專利名稱：低鎳奧氏體鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低鎳奧氏體鋼，特別是一種低鎳、低鉬、低錳且低銅的奧氏體鋼及其應(yīng)用。本發(fā)明還涉及由這種鋼組成的制品的生產(chǎn)方法。
這里，術(shù)語“鋼”通常是指含鐵的合金并包括含碳的鐵。嚴(yán)格來說，奧氏體是具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)(“γ-鐵”)的鐵的高溫變體，在740℃和1538℃之間熱力學(xué)穩(wěn)定，并以固溶體形式含有從0到最大2.1重量％的碳(在1153℃)。然而，通常所有具有面心立方晶格的鋼都稱為奧氏體鋼或奧氏體。對(duì)于許多鋼的用途都要求面心立方奧氏體結(jié)構(gòu)，或者至少與其它變體(例如鐵素體或馬氏體鋼)相比是有利的；例如，奧氏體是非鐵磁性的，這使得奧氏體鋼可以用于電氣或電子部件或其它不希望出現(xiàn)磁性排斥或吸引的用途中，例如在鐘表中。然而，由于奧氏體是高溫變體，在低溫下是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，奧氏體必須經(jīng)過穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌凅w，使其在常溫下也保持其希望的奧氏體性質(zhì)。例如，這可以通過加入稱為奧氏體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑的合金元素來進(jìn)行。最常用于該目的的合金元素是鎳，典型用量為8-10重量％。
其它合金組分用于以希望的方式影響鋼的其它性質(zhì)(例如抗蝕性和耐磨性、硬度、強(qiáng)度或延展性)。然而，特定合金元素的使用通常也導(dǎo)致一些缺點(diǎn)，通常是與用量有關(guān)，這可以通過在一定范圍內(nèi)調(diào)整合金組成來抵消。例如，碳和錳一般有助于穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，但是過量時(shí)降低抗蝕性。硅通常是一種不可避免的雜質(zhì)，但是有時(shí)也有意加入作為氧的清除劑，但是促進(jìn)δ-鐵素體的形成。鉻、鉬和鎢對(duì)抗蝕性有決定性的貢獻(xiàn)，但是同樣促進(jìn)δ-鐵素體的形成。氮能穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)并提高抗蝕性，但是過高的氮含量降低鋼的延展性。鋼組成優(yōu)化的一個(gè)難點(diǎn)是鋼的性質(zhì)不隨特定合金組分的含量線性變化，而是組成上的很小變化可能產(chǎn)生材料性能非常大的突然變化。使用有色金屬作為合金元素的另一個(gè)缺點(diǎn)一般是它們的價(jià)格較高。
很久就已經(jīng)知道鋼及其生產(chǎn)。例如，在工業(yè)化學(xué)百科全書，第六版，1999電子出版社，Wiley-VCH，D-69451 Weinheim，Germany在關(guān)鍵詞“鋼”的條目下可以發(fā)現(xiàn)鋼工藝的全面評(píng)述。
對(duì)于一些用途，低鎳奧氏體鋼是希望的材料。這種鋼越來越重要的應(yīng)用領(lǐng)域是在其使用過程中與人或動(dòng)物體接觸的制品，因?yàn)檫@些鋼當(dāng)然不會(huì)引起鎳過敏。鎳過敏通常是與含鎳鋼接觸時(shí)產(chǎn)生接觸濕疹或其它過敏現(xiàn)象的原因，例如在珠寶、手表或植入物的使用過程中或者在使用這種鋼制造的醫(yī)療儀器時(shí)發(fā)生。所以，在許多國家確定了材料鎳含量的限值或者對(duì)其在與人或動(dòng)物體的接觸時(shí)鎳釋出的限值，或者已經(jīng)強(qiáng)制執(zhí)行。也正是這種原因，擁有多種用途的多種低鎳奧氏體鋼變得越來越重要。
已知一些低鎳奧氏體鋼，包括無鎳的奧氏體鋼。通常，在這種鋼中的奧氏體結(jié)構(gòu)是通過元素氮穩(wěn)定的。
因此，AT-B-266 900提出用于生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，尤其是那些承受振動(dòng)應(yīng)力的機(jī)械部件的奧氏體、非磁性鋼的使用，要使用的鋼只被確定在極寬范圍的可能組成0-20重量％的Mn、0-30重量％的Cr、0-5重量％的Mo和/或V、至少0.5，優(yōu)選為至少1.4重量％的N、0.02-0.55重量％的C，0-2重量％的Si和0-25重量％的Ni，余量為鐵。所述寬范圍覆蓋了具有完全不同性能的不同的鋼，沒有給出選擇特定鋼的判據(jù)，關(guān)于這種鋼的生產(chǎn)措施了解得也很少。
