TWI628296B - 沃斯田鐵系不鏽鋼 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種具有經改良之抗孔蝕性及經改良之強度的沃斯田鐵系不鏽鋼。該不鏽鋼包含低於0.03重量%碳(C)、0.2-0.6重量%矽(Si)、1.0-2.0重量%錳(Mn)、19.0-21.0重量%鉻(Cr)、7.5-9.5重量%鎳(Ni)、0.4-1.4重量%鉬(Mo)、低於1.0重量%銅(Cu)、0.10-0.25重量%氮(N)、視情況低於1.0重量%鈷(Co)、視情況低於0.006重量%硼(B)，及其餘為鐵(Fe)及無可避免的雜質。

Description

沃斯田鐵系不鏽鋼
本發明係關於與標準化316L/1.4404型沃斯田鐵系不鏽鋼相比具有經改良之抗孔蝕性(pitting corrosion resistance)及經改良之強度與較低製造成本的沃斯田鐵系不鏽鋼。
標準化316L/1.4404沃斯田鐵系不鏽鋼通常包含0.01-0.03重量%碳、0.25-0.75重量%矽、1-2重量%錳、16.8-17.8重量%鉻、10-10.5重量%鎳、2.0-2.3重量%鉬、0.2-0.64重量%銅、0.10-0.40重量%鈷、0.03-0.07重量%氮及0.002-0.0035重量%硼，其餘為鐵及無可避免的雜質。標準化316L/1.4404沃斯田鐵系不鏽鋼之保證強度Rp0.2通常為220-230 MPa及各別地Rp1.0為260-270 MPa，同時抗拉強度Rm為520-530 MPa。具有2B加工面(finish surface)之捲料及片料產品的典型值為Rp0.2 290 MPa、Rp1.0 330 MPa及Rm 600 MPa。由於鎳及鉬係昂貴元素，且至少鎳的價格易變動，因此316L/1.4404型沃斯田鐵系不鏽鋼的製造成本高。
由CN專利申請案101724789知曉一種包含低於0.04重量%碳、0.3-0.9重量%矽、1-2重量%錳、16-22重量%鉻、8-14重量%鎳、低於4重量%鉬、0.04-0.3重量%氮、0.001-0.003重量%硼及低於0.3重量%之稀土元素鈰(Ce)、鏑(Dy)、釔(Y)及釹(Nd)中之一或多者、其餘為鐵及無可避免之雜質的沃斯田鐵系不鏽鋼。將此CN專利申請 案101724789之合金與316L相比顯示該合金具有良好的模具韌性及改良的降伏強度，同時塑性及孔蝕保持相同水準。然而，CN專利申請案101724789未述及製造成本。
JP專利申請案2006-291296係關於一種包含低於0.03重量%碳、低於1.0重量%矽、低於5重量%錳、15-20重量%鉻、5-15重量%鎳、低於3重量%鉬、低於0.03重量%氮、0.0001-0.01重量%硼，且滿足Md30溫度介於-60℃及-10℃之間及SFI(疊積缺層困難指數(Stacking-fault difficulty index))值≧30(該等值係使用以下公式來計算：Md30=551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr-18.5Mo及SFI=2.2Ni+6Cu-1.1Cr-13Si-1.2Mn+32的沃斯田鐵系不鏽鋼。JP專利申請案2006-291296提及鎳為昂貴元素，其最大含量較佳為13重量%。
WO公開案2009/082501描述一種包含至多0.08重量% C、3.0-6.0重量% Mn、至多2.0重量% Si、17.0-23.0重量% Cr、5.0-7.0重量% Ni、0.5-3.0重量% Mo、至多1.0重量% Cu、0.14-0.35重量% N、至多4.0重量% W、至多0.008重量% B、至多1.0重量% Co、其餘為鐵及附帶雜質的沃斯田鐵系不鏽鋼。WO公開案2011/053460係關於一種類似的沃斯田鐵系不鏽鋼，其包含至多0.20重量% C、2.0至9.0重量% Mn、至多2.0重量% Si、15.0至23.0重量% Cr、1.0至9.5重量% Ni、至多3.0重量% Mo、至多3.0重量% Cu、0.05至0.35重量% N(7.5(% C)<(% Nb+% Ti+% V+% Ta+% Zr)<1.5)，其餘為鐵及附帶雜質。此等沃斯田鐵系不鏽鋼包含超過2重量%之錳，此並非300系列沃斯田鐵系不鏽鋼的典型值。此高錳含量亦於鋼廢料之回收中產生問題，因具高錳含量之回收鋼無法維持原料的價值。
