CN115679225A - 高铬硅耐蚀钢及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明主要揭示一种高铬硅耐蚀钢，其组成以重量百分比计系主要包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质，其中，Cr和Si的总量小于37wt％。实验数据显示，本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品皆具有介于HV 170和HV500之间的硬度以及高于0.8V的孔蚀电位。因此，实验数据证明，本发明高铬硅耐蚀钢能够取代习用的不耐孔蚀的不锈钢如304、316L，进而应用于化工设施及工程结构要求高耐腐蚀性的零组件及结构件的制造。

Description

高铬硅耐蚀钢及其用途

技术领域

本发明是关于合金材料的相关技术领域，尤指一种具高耐腐蚀性质的高铬硅钢。

背景技术

近100年来，含高铬、低碳及添加镍的各种不锈钢因其优异的耐腐蚀特性而被广泛地应用在各种工业领域之中。目前，市场上可购买的不锈钢品种多达230余种，其中经常使用的主流品种有近50种，其可进一步地分为奥斯田铁系、麻田散铁系、肥粒铁系、双相系、及析出硬化系等5种类型。不锈钢产品随处可见，从日常生活用品(如厨具、水塔与计算机零组件等)、到工业科技产品(如机械零件和航天材料)、乃至于医疗器材皆可看到其应用。

目前，特殊用途不锈钢主要分为奥斯田铁系不锈钢、麻田散铁系、和析出硬化系不锈钢。其中，奥斯田铁系不锈钢具有良好的耐蚀性、加工性、焊接性，因此获得最为广泛的应用。316L不锈钢即为一种奥斯田铁系不锈钢，其含有18wt％的铬、8wt％的镍以及2-3wt％的钼。已知，316L不锈钢抵抗氯离子及酸的腐蚀能力较304不锈钢优秀，故其典型的应用产物为不锈钢水管。即使如此，由于316L不锈钢的孔蚀电位系介于0.3V至0.6V间，因此由316L不锈钢水管应用海洋环境时，其仍易遭受海水的间隙腐蚀(crevice corrosion)和孔蚀(pitting corrosion)。换句话说，习用的304、316L不锈钢皆不耐孔蚀。另一方面，应知道，304和316L不锈钢在均质化状态下的硬度皆约小于HV160。

总的来说，海水的腐蚀导致不锈钢应用受到极大限制，故而开发适合应用于化工设施及工程结构所使用的要求高耐腐蚀性的零组件的新式合金材料是目前重要的课题。特别说明的是，前述的零组件为须承受拉力或撞击力的结构性零件，因此，其制造材料(即，合金材料)必须同时兼具足够的硬度、韧性以及耐蚀性。相对地，均质化维氏硬度在HV500以上的合金材料在塑性变形的过程中易引发脆裂或剥落，显然不适合作为前述的结构性零件。

有鉴于此，本案发明人极力加以研究发明，而终于研发完成一种具有高于0.8V的孔蚀电位以及低于HV500的硬度的高铬硅耐蚀钢。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种高铬硅耐蚀钢，其组成以重量百分比计系主要包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质，其中，Cr和Si的总量小于37wt％。实验数据显示，本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品皆具有介于HV170和HV500之间的硬度以及高于0.8V的孔蚀电位。因此，实验数据证明，本发明高铬硅耐蚀钢系能够取代习用的不耐孔蚀的耐腐蚀不锈钢如304、316L，进而应用于化工设施及工程结构等要求高耐腐蚀性的零组件及结构件的制造。

为达成上述目的，本发明提出所述高铬硅耐蚀钢的一第一实施例，其具有介于HV170和HV500之间的硬度以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质，其中，Cr和Si的总量小于37wt％。

在可行的实施例中，前述高铬硅耐蚀钢的第一实施例的组成以重量百分比计系更包括：不超过0.3wt％的C及/或不超过0.2wt％的B。

在可行的实施例中，前述高铬硅耐蚀钢的第一实施例的组成以重量百分比计系更包括：

不超过3wt％的Mo及/或Nb；以及

不超过2wt％的M，其中M包括选自于由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所组成群组之中的至少一种添加元素。

为达成上述目的，本发明提出所述高铬硅耐蚀钢的一第二实施例，其具有介于HV170和HV500之间的硬度以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系包括：

22～30wt％的Cr；

2～10wt％的Si；

不超过3wt％的Mo及/或Nb；

不超过0.3wt％的C；

不超过0.2wt％的B；

不超过2wt％的M；以及

平衡量的Fe和不可避免的杂质；

其中，Cr和Si的总量小于37wt％，且M包括选自于由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所组成群组之中的至少一种添加元素。

在可行的实施例中，所述高铬硅耐蚀钢利用选自于由真空电弧熔炼法、大气电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