EP-A-875 591公開了抗腐蝕的基本不含鎳的奧氏體鋼的使用，主要組成為5-26重量％的Mn、11-24重量％的Cr、2.5-6重量％的Mo、0.2-2.0重量％的N、0.1-0.9重量％的C，最多0.5重量％的Ni，余量為鐵，它作為生產(chǎn)與生物接觸的制品的材料。DE-A-195 13407類似地公開了使用抗腐蝕的基本無鎳的奧氏體鋼作為生產(chǎn)與生物接觸的制品的材料。這種鋼的主要組成為2-26重量％的Mn、11-24重量％的Cr、2.5-10重量％的Mo、0.55-1.2重量％的N、小于0.3重量％的C，最多0.5重量％的Ni，余量為鐵。JP-A-07/150297(化學(xué)摘要摘要編號(hào)為123175994)公開了一種鋼，組成為10-25重量％的Mn、10-25重量％的Cr、5-10重量％的Mo、0.2-1重量％的N、0.05-0.5重量％的C和最多0.5重量％的Si，余量為鐵，它在造船業(yè)中的使用。DE-A-196 07828描述了一種鋼，組成為8-15重量％的Mn、13-18重量％的Cr、2.5-6重量％的Mo、0.55-1.1重量％的N、最多0.1重量％的C和最多0.5重量％的Ni，余量為鐵，它用于各種部件，尤其是發(fā)電機(jī)罩環(huán)。在所述出版物公開的鋼的情況下，用較大量的鉬來獲得高的抗腐蝕性，而鉬是目前為止傳統(tǒng)合金元素中最昂貴的。
DE-A-42 42 757提出了一種主要組成是21-35重量％的Mn、9-20重量％的Cr、0-7重量％的Mo、0.3-0.7重量％的N、最多0.015重量％的C、最多0.1重量％的Ni，最多0.5重量％的Si、最多0.02重量％的P、最多0.02重量％的S和最多4重量％的Cu，余量為鐵的鋼的使用，它作為生產(chǎn)與生物接觸的制品的材料。EP-A-422 360公開組成為17-20重量％的Mn、16-24重量％的Cr、0-3重量％的Mo、0.5-1.3重量％的N和最多0.20重量％的C，余量為鐵的鋼的使用，它用于生產(chǎn)鐵路車輛的部件。EP-A-432 434描述了組成為17.5-20重量％的Mn、17.5-20重量％的Cr、0-5重量％的Mo、0.8-1.2重量％的N、最多0.12重量％的C、0.2-1重量％的Si、最多0.05重量％的P、最多0.015重量％的S和最多3重量％的Ni，余量為鐵的鋼來生產(chǎn)連接元件的方法。DE-A-25 18452描述了一種通過在至少925℃對(duì)無氮或低氮中間合金滲氮來生產(chǎn)奧氏體鋼的方法，包含21-45重量％的Mn、10-30重量％的Cr和0.85-3重量％的N，余量為鐵。雖然在這些出版物描述的鋼具有較低的鉬含量，但是，它們有對(duì)抗腐蝕性有不利影響的較高的錳含量。
DE-A-24 47 318描述了一種奧氏體鋼，它包含15-45重量％的Mn、10-30重量％的Cr、0.85-3重量％的N、最多1重量％的C、0-2重量％的Si和下列三種合金元素的至少一種1-3重量％的Cu、1-4重量％的Ni和1-5重量％的Mo，這最后三種成分的總含量達(dá)到5重量％，余量為鐵，合金的組成必須滿足另外的特定條件。此外，如果使用至少21重量％的較高錳含量，則該合金可以不含Cu和Ni。在這種鋼中，如果較高的鉬或錳含量可以接受，和/或存在至少1重量％的銅，則也可不用鎳。
EP-A-640 695公開了一種組成為11-25重量％的Mn、10-20重量％的Cr、最多1重量％的Mo、0.05-0.55重量％的N、最多0.01重量％的C、最多0.5重量％的Ni和最多1重量％的Si，余量為鐵的鋼，它用于生產(chǎn)與生物皮膚接觸的日用品。JP-A-07/157847描述了一種鋼，含有9-20重量％的Mn、12-20重量％的Cr、1-5重量％的Mo、0.1-0.5重量％的N、0.01-0.6重量％的C、0.05-2.0重量％的Si、0.05-4重量％的Cu，余量為鐵，它用于生產(chǎn)表殼。JP-A-06/116 683(化學(xué)文摘摘要編號(hào)為121138544)公開了一種鋼，含有5-23重量％的Mn、13-22重量％的Cr、最多5重量％的Mo、0.2-0.6重量％的N、0.05-0.2重量％的C、最多0.1重量％的In和最多15重量％的Ni，余量為鐵。在這些出版物中公開的鋼含有較少的鉬和錳，至少在其可能的組成范圍內(nèi)，但是它們的抗蝕性不能令人滿意。
本發(fā)明的目的是提供一種低鎳，優(yōu)選是無鎳的奧氏體鋼。也是由于成本原因，這種鋼應(yīng)該含有較少量的其它合金元素；特別是它應(yīng)該具有低含量的鉬、錳和銅，但是具有優(yōu)異的材料性能，尤其是高的抗蝕性。
為此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過含有鐵和下列成分的低鎳奧氏體鋼達(dá)到了這一目的。
