CN102365382A - 耐腐蚀奥氏体钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐腐蚀奥氏体钢，分别基于100质量％，含有20～32％的锰、10～15％的铬、总计为0.5～1.3％的碳和氮，余量的铁以及熔炼引起的杂质，其中碳与氮的比例为0.5～1.5。所述的钢可以在常压下生产和加工，并且具有TWIP特性，尤其适合用于生产建筑物中，例如汽车工业领域中的结构件。
Description
本发明涉及一种耐腐蚀奥氏体钢及其生产方法以及这种钢的用途。
奥氏体钢的强度尤其通过碳和氮元素的间隙式固溶原子提高。为了将挥发性元素氮溶解于熔体之中，通常添加合金元素铬和锰。单用铬有助于铁素体形成，而用锰则可通过所谓的固溶退火获得可通过淬火至室温而稳定化的奥氏体组织。
奥氏体钢类是所谓TWIP钢(Twinning Induced Plasticity，孪晶诱导塑性)，其中，在塑性变形过程中发生孪晶集中形成。该过程通常在很小的负荷作用下就会发生，并且能增强钢的强度，使其断裂伸长率超过60％。这些特性使得这种钢出色地适合用来生产汽车工业领域的薄板，尤其是用于和事故相关的车身区域的薄板。TWIP钢通常具有约为0.02～0.5质量％的碳含量，作为合金元素使用含量为20～30质量％的锰，在某些TWIP钢中还使用含量分别为最多3质量％的铝和硅。
EP 0 889 144公开了一种所谓轻型结构钢的TWIP钢，其显示最大1100MPa的抗拉强度，含有1～6质量％的硅，1～8质量％的铝，其中铝和硅的总量不大于12质量％，以及10～30质量％的锰。所公开的钢的特征在于，最高400MPa的屈服应力，以及最大70％均匀伸长率和最大90％的断裂伸长率。该专利公开中的钢的缺点是耐腐蚀性低。
DE 101公开了一种高强度奥氏体不锈钢，其特征在于，可在大约1巴正常大气压力下进行熔炼，并除了铁以外，还含有12～15质量％的铬、17～21质量％的锰、＜0.7质量％的硅、总计0.4～0.7质量％的碳和氮，和总计＜1.0质量％的其它制备引起的元素，其中碳含量和氮含量之比在0.6～1.0之间。所公开的这种钢不显示TWIP效应，并且可以在强烈变形时形成马氏体，这主要表现为机械伸长率比较小。
WO2006/025412公开了一种耐腐蚀TWIP钢，其含有铁、铝、硅、锰、铬和镍作为主要元素。所获得的钢显示高于50％的均匀伸长率值，抗拉强度介于600～800MPa之间。机械特性可以与EP 0 889 144所公开的基于铁、铝、硅和锰的钢相媲美，但是镍的添加提高生产成本，并且缺少间隙式固溶原子会导致强度较低。WO2006/027091公开了另一种含有碳和氮作为合金元素的奥氏体钢，所述的这种钢除了含有量分别为16～21质量％的合金金属铬和锰之外，还含有量为0.5～2.0％的钼以及总计量为0.8～1.1质量％的碳和氮，且碳和氮的比例为0.5～1.1。所公开的这种钢显示了机械强度、可锻性、耐磨性和耐腐蚀性，并且没有铁磁性。但缺点是，在这些合金在生产过程中凝固时出现初生铁素体形成，从而可能导致氮在熔炼和/或者焊接过程中逸出。
本发明的任务基于，提供一种可焊接的耐腐蚀奥氏体钢，其不仅具有很高的屈服极限，而且也具有很高的抗拉强度以及90％以上的断裂伸长率，同时还具有耐腐蚀性。
本发明的主题是一种耐腐蚀奥氏体钢，除了含有铁之外，还含有(分别基于100质量％)：
20～32％锰，
10～15％铬，总计为0.5～1.3％的碳和氮，其中碳与氮之比为0.5～1.5，
以及熔炼引起的杂质。
本发明所述的奥氏体钢显示TWIP特性(TWIP＝孪晶诱导塑性)以及良好的耐腐蚀性。这种TWIP钢的主要特性是可以通过孪晶界的形成获得塑性与良好的耐腐蚀性，即在变形时在其微结构中形成大量孪晶界的钢由此被显著而且均匀地强化，在拉伸试验过程中具有很高的机械伸长率，并且能完全保持在奥氏体，而不形成马氏体。
本发明的钢具有稳定化的奥氏体结构，其通过主要合金元素铁、锰和铬以及间隙元素碳和氮组合形成。本发明所述的钢在拉伸试验中显示高于90％的断裂伸长率、高于400MPa的屈服极限以及高于900MPa的抗拉强度。由于将很高的断裂伸长率和屈服极限相结合，因此本发明所述的钢极其容易变形。除此之外，本发明所述的合金在定向变形之后不形成利用X射线衍射法可检测到的α-马氏体或者ε-马氏体。
已发现本发明所述含有上述份额的铬、锰、碳和氮的合金能够使初生奥氏体凝固，从而获得既不会在凝固过程中、也不会在焊接过程中逸出氮的熔体。因此可以在常压下生产以及加工该合金。本发明所述的合金显示防止铁素体形成的稳定奥氏体结构。合金金属铬以及所存在的氮促成了比现有技术的TWIP钢更高的耐腐蚀性。
合金金属络和锰以及添加剂氮和碳的各用量比以这样的比例进行调整，使得铬的量不仅改善氮在熔体中的溶解度，而且也有利地对合金的耐腐蚀性产生影响，而不在熔体凝固过程中形成初生铁素体。铁素体的形成是不利的，因为铁素体会使得氮的溶解度变小，从而导致气孔形成。此外，在本发明所述的合金中还会使得析出物(例如碳化物和氮化物)的形成向较低的温度移动，这允许奥氏体化温度较缓慢地冷却，并且无问题地生产比较大的构件横断面。