在可行的实施例中，所述高铬硅耐蚀钢的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、棒、管、板材、或是片材。

在可行的实施例中，所述高铬硅耐蚀钢利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、热扩散、热轧延、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

在可行的实施例中，所述高铬硅耐蚀钢为一铸造态合金或经热处理后的一热处理态合金，且所述热处理为选自于时效硬化处理、退火软化处理和均质化处理所组成群组之中的任一种。

进一步地，本发明同时提供一种高铬硅耐蚀钢的用途，其应用于化工设施及工程结构等所使用要求高耐腐蚀性的零组件及结构件的制造。

实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的一种高铬硅耐蚀钢及其用途，以下将配合图式，详尽说明本发明较佳实施例。

实施例一

于实施例一中，所述高铬硅耐蚀钢具有介于HV170和HV500之间的硬度以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系主要包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质，其中Cr和Si的总量小于37wt％。

实施例二

于实施例二中，所述高铬硅耐蚀钢具有介于HV170和HV500之间以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系主要包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、不超过3wt％的Mo及/或Nb、不超过0.3wt％的C、不超过0.2wt％的B、不超过2wt％的M、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质。特别地，Cr和Si的总量小于37wt％，且M包括选自于由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所组成群组之中的至少一种添加元素。

就现有的不锈钢而言，当其Cr含量超过13wt％就会形成钝化膜而产生很好的耐酸效果。可惜的是，在含有高盐分的海洋环境中，此钝化膜却易被局部侵蚀而形成间隙腐蚀及/或孔蚀。因此，本发明高铬硅耐蚀钢含有高含量的铬(22～30wt％)及硅含量(2～10wt％)以及一定含量的添加元素，故而具有大于0.8V的孔蚀电位的特殊性质。同时，本发明高铬硅耐蚀钢具有大于HV170但不超过HV500的硬度。

实际应用时，本发明高铬硅耐蚀钢可以利用由真空电弧熔炼法、大气电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、或粉末冶金法制造而得。特别说明的是，本发明不特别限制所述高铬硅耐蚀钢的状态，因此，其可为铸造态合金或为经热处理后的一热处理态合金。长期涉及合金设计与制造的材料工程师应当知道，所述热处理可以是时效硬化处理、退火软化处理或均质化处理。当然，本发明亦不限制所述高铬硅耐蚀钢的成品或半成品的形态。在可行的实施例中，所述高铬硅耐蚀钢的成品或半成品的形态可为粉末、线材、焊条、包药焊丝、棒、管、板材、或片材。

另一方面，实际应用时，本发明高铬硅耐蚀钢亦可利用铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、热扩散、热轧延、3D积层制造、机械加工、或化学加工等制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

特别说明的是，本发明高铬硅耐蚀钢系用以取代习用的不耐孔蚀的不锈钢(如304、316L)，进而应用于化工设施及工程结构所使用要求高耐腐蚀性的零组件及结构件的制造。另一方面，本发明高铬硅耐蚀钢亦可作为披覆材使用。

为了证实上述本发明高铬硅耐蚀钢系的确能够被据以实施的，以下将藉由多组实验数据的呈现，加以证实。

实验例一

于实验例一中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品，并接着对各个样品进行均质化处理、硬度量测、以及腐蚀电位量测。更详细地说明，所述腐蚀电位量测使用包含恒电位仪(Potentiostat)、工作电极(Working electrode)、辅助电极(Counter electrode)、与参考电极(Reference electrode)的一电化学量测***(Electrochemical test system)予以完成。进行腐蚀电位量测时，以测试样品、铂(Pt)和甘汞电极分别作为工作电极、相对电极和参考电极。其中，工作电极与辅助电极被浸泡在盛装有3.5％的NaCl水溶液的一第一容器之中，且电性连接恒电位仪。另一方面，甘汞电极则被浸泡在盛装有饱和KCl水溶液的一第二容器之中，且电性连接恒电位仪。并且，该第一容器和该第二容器之间设有一盐桥。接着，操作恒电位仪进行极化曲线的量测，之后利用软件分析所测得的曲线即可得到测试样品的孔蚀电位。

本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(1)之中。

表(1)

由上表(1)可知，16个样品皆属本发明高铬硅耐蚀钢的实施例一。同时，可以发现，在含有22-24wt％的Cr的情况下，Si含量越高的样品的硬度表现亦越佳。表(1)的数据显示，除了A15及A16外，本发明高铬硅耐蚀钢的所有样品的硬度皆介于HV170和HV500之间。补充说明的是，样品A15和A16在进行硬度量测的过程，钻石针在样品表面上所形成的压痕周围出现裂隙，显示样品A15和A16因硬度过高(即，大于HV500)而不适合被应用作为结构材。相反地，其它样品在硬度量测的过程皆未出现表面裂隙。另一方面，除了Si含量仅有1.5wt％的样品A5之外，本发明高铬硅耐蚀钢的的所有样品的孔蚀电位皆高于0.8V。值得说明的是，完成孔蚀电位的量测之后，可以在样品A5的表面看到许多局部孔蚀。因此，表(1)的实验数据证实，本发明高铬硅耐蚀钢的Si含量不可以低于2wt％。