錳小于17.0重量％；鉻大于21.0重量％且不大于26.0重量％；鉬小于1.50重量％；氮大于0.70重量％且不大于1.70重量％；和碳大于0.11重量％且不大于0.70重量％。
此外還發(fā)現(xiàn)用這種鋼生產(chǎn)模制體的方法。
用重量％表示的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于所制成的鋼的組成。
本發(fā)明的鋼具有低鎳含量，優(yōu)選是無鎳的、奧氏體的、抗腐蝕的材料，它容易生產(chǎn)和加工，特別是因?yàn)殂f含量低，所以成本低。
本發(fā)明的鋼鎳含量低，即如果有鎳的話，也只向其中加入較少量的鎳，或者一般不超過2重量％，例如不超過1重量％。本發(fā)明的鋼優(yōu)選的是無鎳的，即不有意加入鎳。(因此無鎳是一種低鎳含量的特殊情況)。鎳一般作為不可避免的雜質(zhì)以少量或痕量存在，通常是由于一般使用鋼廢料作為獲得鐵或粗鋼的原料。一般地，在其無鎳實(shí)施方案中的本發(fā)明的鋼含有小于1.0，優(yōu)選的是小于0.5重量％的鎳，特別優(yōu)選的是小于0.3重量％的鎳。具有這種低鎳含量的鋼即使在與人或動(dòng)物體長期接觸時(shí)，也很少釋出鎳，因此不必害怕敏感或過敏。
本發(fā)明的鋼含有小于17.0，優(yōu)選的是不大于16重量％的錳。它還含有大于21.0且不大于26.0，優(yōu)選的是不大于23重量％的鉻和小于1.50，優(yōu)選的是不大于1.4重量％的鉬。其氮含量大于0.70，優(yōu)選的是至少0.82，且不大于1.70重量％；其碳含量大于0.11，優(yōu)選的是至少0.15，例如至少0.17，且不大于0.70重量％。這些合金元素基本以固溶體存在，即以原子形式細(xì)分散在奧氏體晶格中，且不作為碳化物、氮化物或中間相存在。
常用于改善特定用途的特定性能或作為鋼的生產(chǎn)中的傳統(tǒng)添加劑的其它合金元素的少量加入，一般不會(huì)影響本發(fā)明鋼的材料性能。特別是它可含有小于4，例如小于2.5，優(yōu)選的是小于2，特別優(yōu)選的是小于1，例如0.5重量％的銅。它也可以含有例如鎢，含量小于2，優(yōu)選的是不大于1重量％，硅含量小于2，優(yōu)選的是不大于1重量％。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的鋼由鐵、不可避免的雜質(zhì)和下列成分組成錳小于17.0重量％；鉻大于21.0且不大于26.0重量％；鉬小于1.50重量％；氮大于0.70且不大于1.70重量％；碳大于0.11且不大于0.70重量％；銅小于2.5重量％；鎢小于2重量％；和硅小于2重量％。
本發(fā)明的鋼是非常抗腐蝕的。抗蝕性，表示為臨界微裂縫腐蝕溫度，隨下列鋼中合金元素的有效總和增大而增大有效總和＝Cr+3.3Mo+20C+20N-0.5Mn這里元素符號(hào)是鋼中該元素用重量％表示的含量。在抗腐蝕性為主要的鋼的應(yīng)用中，通過獲得其它要求的材料性質(zhì)(強(qiáng)度、延展性等)所預(yù)定的限值內(nèi)以盡可能高的有效總和來優(yōu)化鋼的組成。在這些情況下，低錳含量和高碳和氮含量與適度鉻和鉬含量是優(yōu)選的。
由本發(fā)明的鋼制造的工件具有廣泛的用途。(因?yàn)楸景l(fā)明的鋼是具體的，所以總是具有一定的幾何形狀，術(shù)語“鋼”和“由這種鋼制成的工件或制品”一般具有相同的意義。)由本發(fā)明的鋼制成的工件特別是用于在要求高抗蝕性和/或強(qiáng)度和/或鎳的釋放不能容許的場合。本發(fā)明的鋼的典型應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)至少有時(shí)要與人或動(dòng)物體接觸的制品，例如眼鏡、手表、珠寶、植入物、牙科植入物、衣服的金屬部件如腰帶扣件、鉤子、鈕環(huán)、針、安全針、床架、欄桿、手柄、剪刀、刀叉餐具和醫(yī)療器械注射針、解剖刀或其它外科器械。
但是，本發(fā)明鋼的出人意料的高抗蝕性和強(qiáng)度也開辟了不含鎳時(shí)不起作用或只有很小作用的用途領(lǐng)域。例如，它用在地面建筑和地下建筑中用于例如生產(chǎn)鋼筋、緊固構(gòu)件、錨定構(gòu)件、鉸鏈、巖石錨、承受負(fù)載的結(jié)構(gòu)、正面構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力鋼。它也用于生產(chǎn)工業(yè)設(shè)備的材料，例如在石油和天然氣開采和輸送、和海洋工程如造船、或在石油化學(xué)工業(yè)中的設(shè)備或管道。此外，它還用作運(yùn)輸技術(shù)的材料，例如水路、陸地和航空運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸工具和裝置的部件。此外，它還用在機(jī)械工程和裝置結(jié)構(gòu)中，例如能源和電站技術(shù)或電氣和電子設(shè)備。而且，本發(fā)明的鋼還用作在硬質(zhì)燒結(jié)模制件中的硬質(zhì)材料的金屬粘結(jié)相。
