汽車底部組件之薄壁鑄造件。不銹鋼具有鑄造狀態性質，包括10%最小伸長率，0.2%降伏強度大於50ksi(350牛頓/平方毫米)，於0℃至少20呎-磅(30牛頓米)之韌度及無氮孔隙度。

美國專利6,033,497係有關一種具有改良的機械加工性之耐點蝕雙相不銹鋼，除了鐵之外，以重量百分比計，含有低於0.1%碳，25-27%鉻，5-7.5%鎳，小於0.5%鉬，小於0.15%氮，小於1.5%矽，小於2.0%錳，1.5-3.5%銅。該美國專利案之先前技術中陳述奧氏體不銹鋼之機械加工性可藉添加可降低腐蝕效能之合金化元素諸如硫及硒。進一步，據稱添加銅而不含鉬，允許雙相不銹鋼合金於密閉加熱處理烤爐內極為緩慢地以控制方式冷卻，因而減少有害之抗拉殘餘應力，同時保有優異的延展性及防蝕性。

根據美國專利6,033,497，未使用獨立且緩慢的加熱處理步驟，於鑄造後鋼等級係藉加速模具內加熱處理進行處理。該專利案之鋼等級特別係用於中空柱狀離心鑄造件，例如係用於造紙機抽吸輥殼用途。模具內加熱處理包含將鑄造冷卻速率控制於約260℃至約1090℃之溫度範圍，且將模具內之合金溫度維持於模具外側溫度之約450℃範圍內。當藉加速加熱處理於鑄造後於模具內處理時，比較於緊閉加熱處理烤爐內緩慢控制式冷卻之相同合金組成物，前者鋼等級具有改良的機械加工性。未經模具內處理之合金具有24MPa之標 稱內徑抗拉殘餘應力，而於鑄造後於模具內處理之合金之該數值為52MPa。

EP專利案1,327,008說明一種具有主要含有35-65vol%鐵氧體及35-65vol%奧氏體之微結構之鐵氧體-奧氏體不銹鋼。此種鋼等級組成物含有以重量百分比計，0.02-0.07%碳，19-23%鉻，1.1-1.7%鎳，0.15-0.30%氮，3-8%錳，選擇性地低於1%鉬及/或銅，作為主要合金化組分。該EP專利案之鋼係由奧托昆布(Outokumpu)以註冊商標LDX 2101®製造，鍛造製品已經獲得商業上極高興趣。

大致上雙相不銹鋼鑄造件顯示良好鑄造性質。但由於通常由具有雙相不銹鋼合金組成的鋼熔融物中固化之鐵氧體相中之氮溶解度有限，因此固化期間有形成氮氣孔隙的風險。通常可謂大部分不銹鋼鑄造件接受多種機械加工操作來嵌合入該鑄造件將用於其中的系統。就此方面而言，雙相不銹鋼被視為比較例如奧氏體不銹鋼更難以機械加工。前述類別之鋼的強度較高可說明此種表現。添加碳及氮二者提高強度及鋼之應變硬化程度，因此碳及氮二者須維持低含量來達成良好機械加工性。但近代雙相不銹鋼經合金化，具有高氮含量來用於獲得良好熔接性及犧牲機械加工性獲得最佳熔接性。

鑄造或鍛造雙相不銹鋼之一項應用係用於造紙機抽吸輥之鋼外殼。此項應用之一重要材料性質也是機械加工性，原 因在於鑄造或鍛造鋼外殼接受實質上機械加工而製造最終抽吸輥。就美國專利案6,033,497所述，改良機械加工性之一種方式係添加硫或硒，但該等元素降低腐蝕效能。

WO公告案2006/041344說明用於造紙機抽吸輥之鋼殼體，其中使用EP專利案1,327,008之鍛造鋼等級LDX 2101®而未添加任何硫。進一步地，並未進行任何改良機械加工性之處理，且比較美國專利案6,033,497，視需要地添加銅及鉬顯著較少。