GB專利1,365,773係關於一種可承受高溫下之高持續負 載的沃斯田鐵系不鏽鋼，即具有經改良之潛變強度性質的的沃斯田鐵系不鏽鋼。如將釩及氮以特定比例與硼一起引入至鋼中，則可顯著地改良潛變強度性質。釩(V)之重量%含量為氮(N)含量的3至4倍。接著使精細分散的氮化物相於主要包含簡單氮化釩(VN)的沃斯田鐵基質中沈澱出。已發現此氮化物相相當顯著地強化沃斯田鐵晶粒的潛變強度。GB專利1,365,773亦提及鎳及(可能)錳應存在於鋼中，以致其可一起確保基質中的純沃斯田鐵結構。據此，若錳含量低於3重量%，則必需增加鎳含量，以確保基質中沃斯田鐵結構的穩定性。因此，鎳含量應為至少8重量%及宜為至少12重量%。
本發明之目標為消除先前技藝的一些缺失及獲致改良的沃斯田鐵系不鏽鋼，其製造成本因高價元素被低價元素部分取代而較廉價，但不減損且更可能改良性質，諸如抗孔蝕性及強度。本發明之基本特徵羅列於隨附申請專利範圍中。
本發明係關於一種沃斯田鐵系不鏽鋼，其包含低於0.03重量%碳(C)、0.2-0.6重量%矽(Si)、1.0-2.0重量%錳(Mn)、19.0-21.0重量%鉻(Cr)、7.5-9.5重量%鎳(Ni)、0.4-1.4重量%鉬(Mo)、低於1.0重量%銅(Cu)、0.10-0.25重量%氮(N)、視情況低於1.0重量%鈷、視情況低於0.006重量%硼(B)，及其餘為鐵(Fe)及無可避免的雜質。
當比較本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼與316L/1.4404型沃斯田鐵系不鏽鋼時，根據本發明之鉻含量較高，其至少部分取代鉬，且氮含量較高，其至少部分取代鉬以及鎳。儘管有此等取代，但在鉻當量與鎳當量之間的Creq/Nieq比基本上保持在與參考316L/1.4404型沃斯田鐵系不鏽鋼中之Creq/Nieq比相似或較低的值下。於高溫退火及 快速冷卻以及在熔接後之固化結構中，δ肥粒鐵含量保持在2-9%之間。此特徵使與熱加工及熔接相關的問題(即熱龜裂)減小。根據本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼的保證強度Rp0.2通常為320-450 MPa及各別地Rp1.0為370-500 MPa，同時抗拉強度Rm為630-800 MPa。因此，強度值較316L/1.4404型沃斯田鐵系不鏽鋼之強度高約70-170 MPa。此外，本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼具有大於24之PREN值，且鋼中之Creq/Nieq比低於1.60且鋼具有低於-80℃之Md30值。
本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼中之元素的效用及重量%含量敘述於下：碳(C)係有價值的沃斯田鐵形成及沃斯田鐵穩定元素。碳可以至多0.03%添加，但較高含量對抗腐蝕性具有不利影響。碳含量不應低於0.01%。將碳含量限制為低含量碳亦會提高對其他昂貴沃斯田鐵形成物及沃斯田鐵穩定物的需求。
矽(Si)係基於在熔化廠中之去氧化目的添加至不鏽鋼，且其應不低於0.2%，較佳至少0.25%。矽係肥粒鐵形成元素，但矽具有對防止麻田散鐵形成之沃斯田鐵穩定性的較強穩定化效用。矽含量必需限制在低於0.6%，較佳低於0.55%。
錳(Mn)係確保穩定沃斯田鐵晶體結構(亦防止麻田散鐵形成)的重要添加物。錳亦會提高氮於鋼中之溶解度。然而，過高的錳含量將會降低抗腐蝕性及熱加工性。因此，錳含量應在1.0-2.0%之範圍內，較佳1.6-2.0%。
鉻(Cr)負責確保不鏽鋼的抗腐蝕性。鉻係肥粒鐵形成元素，但鉻亦係在沃斯田鐵與肥粒鐵之間產生適當相平衡的主要添加物。提高鉻含量會增加對昂貴沃斯田鐵形成物鎳、錳的需求，或需要 超乎實際高的碳及氮含量。較高的鉻含量亦會提高有利的對沃斯田鐵相之氮溶解度。因此，鉻含量應在19-21%之範圍內，較佳19.5-20.5%。
鎳(Ni)係強沃斯田鐵穩定物且可增進可成形性及韌度。然而，鎳係昂貴元素，且因此，為維持發明鋼之成本效率，鎳合金化之上限應為9.5%，較佳9.0%。由於對防止麻田散鐵形成之沃斯田鐵穩定性具有重大影響，因此鎳需以狹窄範圍存在。因此，鎳含量之下限為7.5%，較佳8.0%。
銅(Cu)可用作作為沃斯田鐵形成物及沃斯田鐵穩定物之鎳的較廉價替代物。銅係沃斯田鐵相的弱穩定物，但對抗麻田散鐵形成性具有強烈效用。銅藉由降低疊積缺層能量改良可成形性及改良於特定環境中之抗腐蝕性。如銅含量高於3.0%，則其會降低熱加工性。在本發明，銅含量範圍為0.2-1.0%，較佳0.3-0.6%。