對(duì)于某些所述用途，特別是鐵磁性不存在問題的場合，僅作為表面層來應(yīng)用或生產(chǎn)本發(fā)明的鋼可能是足夠的。用于該目的的方法是已知的，例如用本發(fā)明的鋼薄層對(duì)工件鍍層，或者只對(duì)包含無氮或較低氮的中間合金的工件的部分滲氮。
通過已知的鋼生產(chǎn)方法生產(chǎn)本發(fā)明的鋼和/或成型成希望的工件，例如通過無壓熔煉、電爐渣再熔煉、壓力電爐渣再熔煉、熔體澆鑄、鍛造、熱加工成型和/或冷加工成型、粉末冶金，如壓制和燒結(jié)或者粉末注模，這兩種方法使用均勻的本發(fā)明的組成的粉末都是可能的，或者通過已知的中間合金技術(shù)，或者如果所述熔體冶金和粉末冶金方法不在足夠氮分壓下進(jìn)行，如果要求，用無氮或低氮中間合金的后續(xù)滲氮。以同樣已知方式通過熱處理避免或消除碳化物、氮化物和中間相的形成。通過固溶處理和冷加工成型獲得本發(fā)明鋼的特別高強(qiáng)度的工件。如果希望，然后工件回火。出人意料的是，冷加工成型不會(huì)影響抵抗裂縫腐蝕的性能。
一種由本發(fā)明鋼組成的制品的優(yōu)選的生產(chǎn)方法是粉末冶金。為此，把包含本發(fā)明鋼或無氮或低氮的中間合金粉末引入到模型中，例如通過壓制，從模型中取出并燒結(jié)。在燒結(jié)過程中或者在隨后的附加加工步驟中，如果使用無氮或低氮的中間合金，則通過滲氮達(dá)到所要求的氮含量。
使用均勻合金形式的鋼或其無氮或低氮的前體不是絕對(duì)必要的。鋼的成分或其前體的成分還可以以合金元素的粉末混合物形式存在或者作為不同合金和/或純元素的混合物存在，從這些混合物出發(fā)，在燒結(jié)過程中，由于擴(kuò)散而通過中間合金技術(shù)形成希望的總組成的合金。例如，也可以使用純鐵粉末和含有其它合金元素和鐵的合金粉末的混合物。
簡單的粉末冶金成型工藝(例如在模型中壓制)的一個(gè)重要缺點(diǎn)是只能生產(chǎn)具有較簡單外形的成型體。特別適合于生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀成型體的另一種已知的粉末冶金方法是粉末注射成型。為了該目的，把鋼粉末、無氮或低氮的前體與熱塑性塑料混合，熱塑性塑料通常稱為粉末注射成型工藝的粘合劑，如果需要，還加入其它助劑，從而形成總的熱塑性注射成型材料(原料)。
使用熱塑性塑料加工已知的注射成型工藝來注射成型熱塑性注射成型物料，然后從注射成型體(生坯)中排出熱塑性粉末注射成型粘合劑(除粘合劑)，燒結(jié)不含這種粘合劑的坯體(褐坯)，得到最終的燒結(jié)成型體，如果需要，通過在含氮?dú)夥諣t中熱處理氮化(滲氮)調(diào)節(jié)到所希望的氮含量。優(yōu)選的是通過在燒結(jié)過程中或直接在燒結(jié)之前或之后的氮化達(dá)到氮含量，而沒有立即從燒結(jié)爐中取出燒結(jié)成型體或者在燒結(jié)溫度或氮化溫度之下冷卻。這些方法的主要問題是粘合劑的去除，通常通過熱塑性塑料的熱解來進(jìn)行，常常在工件中產(chǎn)生開裂。所以，有利的是使用可以在低溫催化去除的熱塑性塑料。
適合于本發(fā)明鋼的生產(chǎn)和加工的金屬粉末注射成型過程和用于該目的的原料對(duì)于熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的。例如，EP-A 413 231描述了催化去除粘合劑的過程，EP-A 465 940和EP-A 446 708公開了生產(chǎn)金屬成型體的原料。W.-F.Bahre，P.J.Uggowitzer和M.O.Speidel“近凈尺寸制造的競爭優(yōu)勢”(Editor B.-D.Kunze)，DeutscheGesellschaft Fur Metallurgie，F(xiàn)rankfurt，1997(ISBN 3-88355-246-1)，和H.Wohlfromm，M.Blomacher，D.Weinand，E.-M.Langer和M.Schwarz“金屬注射成型的新材料”，PIM-97-第1屆歐洲粉末注射成型學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，慕尼黑貿(mào)易展覽中心，慕尼黑，德國，199年10月15-16日，歐洲粉末冶金協(xié)會(huì)1997，(ISBN 1-899072-05-5)描述了在燒結(jié)過程中用滲氮生產(chǎn)無鎳含氮鋼的粉末注射成型過程。國際專利申請PCT/EP/99/09136(國際發(fā)布日期1999年11月25日，1998年12月1日的特許權(quán)申請DE 19855422.2)描述一種用無鎳奧氏體鋼作為硬質(zhì)材料的金屬結(jié)合劑相生產(chǎn)硬質(zhì)-燒結(jié)成型部件的方法。