Schramm等人於不銹鋼世界2007年會議，Maastricht，2007年11月6-8日「用於幫浦應用之貧乏雙相不銹鋼」之演示中公開對特殊幫浦應用之貧乏雙相材料的研究結果。一種合金「鑄造2101」係由具有如下組成之鑄造桿製成，以重量百分比計，該組成為0.028%碳，0.97%矽，5.04%錳，0.011%磷，0.004%硫，20.73%鉻，0.31%鉬，1.73%鎳，0.20%氮及0.30%銅。此種合金「鑄造2101」於1050℃溫度溶液退火及水淬熄後之結果，Schramm等人述及例如0.2%保證強度為473MPa及A5伸長率為37.3%。至於防蝕性，Schramm等人陳述合金「鑄造2101」具有點蝕傾向低於合金2304，以重量百分比計，合金2304具有組成為0.024%碳、0.64%矽、1.32%錳、0.015%磷、0.001%硫、22.50%鉻、0.28%鉬、4.92%鎳、0.09%氮及0.26%銅。但Schramm等人並未述及該合金「鑄造2101」用以期望應用之資訊。

本發明之目的係為了去除先前技術之缺點與達成雙相不銹鋼之鑄造，於製造方法中，鑄造件對有害沈澱之形成諸如金屬間相之形成足夠安定，具有高強度及良好防蝕性、良好鑄造性及良好機械加工性的組合。本發明之主要特徵係列舉於隨附之申請專利範圍。

本發明係關於一種不銹鋼製品，較佳係關於具有高機械加工性之雙相不銹鋼鑄造件，以重量百分比計，包含至多0.07%碳，至多2%矽，大於3%至8%錳，大於19%至23%鉻，大於0.5%至1.7%鎳及大於0.15%至0.30%氮。用於具有前述範圍之雙相不銹鋼鑄造件之製造的合金含有小量其它元素或雜質及視需要可使用的元素，諸如至多1%銅，根據公式(Mo+1/2W)低於1%之至多總量1%鉬及/或鎢，其餘為鐵及附帶的雜質。本發明之雙相不銹鋼鑄造件之微結構含有30-70vol%鐵氧體及30-70vol%奧氏體。本發明亦係關於一種用於製造鑄造件之鑄造方法及該鑄造件之用途。

於大型不銹鋼鑄造件之製造中，要緊地須具有對抗有害沈澱物諸如金屬間相之形成的足夠安定性，原因在於此等金屬間相對鑄造件之性質具有不良影響。因此之故，期望本發明之鑄造件具有精簡(lean)平衡的雙相組成。較佳本發明之雙相不銹鋼微結構含有50vol%鐵氧體及50vol%奧氏體。

鋼鑄造件之另一項重要性質為容易進行修復熔接。除了具 有良好鑄造性之外，本發明之鑄造件通常對於熔接期間之熱裂開相當具有抗性。若需修復熔接，大半情況下需要進行熔接後加熱處理，原因在於由於小型熔接池被大型鑄造區段所包圍，熔接金屬及熱影響區段容易暴露於快速冷卻。如此可能導致具有高鐵氧體含量之微結構，該種微結構對裂開及性質的減低敏感，此乃為何需要後續加熱處理的緣故。因此理由故，期望本發明之雙相不銹鋼組成物於快速加熱週期諸如熔接期間具有高奧氏體重組。為了獲得此種特性，本發明之雙相不銹鋼鑄造件建議具有高氮含量。

本發明之雙相不銹鋼鑄造件較佳含有以重量計，較佳至多0.05%碳及更佳至多0.03%碳，較佳至多1%矽，較佳大於4%至6%錳，較佳大於21%至22%鉻，較佳大於1.1%至1.7%鎳及更佳大於1.35%至1.7%鎳及較佳大於0.20%至0.26%氮，及視需要使用之元素為至多1%銅，根據公式(Mo+1/2W)低於1%之至多總量1%鉬及/或鎢，其餘為鐵及附帶的雜質。