鈷(Co)穩定沃斯田鐵且係鎳的替代物。鈷亦可提高強度。鈷相當昂貴，因此其使用受限。如添加鈷，則最大限值為1.0%，較佳低於0.4%，及當鈷自然地來自回收廢料及/或與鎳合金化時，範圍較佳為0.1-0.3%。
氮(N)係強沃斯田鐵形成物及穩定物。因此，氮合金化藉由可使用較少鎳、銅及錳而改良發明鋼之成本效率。氮相當有效地改良抗孔蝕性，尤其係當與鉬一起合金化時。為確保合理低地使用上述合金化元素，氮含量應為至少0.1%。高氮含量提高鋼強度且因此使得成形操作更為困難。再者，氮化物沈澱之風險隨氮含量之增加而提高。基於此等原因，氮含量不應超過0.25%，且含量較佳在0.13-0.20%範圍內。
鉬(Mo)係藉由改質鈍化膜來改良鋼之抗腐蝕性的元 素。鉬提高對麻田散鐵形成的抗性。較低的鉬含量降低當鋼暴露至高溫時金屬間相(諸如σ)形成的可能性。高Mo含量(>3.0%)降低熱加工性且可能將δ肥粒鐵固化提高至不利程度。然而，由於其高成本，鋼之Mo含量應在0.4-1.4%之範圍內，較佳0.5-1.0%。
硼(B)可用於改良的熱加工性及較佳的表面品質。添加超過0.01%之硼會不利於鋼的加工性及抗腐蝕性。於本發明中提出之沃斯田鐵系不鏽鋼具有視情況低於0.006%，較佳低於0.004%之硼。
利用表1關於合金A、B、C、D、E、F、G、H、I及J之化學組成測試根據本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼的性質。鋼合金A至I係以實驗室規模利用65公斤澆鑄厚板輥軋成5毫米熱帶厚度且進一步冷軋至2.2或1.5毫米最終厚度來製造。鋼合金J係以全規模透過由EAF(電弧爐)-AOD轉爐(氬氧脫碳)-澆斗處理-連續澆鑄-熱軋及冷軋所組成之極為熟知的不鏽鋼製造途徑來製造。熱軋條帶厚度為5毫米及最終冷軋厚度為1.5毫米。表1亦包含用作參考之316L/1.4404(316L)型沃斯田鐵系不鏽鋼的化學組成。
針對表1之化學組成A、B、C、D、E、F、G、H、I、J及316L，使用下式(1)及(2)計算鉻當量(Creq)及鎳當量(Nieq)：Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+2.0%Ti+0.5×%Nb (1)
Nieq=%Ni+0.5×%Mn+30×(%C+%N)+0.5%Cu+0.5%Co (2)。
使用針對沃斯田鐵系不鏽鋼在1050℃溫度下退火時所建立之Nohara表示式(3)計算表1各鋼之預測Md30溫度(Md30)Md30=551-462×(%C+%N)-9.2×%Si-8.1×%Mn-13.7×%Cr-29×(%Ni+%Cu)-18.5×%Mo-68×%Nb (3)。
Md30溫度係定義為0.3真應變導致50%沃斯田鐵轉變為麻田散鐵之溫度。
使用式(4)計算抗孔蝕性當量值(PREN)：PREN=%Cr+3.3×%Mo+30×%N (4)。
鉻當量(Creq)、鎳當量(Nieq)、Creq/Nieq比、Md30溫度(Md30)及抗孔蝕性當量值(PREN)之結果呈現於表2。
表2之結果顯示本發明沃斯田鐵系不鏽鋼之抗孔蝕性當量值(PREN)較參考不鏽鋼316L(25.1)高，在27.0-29.5之範圍內。本發明鋼A-J之Creq/Nieq比較參考不鏽鋼316L(1.50)低，在1.20-1.45之範圍內，顯示氮在鎳當量中之係數對相平衡具有強烈影響，且因此可極有用於提供合金化。表2中之本發明之各沃斯田鐵系不鏽鋼的Md30溫度係低於-100.1℃，且亦低於參考鋼316L之Md30溫度，因此本發明沃斯田鐵系不鏽鋼中防止麻田散鐵轉變之沃斯田鐵穩定性獲得改良。
鋼A-J於冷軋及退火條件中測得之肥粒鐵含量呈現於表3，其顯示本發明之鋼及參考316L沃斯田鐵系不鏽鋼於最終微結構中基本上具有等量的肥粒鐵。
測定根據本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼A-J的保證強度Rp0.2及Rp1.0以及抗拉強度Rm且呈現於表4中，以標準化316L沃斯田鐵系不鏽鋼之各別值作為參考。
如表4所示，本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼的測定強度比參考316L沃斯田鐵系不鏽鋼之各別強度高約70-170 MPa。此外，根據本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼基本上可容易地在回火輥軋條件中輥軋。