粉末注射成型方法在過程上不同與傳統(tǒng)粉末冶金方法如壓制和燒結(jié)，不同在于成型方法及由此隨后用于去除成型用的熱塑性粉末注射成型粘合劑的附加步驟。然而，在所有的粉末冶金方法中，用相同的方式進(jìn)行燒結(jié)和氮化。
以細(xì)粉末的形式使用本發(fā)明鋼、其前體或其成分。所用平均顆粒尺寸通常小于100，優(yōu)選的是小于50，特別優(yōu)選的是小于20微米且一般大于0.1微米。這些金屬粉末是工業(yè)上可得到的或者可以用任何已知的方法生產(chǎn)，例如通過羰基分解或者水或氣體霧化。
為了進(jìn)行粉末注射成型過程，把本發(fā)明的鋼、其前體或其成分與作為粉末注射成型粘合劑的熱塑性非金屬材料混合，產(chǎn)生粉末注射成型物料。用于注射成型物料生產(chǎn)的合適的熱塑性塑料是已知的。一般來說，使用熱塑性塑料，例如聚烯烴如聚乙烯或聚丙烯，或者聚醚如聚環(huán)氧乙烷(“聚乙二醇”)。使用這些可以在較低溫度從生坯中催化去除的熱塑性塑料是優(yōu)選的。優(yōu)選的是用聚縮醛塑料作為熱塑性塑料的基料，特別優(yōu)選的是聚甲醛(“POM”、低聚甲醛、三聚乙醛)。為改善注射成型物料加工性能，也可選擇性地混入助劑，例如分散助劑。用于其通過注射成型和催化去除的制備和加工的類似的熱塑性物料和方法是已知的并且被描述于例如EP-A 413 231、EP-A 446 708、EP-A 444 475、EP-A 800 882且特別是EP-A 465 940及其美國相等專利US5,362,791中，這些專利在本文中引作參考。
優(yōu)選的本發(fā)明的注射成型材料組成為a)40-70體積％的在權(quán)利要求1、2或3中定義的鋼、或者這種鋼的無氮或低氮含量的前體或者這種鋼的成分或其前體成分的混合物，都是粉末形式的，平均顆粒尺寸為0.1微米且不大于100，優(yōu)選不大于50，特別優(yōu)選不大于20微米；b)30-60體積％的下列物質(zhì)的混合物b1)50-100重量％的聚甲醛均聚物或共聚物和b2)0-50重量％的與b1)不混溶且可以加熱去除而不留下殘?jiān)木酆衔铮蜻@類聚合物的混合物，它作為粉末a)的熱塑性粘合劑，和c)0-5體積％的分散助劑。
當(dāng)然，成分總和為100體積％。
聚甲醛均聚物或共聚物及其制備對(duì)于熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的并且在文獻(xiàn)中描述。均聚物通常通過甲醛或三噁烷聚合(一般為催化聚合)來制備。對(duì)于聚甲醛共聚物的制備，環(huán)醚或多種環(huán)醚可以方便地與甲醛和/或三噁烷一起在聚合中作為共聚單體，因此，聚甲醛鏈與其(-OCH2)單元鏈被兩個(gè)氧原子之間排列的一個(gè)以上碳原子的單元打斷。適用于共聚單體的環(huán)醚的實(shí)例是環(huán)氧乙烷、1，2-環(huán)氧丙烷、1，2-環(huán)氧丁烷、1，3-二噁烷、1，3-二氧戊環(huán)、dioxepan、線性低聚形式和多聚形式如聚二噁烷或polydioxepan和甲醛三聚物。
合適的成分b2)一般是與聚甲醛均聚物或共聚物b1)不混溶的聚合物。這種聚合物及其制備對(duì)于熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的并且已經(jīng)在文獻(xiàn)中描述。
優(yōu)選的這類聚合物是聚烯烴、乙烯基芳族聚合物、脂肪族C1-C8羧酸的乙烯酯聚合物、在烷基上有1-8個(gè)碳原子的乙烯基烷基酯的聚合物或至少70重量％的單元來自甲基丙烯酸酯的甲基丙烯酸酯或者它們的混合物的聚合物。
合適的聚烯烴是如2-8，特別是2、3或4個(gè)碳原子的烯烴的聚合物及其共聚物。聚乙烯和聚丙烯及其共聚物是特別優(yōu)選的。這種聚合物是大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，或者廣泛應(yīng)用的商品，所以是熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的。合適的乙烯基芳族聚合物是例如聚苯乙烯和聚-α-甲基苯乙烯及其與最多30重量％的來自由丙烯酸、丙烯腈和甲基丙烯腈基團(tuán)的共聚單體的共聚物。這種聚合物也是常見的商品。合適的脂肪族C1-C8羧酸的乙烯酯的聚合物是例如聚醋酸乙烯酯或聚丙酸乙烯酯，合適的C1-C8乙烯基烷基醚的聚合物是例如聚乙烯基甲醚和聚乙烯基乙醚。例如，含至少70重量％的C1-C14醇的甲基丙烯酸酯的共聚物，特別是甲基丙烯酸甲酯和/或甲基丙烯酸乙酯作為單體單元用作含至少70重量％的單元來自甲基丙烯酸酯的甲基丙烯酸酯的聚合物。例如，0-30，優(yōu)選的是0-20重量％的丙烯酸，優(yōu)選的是丙烯酸甲酯和/或丙烯酸乙酯可以用作其它的共聚單元。