通过避免在熔焊之后的凝固过程中的氮析出，并且避免随后在焊缝的固态材料和热影响区冷却到室温的过程中形成析出物，因此对本发明所述合金的可焊接性也有正面影响。这尤其在技术上是重要的，因为在材料焊接之后相对缓慢地冷却，并且并非所愿地在焊缝上以及热影响区中形成析出物。
锰的量改善变形性(塑性，形变能力)。其它成分碳和氮改善机械特性和耐腐蚀性，而不形成氮化物和碳化物。本发明所述碳和氮的比例能够实现完全奥氏体凝固，而不在熔炼过程中逸出气体，或者不在加速冷却过程中形成碳化物或氮化物。优选所需量的氮在熔体中的溶解性是在1500℃且1巴压力时提供的。
在优选实施方式中，合金金属锰的量为22.0～30.0质量％，铬的量为11.0～13.0质量％，尤其为12.0～13.0质量％。证实特别有利的是碳和氮的总含量在0.5～0.8质量％之间，且碳与氮的比例为0.5～0.8。该实施方式的合金显示有利的材料特性，使得其适合应用于轻型结构。
在另一种实施方式中，本发明所述的合金含有可用来进一步改变机械特性的次要合金金属，所述次要合金元素优选选自钼、硅、铌、铪、钒、锆、钛和钕。这些合金金属中钼的含量优选为1.0～2.0质量％，硅的含量为0.1～2质量％。可包含较少量的金属铌、铪、钒、锆、钛和钕，并且将它们称作微合金元素。微合金元素中钕的含量可以为0.02～0.1质量％，金属铪、钒、锆、钛和钕的含量分别独立地为0～0.5质量％。
本发明的另一个主题是生产具有TWIP特性的耐腐蚀奥氏体钢的方法，其中在常压下熔炼各种合金金属，并且在1000～1250℃之间的温度范围进行1～72小时的时间的扩散退火，随后进行淬火和热变形/冷变形。
可以在800-1000mbar压力下在纯氮中或者在相当于大约800mbar氮分压的环境压力下的开放炉中进行熔炼。
本发明的另一个主题涉及将本发明所述的奥氏体钢用于生产结构件，尤其用于生产汽车工业的结构件的用途。
实施例
下列表1中提供了本发明所述合金的实施例：
表1
表2提供了机械特性。
| 实施例 | 0.2％屈服点，以MPa计 | 抗拉强度，以MPa计 | 断裂伸长率，以％计 | 维氏硬变，以HV10计 |
| 30Mn12CrCN | 449.76 | 906.92 | 108.5 | 234.2 |
| 25Mn12CrCN | 445.38 | 889.96 | 93.8 | 230.3 |
| 20Mn12CrCN | 434.00 | 825.08 | 93.1 | 200.6 |
以下的线图图示了室温负荷时的伸长率曲线(线图1)，冲击韧度(线图2)，以及计算出来的相图，可在其中看出初生奥氏体形成(线图3)。
Claims (15)
1.耐腐蚀奥氏体钢，除了含有铁之外，分别基于100质量％，还含有：
20～32％锰，
10～15％铬，总计为0.5～1.3％的碳和氮，其中碳与氮之比为0.5～1.5，
以及熔炼引起的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，所述钢含有选自钼、硅、铌、铪、钒、锆、钛、钕和/或者钴的其它合金成分。
3.耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量为1.0～2.0质量％的钼。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量为0.1～2.0质量％的硅。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量为0.02～0.1质量％的铌。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量分别为最多0.5质量％的铪、钒、锆、钛和钕。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量为22～30％质量的锰。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，包含量为11.0～13.0质量％的铬。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，碳和氮的总量为0.5～0.8质量％，且碳与氮之比在0.5～0.8之间。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，所述钢具有TWIP特性。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，所述钢具有＞900MPa的抗拉强度。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的耐腐蚀奥氏体钢，其特征在于，所述钢具有＞400MPa屈服极限和＞90％断裂伸长率。
13.生产耐腐蚀奥氏体钢的方法，其中
a)在常压下熔炼各种合金金属，
b)在1000～1250℃之间的温度范围进行1～72小时退火，
c)接着进行淬火。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，紧接在方法步骤c)之后进行热变形和/或者冷变形。
15.耐腐蚀奥氏体钢用于生产建筑物中的结构件，尤其是汽车工业中的结构件的用途。
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