本發明之雙相不銹鋼鑄造件係就機械加工性及熔接性做測試，特別是就熔接修復做測試。

為了測試機械之加工性，製造具有如下化學組成之鑄造件，表1以重量百分比計顯示其化學組成：

具有140毫米正方截面之鑄造鋼坯於鑄造狀態下接受不同測試而未經任何先前加熱處理。鑄造件之性質顯示於下表2：

強度位準係遠高於奧氏體鑄造件之強度，後者典型具有約200MPa之降伏強度及約500MPa之終抗拉強度。機械加工性之測試係使用圓柱體試驗件之鏇削進行，結果顯示於圖1。該圖示例說明用於鏇削15分鐘之工具壽命的容許切削速度。工具嵌入物屬於燒結碳化物類別。根據本發明之鑄造件之機械加工性係優於304L型奧氏體鋼之機械加工性。此點係與期望結果矛盾，奧氏體鋼被視為具有較佳機械加工性。

使用根據本發明之鑄造件進行進一步測試，本發明之鑄造件係以如下化學組成製造，以重量百分比顯示於表3：

由厚140毫米之鑄造件剖面，取出厚30毫米之正方試樣，試樣使用經屏蔽之金屬電弧熔接接受模擬修復熔接。基本金 屬係在鑄造狀態下。於試樣中製作溝槽，隨後使用適合用於本合金之填補材料熔接。電弧能為0.7至0.8千焦耳/毫米。所得熔接處不含裂縫且顯示正常微結構，於熱影響區亦如此。示例說明於圖2。

根據本發明之鑄造件可藉不同鑄造法鑄造諸如離心鑄造、冷激鑄造、壓模鑄造、包模鑄造、壓力鑄造、永久鑄模鑄造、砂模鑄造及真空鑄造。鑄造性良好，顯示儘管氮含量高並無裂開或形成孔隙的傾向。原因在於鋼之錳含量高，高達3-8%且較佳使用4-6%範圍之錳。鑄造物件較佳係於1020℃至1100℃溫度溶液退火，接著為快速冷卻。但較薄的剖面可於鑄造狀態下使用。雖然微結構並非性質，且難以正確測量，但本發明含有粗略等量奧氏體及鐵氧體，容許的相範圍為30%至70%。此外，微結構對金屬間相的沈澱極為具有抗性，其又獲得對脆變的低敏感度。本發明之鑄造件於鑄造狀態以及於溶液退火條件下顯示優異的機械加工性。

本發明之雙相鑄造件由於具有高機械加工性、高強度及良好熔接性而提供合乎所需且成本低廉的奧氏體鑄造材料替代品。本發明之鑄造件可特別有利地用於多種解決方案及幫浦、閥門、輪葉之部件，或用於其它如同在鑄造狀態或於若干進一步處理諸如溶液退火及冷激條件下需要鑄造件具有高度機械加工性、高強度及良好熔接性之組合的解決方案。

圖1顯示比較本發明之鑄造件與先前技術奧氏體不銹鋼之機械加工性之測試結果，圖2顯示於本發明之鑄造件之模擬熔接修復之微結構。

Claims (16)

1. 一種不銹鋼製品，特別為於鑄造狀態下具有高機械加工性之雙相不銹鋼鑄造件，該鑄造件之微結構含有30-70vol%鐵氧體及30-70vol%奧氏體，該鑄造件以重量百分比計包含：至多0.07%碳，至多2%矽，4-6%錳，19-23%鉻，0.5-1.7%鎳，符合公式(Mo+1/2W)低於1%之至多1%鉬及/或鎢，至多1%銅及0.20-0.26%氮，其餘為鐵及附帶的雜質。
2. 如申請專利範圍第1項之不銹鋼製品，其中，該製品含有至多0.05%碳。
3. 如申請專利範圍第2項之不銹鋼製品，其中，該製品含有至多0.03%碳。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之不銹鋼製品，其中，該製品含有21-22%鉻。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之不銹鋼製品，其中，該製品含有1.1-1.7%鎳。
6. 一種申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之用途，其係用於幫浦。
7. 一種申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之用途，其係用於閥門。
8. 一種申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之用途，其係用於輪葉。
9. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹 鋼製品之方法，其中，該製品係藉離心鑄造而製造。
10. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉冷激鑄造而製造。
11. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉壓模鑄造而製造。
12. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉包模鑄造而製造。
13. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉壓力鑄造而製造。
14. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉永久鑄模鑄造而製造。
15. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉砂模鑄造而製造。
16. 一種用於製造申請專利範圍第1至5項中任一項之不銹鋼製品之方法，其中，該製品係藉真空鑄造而製造。