成分c)是分散助劑。分散助劑是廣泛應(yīng)用的并且是熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的。一般來說，可以使用改善注射成型物料均勻性的任何分散助劑。優(yōu)選的分散助劑是低聚的聚環(huán)氧乙烷，平均分子量為200-400，硬脂酸、羥基硬脂酸、脂肪醇、脂肪醇磺酸酯和環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的嵌段共聚物。也可以使用具有分散性能的不同物質(zhì)的混合物作為分散助劑。
在與熱塑性粘合劑預(yù)混合之后，如果要求，與助劑混合之后，在粉末注射成型過程中，為了避免最終燒結(jié)成型體的任何昂貴的后加工，利用成型工具(如壓機(jī))把金屬粉末成型成盡可能接近其希望的最終幾何形狀的成型體。已知工件在燒結(jié)過程中會(huì)產(chǎn)生收縮，通常通過燒結(jié)之前成型體的較大尺寸來補(bǔ)償這種收縮。
粉末注射成型原料的成型使用常規(guī)注射成型機(jī)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行。用傳統(tǒng)方法從成型體中去除熱塑性粉末注射成型粘合劑(除粘合劑)，例如通過熱解。優(yōu)選的是，通過用含氣態(tài)酸氣氛的已知方法進(jìn)行的生坯熱處理，從優(yōu)選的新型注射成型物料中催化去除粘合劑。這種氣氛通過蒸發(fā)具有足夠蒸汽壓的酸產(chǎn)生，方便的是使載氣，尤其是氮?dú)馔ㄟ^裝有酸(有利的是硝酸)的儲(chǔ)存容器，然后把含酸氣體通入除粘合劑的爐子中。在除粘合劑的爐子中的最佳酸濃度取決于希望的鋼組成并取決于工件的尺寸，可通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)根據(jù)情況確定。一般來說，在20-180℃在這種氣氛中處理10分鐘到24小時(shí)足以去除粘合劑。在粘合劑去除后，通過加熱最高到燒結(jié)溫度熱解仍然存在的熱塑性粘合劑/或助劑的殘?jiān)瑥亩耆コ?br> 在成型后-和在注射成型過程及后續(xù)的粘合劑去除中-在燒結(jié)爐中燒結(jié)成型體，獲得燒結(jié)的成型部件，如果使用本發(fā)明鋼的無氮或低氮含量前體，則通過氮化調(diào)整到所希望的氮含量。
對(duì)燒結(jié)和(如果要求)對(duì)氮化優(yōu)化的爐內(nèi)氣氛的最佳組成和最佳溫度程序取決于所用的鋼或要生產(chǎn)的鋼或其前體的準(zhǔn)確化學(xué)組成，特別是其氮溶解能力，和所用粉末的顆粒尺寸。一般來說，爐內(nèi)氣氛中氮分壓增大和溫度降低都與鋼中更高的氮含量直接相關(guān)。但是，由于溫度降低不僅導(dǎo)致燒結(jié)過程本身減慢，而且導(dǎo)致氮在鋼中的擴(kuò)散速度降低，因此，燒結(jié)和/或氮化過程在較低的溫度下需要更長的時(shí)間。對(duì)于在均勻致密的燒結(jié)成型體中獲得特定的希望氮含量，爐內(nèi)溫度、特別是氮分壓、燒結(jié)和/或氮化的溫度和時(shí)間的最佳組合，可以在少數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上根據(jù)情況容易地確定。這樣的燒結(jié)過程已經(jīng)被描述，在例如Bahre等和Wohlfromm等的出版物中。這兩個(gè)出版物因此引作參考。
通常，使用至少0.1，優(yōu)選為0.25巴的爐內(nèi)氣氛的氮分壓。該氮分壓一般不大于2巴，優(yōu)選的是不大于1巴。爐內(nèi)氣氛可以由純氮或由惰性氣體(如氬氣)和/或反應(yīng)性氣體(如氫氣)組成。一般來說，為了盡可能除去金屬中的有害的氧化性雜質(zhì)，使用氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w作為爐內(nèi)氣氛是有利的。氫氣(如果存在)含量一般至少為5，優(yōu)選為至少15體積％，一般不超過50，優(yōu)選的是不超過30體積％。如果希望，這種爐內(nèi)氣氛可以另外含有惰性氣體，例如氬氣。爐內(nèi)氣氛優(yōu)選的應(yīng)該是基本上干燥的，為此，一般露點(diǎn)為-40℃是足夠的。
在燒結(jié)爐和/或氮化爐內(nèi)的(絕對(duì))壓力通常至少100，優(yōu)選的是至少250毫巴。此外，一般不大于2.5，優(yōu)選的是不大于2巴。特別優(yōu)選的是使用大氣壓。