实验例二

于实验例二中，利用真空电弧熔炼炉来制造本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品，并接着对各个样品进行均质化处理、硬度量测、以及腐蚀电位量测。本发明高铬硅耐蚀钢的多个样品的组成及其相关实验数据整理于下表(2)之中。

表(2)

由上表(2)可知，19个样品皆属本发明高铬硅耐蚀钢的实施例二。更详细地说明，在进行硬度量测之后，钻石针在19个样品的表面上所形成的压痕周围没有出现裂隙。另一方面，完成孔蚀电位的量测之后，也没有在19个样品的表面看到明显的局部孔蚀。因此，表(2)的实验数据证实，本发明高铬硅耐蚀钢的实施例二的确具有大于0.8V的孔蚀电位以及介于HV170和HV500之间的硬度。补充说明的是，随着Si含量增加，样品的均质化状态硬度亦随之增加，同时抗孔蚀效果也愈好。再者，在添加微量元素如B、C、Mo、Nb、Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、Al之后，样品硬度会有所变化，但孔蚀电位皆大于或等于0.8V。

因此，由实际量测数据可发现，本发明高铬硅耐蚀钢的实施例一与实施例二皆具有高于0.8V的孔蚀电位以及介于HV170和HV500之间的硬度。因此，实验数据证明，本发明高铬硅耐蚀钢系能够取代习用的不耐孔蚀的不锈钢如304、316L，进而应用于化工设施及工程结构等所使用要求高耐腐蚀性的零组件及结构件的制造。

如此，上述已清楚且完整地说明本发明所揭示的一种高铬硅耐蚀钢的所有实施例。然而，必须加以强调的是，前述本案所揭示者乃为较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案技术思想而为熟习该项技艺之人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。

Claims (14)

1.一种高铬硅耐蚀钢，其特征在于，其具有介于HV170和HV500之间的硬度以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系包括：22～30wt％的Cr、2～10wt％的Si、以及平衡量的Fe和不可避免的杂质，其中Cr和Si的总量小于37wt％。

2.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢的组成以重量百分比计系更包括：不超过0.3wt％的C及/或不超过0.2wt％的B。

3.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢的组成以重量百分比计系更包括：

不超过3wt％的Mo及/或Nb；以及

不超过2wt％的M，其中M包括选自于由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所组成群组之中的至少一种添加元素。

4.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢系利用选自于由真空电弧熔炼法、大气电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

5.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、棒、管、板材、或片材。

6.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢系利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、热扩散、热轧延、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

7.根据权利要求1所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢为一铸造态合金或经热处理后的一热处理态合金，且所述热处理为选自于时效硬化处理、退火软化处理和均质化处理所组成群组之中的任一种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的高铬硅耐蚀钢的用途，其特征在于，其应用于要求高耐腐蚀性对象的制造。

9.一种高铬硅耐蚀钢，其特征在于，其具有介于HV170和HV500之间的硬度以及大于0.8V的孔蚀电位，且其组成以重量百分比计系包括：

22～30wt％的Cr；

2～10wt％的Si；

不超过0.3wt％的C；

不超过0.2wt％的B；

不超过3wt％的Mo及/或Nb；

不超过2wt％的M；以及

平衡量的Fe和不可避免的杂质；

其中，Cr和Si的总量小于37wt％，且M包括选自于由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所组成群组之中的至少一种添加元素。

10.根据权利要求9所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢系利用选自于由真空电弧熔炼法、大气电弧熔炼法、电热丝加热法、感应加热法、快速凝固法、机械合金法、和粉末冶金法所组成群组的一种制程方法所制成。

11.根据权利要求9所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢的型态为下列任一者：粉末、线材、焊条、包药焊丝、棒、管、板材、或片材。

12.根据权利要求9所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢系利用选自于由铸造、电弧焊、雷射焊、电浆焊、热喷涂、热烧结、热扩散、热轧延、3D积层制造、机械加工、和化学加工所组成群组的一种制程方法而被加工披覆至一目标工件的表面上。

13.根据权利要求9所述的高铬硅耐蚀钢，其特征在于，所述高铬硅耐蚀钢为一铸造态合金或经热处理后的一热处理态合金，且所述热处理为选自于时效硬化处理、退火软化处理和均质化处理所组成群组之中的任一种。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的高铬硅耐蚀钢的用途，其特征在于，其应用于要求高耐腐蚀性对象的制造。