本發明所提出之沃斯田鐵系不鏽鋼儘管強度顯著較高，但仍具有與參考材料316L相同程度的可成形性。可成形性試驗結果呈現於表5且其中呈現LDR(極限拉製比)及愛理遜指數(Erichsen Index)。極限拉製比係定義為可安全地拉製成無凸緣之杯之最大毛坯直徑與衝孔機直徑的比。LDR係利用50毫米平頭衝孔機及25 kN保持力測定。愛理遜壓凹(cupping)試驗係一種延性試驗，其被用來評估金屬片及金屬條在拉伸成形中經歷塑性變形的能力。該試驗係由藉由使具有球形末端之衝孔機抵靠夾在毛坯固持器與模頭之間之試件加壓形成壓痕，直至出現完全龜裂為止所組成。測量杯之深度。愛理遜指數係5個試驗之平均值。
於本發明所提出之沃斯田鐵系不鏽鋼中之氮合金化與高鉻含量及降低鉬含量當與參考材料316L相比時產生顯著較高的抗孔蝕性。結果呈現於表6中。在1M NaCl溶液中於35℃溫度下利用Avesta單元對研磨試樣表面進行孔蝕試驗。
表6中之結果顯示本發明之沃斯田鐵系不鏽鋼(鋼A-J)的破壞電位(即當發生孔蝕時之最低電位)甚高於參考材料316L。

Claims (13)

  1. 一種具有經改良之抗孔蝕性及經改良之強度的沃斯田鐵系不鏽鋼，其特徵在於該鋼包含低於0.03重量%碳(C)、0.2-0.6重量%矽(Si)、1.0-2.0重量%錳(Mn)、19.0-21.0重量%鉻(Cr)、7.5-9.5重量%鎳(Ni)、0.4-1.4重量%鉬(Mo)、低於1.0重量%銅(Cu)、0.10-0.25重量%氮(N)、視情況低於1.0重量%鈷(Co)、視情況低於0.006重量%硼(B)，及其餘為鐵(Fe)及無可避免的雜質，且該鋼具有保證強度Rp0.2 320-450MPa及保證強度Rp1.0 370-500MPa，抗拉強度Rm為630-800Mpa，Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+2.0%Ti+0.5×%Nb，及Nieq=%Ni+0.5×%Mn+30×(%C+%N)+0.5%Cu+0.5%Co。
  2. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含0.25-0.55重量%矽。
  3. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含1.6-2.0重量%錳。
  4. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含19.5-20.5重量%鉻。
  5. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含8.0-9.0重量%鎳。
  6. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含0.5-1.0重量%鉬。
  7. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含0.3-0.6重量%銅。
  8. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含0.13 -0.20重量%氮。
  9. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含低於0.4重量%鈷。
  10. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼包含低於0.004重量%硼。
  11. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼具有大於24之PREN值。
  12. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼具有低於1.60之Creq/Nieq比。
  13. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系不鏽鋼，其中，該鋼具有低於-80℃之Md30溫度。
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