燒結(jié)溫度和/或氮化溫度一般至少為1000℃，優(yōu)選為1050℃，特別優(yōu)選為至少1100℃。此外，一般不超過1450℃，優(yōu)選的是不超過1400℃，特別優(yōu)選的是不超過1350℃。在燒結(jié)過程和/或氮化過程中可以改變溫度，例如，首先在較高溫度下將工件燒結(jié)到完全或基本上致密，然后在較低溫度下調(diào)整到所希望的氮含量。
最佳加熱速率通過少數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)可以容易地確定，通常至少為1℃，優(yōu)選為至少2℃，特別優(yōu)選為至少3℃/分鐘。出于經(jīng)濟(jì)方面的原因，為了避免對(duì)燒結(jié)和/或氮化質(zhì)量的不良影響，盡可能高的加熱速率一般是希望的，但是一般使用低于20℃/分鐘的加熱速率。在某些情況下，在加熱到燒結(jié)溫度和/或氮化溫度過程中，在低于燒結(jié)溫度和/或氮化溫度的溫度下保溫是有利的，例如在500-700℃的溫度下，例如600℃保溫30分鐘到2小時(shí)，例如1小時(shí)。
燒結(jié)時(shí)間和/或氮化的時(shí)間，即在燒結(jié)溫度和/或氮化溫度的保溫時(shí)間一般要使燒結(jié)成型體既能充分致密燒結(jié)，又能充分均勻氮化。在常規(guī)燒結(jié)溫度和/或氮化溫度、氮分壓和成型體尺寸的情況下，燒結(jié)時(shí)間和/或氮化時(shí)間一般至少為30分鐘，優(yōu)選的是至少為60分鐘。這種燒結(jié)過程和/或氮化過程的時(shí)間對(duì)確定生產(chǎn)率起作用，正是由于這個(gè)原因，燒結(jié)和/或氮化優(yōu)選的是用這樣的方式進(jìn)行，即從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，燒結(jié)過程和/或氮化過程不能花費(fèi)不能令人滿意的長時(shí)間。一般來說，燒結(jié)過程和氮化過程(沒有加熱和冷卻階段)可以在最高10小時(shí)后結(jié)束。
通過冷卻燒結(jié)成型體結(jié)束燒結(jié)過程和/或氮化過程。取決于鋼的組成，特定冷卻過程可能是必要的，例如為了獲得高溫相或?yàn)榱朔乐逛摰某煞蛛x析的非常快的冷卻。一般來說，為了獲得高生產(chǎn)率，出于經(jīng)濟(jì)原因也希望冷卻得非常快。在由于過快冷卻產(chǎn)生在經(jīng)濟(jì)上不能令人滿意的有缺陷(如開裂、裂紋或變形)的較多燒結(jié)成型體時(shí)，達(dá)到了冷卻速度的上限。因此，用幾個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)可以容易地確定最佳冷卻。一般來說，可取的是使用至少100，優(yōu)選的是至少200℃/分鐘的冷卻速度。燒結(jié)的成型體可以如在冷水或油中淬火。
在燒結(jié)和/或氮化之后，可以進(jìn)行任何希望的后處理，例如固溶退火和在水或油中淬火或者燒結(jié)成型體的熱等靜壓。優(yōu)選的是，燒結(jié)成型體經(jīng)過固溶退火，即把它們在至少1000℃，優(yōu)選的是至少1100℃且不超過1250℃，優(yōu)選的是不超過1200℃，在惰性氣體中，例如在氮?dú)夂?或氬氣中熱處理至少5分鐘，優(yōu)選的是至少10分鐘且不超過2小時(shí)，優(yōu)選的是不超過1小時(shí)，然后淬火，例如在冷水中。
實(shí)施例實(shí)施例1對(duì)于在下列范圍內(nèi)的各種組成的22種鋼測量臨界裂縫腐蝕溫度錳小于17.0重量％；鉻大于21.0且不大于26.0重量％；鉬小于1.50重量％；氮大于0.70且不大于1.70重量％；和碳大于0.11且不大于0.70重量％；其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
所述溫度是抵抗局部腐蝕的度量。在圖中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所試驗(yàn)的鋼的有效總和用空心圓作圖有效總和＝Cr+3.3Mo+20C+20N-0.5Mn這里，元素符號(hào)表示在鋼中該元素以重量％表示的含量。作為對(duì)比，用鉬含量大于2.5重量％的與上述鋼不同的鋼獲得的結(jié)果用實(shí)心圓作圖。
對(duì)比表明，盡管鉬含量非常低，本發(fā)明的鋼出人意料地與具有明顯更高含量的昂貴的鉬的鋼有相同的抗蝕性(高臨界裂縫腐蝕溫度)。
實(shí)施例210公斤的由23重量％的鉻、16重量％的錳、1.4重量％的鉬、0.17重量％的碳和0.82重量％的氮，其余為鐵的鋼，在真空感應(yīng)爐中在0.8巴的氮壓力下熔煉并澆鑄。
在鍛造、在1100℃下固溶退火并淬火后，該鋼具有均勻的奧氏體結(jié)構(gòu)。在這種狀態(tài)下，其屈服點(diǎn)為550Mpa。在以72％橫截面縮減率的冷加工成型后，該鋼達(dá)到2480Mpa的屈服點(diǎn)，在500℃的后續(xù)回火1小時(shí)后，屈服點(diǎn)為2670℃。
實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例2，但是在淬火后，進(jìn)行以92％橫截面縮減率的冷加工成型，然后回火，這產(chǎn)生了3100Mpa的非常高的屈服點(diǎn)。
這些實(shí)施例表明，本發(fā)明的鋼不僅抗腐蝕，而且具有出人意料的高強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種奧氏體鋼，它含有鐵和下列成分組成的鋼錳小于17.0重量％；鉻大于21.0且不大于26.0重量％；鉬小于1.50重量％；氮大于0.70且不大于1.70重量％；碳大于0.11且不大于0.70重量％；
2.權(quán)利要求1的鋼，它還含銅小于2.5重量％；鎢小于2重量％；和硅小于2重量％。
3.權(quán)利要求2的鋼，由鐵、不可避免的雜質(zhì)和下列成分組成錳小于17.0重量％；鉻大于21.0且不大于26.0重量％；鉬小于1.50重量％；氮大于0.70且不大于1.70重量％；碳大于0.11且不大于0.70重量％；銅小于2.5重量％；鎢小于2重量％；和硅小于2重量％。
4.一種含有權(quán)利要求1、2或3定義的粉末狀的鋼、粉末狀的該鋼的無氮或低氮的前體或粉末狀的所述鋼的成分或其前體成分的混合物、和熱塑性粘合劑的粉末注射成型物料。
5.權(quán)利要求4的粉末注射成型物料，包含a)40-70體積％的權(quán)利要求1、2或3中定義的鋼、這種鋼的無氮或低氮含量的前體，或這種鋼的成分或其前體成分的混合物，都是粉末形式的，平均顆粒尺寸為0.1微米且不大于100，優(yōu)選為不大于50，特別優(yōu)選為不大于20微米；b)30-60體積％的下列物質(zhì)的混合物b1)50-100重量％的聚甲醛均聚物或共聚物和b2)0-50重量％的與b1)不混溶且可以加熱去除而不留下殘?jiān)木酆衔铮蜻@類聚合物的混合物，它作為粉末a)的熱塑性粘合劑，和c)0-5體積％的分散助劑。
6.一種用權(quán)利要求1、2或3的鋼生產(chǎn)成型體的方法，包括下列工藝步驟注射成型權(quán)利要求4或5定義的注射成型物料、去除粘合劑和燒結(jié)。
7.權(quán)利要求6的方法，其特征在于，所述粘合劑經(jīng)催化去除。
8.權(quán)利要求6或7的方法，其特征在于，在燒結(jié)過程中或燒結(jié)之后，通過氮化調(diào)整所述鋼的氮含量。
9.權(quán)利要求1、2或3定義的鋼用作至少有時(shí)與人或動(dòng)物體接觸的制品的材料的應(yīng)用。
10.權(quán)利要求1、2或3定義的鋼在地面建筑或地下建筑中的應(yīng)用。
11.權(quán)利要求1、2或3定義的鋼在生產(chǎn)工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。
12.權(quán)利要求1、2或3定義的鋼在運(yùn)輸技術(shù)中作為材料的應(yīng)用。
13.權(quán)利要求1、2或3定義的鋼在機(jī)械制造和設(shè)備制造中作為材料的應(yīng)用。
14.權(quán)利要求2定義的、含有小于4重量％銅的鋼在至少有時(shí)與人或動(dòng)物體接觸的制品中作為材料的應(yīng)用。
15.權(quán)利要求2定義的、含有小于4重量％銅的鋼在地面建筑或地下建筑中的應(yīng)用。
16.權(quán)利要求2定義的、含有小于4重量％銅的鋼在生產(chǎn)工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。
17.權(quán)利要求2定義的、含有小于4重量％銅的鋼在運(yùn)輸技術(shù)中作為材料的應(yīng)用。
18.權(quán)利要求2定義的、含有小于4重量％銅的鋼在機(jī)械制造和設(shè)備制造中作為材料的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低鎳奧氏體鋼,含有鐵和下列成分:小于17.0wt%的錳;大于21.0且不大于26.0wt%的鉻;小于15.0wt%的鉬;大于0.70且不大于1.70wt%的氮;和大于0.11且不大于0.70wt%的碳。本發(fā)明還涉及本發(fā)明的鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用。
文檔編號(hào)C22C33/02GK1351674SQ00807840
公開日2002年5月29日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月26日
發(fā)明者M·施派德爾 申請人:Basf公司