技術(shù)領(lǐng)域
本公開(kāi)涉及一種雙相不銹鋼，其具有鐵素體和回火馬氏體的微結(jié)構(gòu)。具體地講，本公開(kāi)涉及具有成本效益的不銹鋼，其具有用于耐磨蝕和/或耐磨損應(yīng)用的改善硬度。
技術(shù)背景描述
雙相不銹鋼可表現(xiàn)出所需特性的組合，這些特性使其可用于多種多樣的工業(yè)應(yīng)用，諸如用于油砂提取和制糖工業(yè)中。這些鋼一般特征為分散在鐵素體基質(zhì)中的回火馬氏體的微結(jié)構(gòu)。
雙相不銹鋼的實(shí)例為ATI 412TM不銹鋼(UNS 41003)，其通常按重量計(jì)含有11.75％鉻(Cr)、0.90％錳(Mn)、0.70％硅(Si)、0.40％鎳(Ni)、0.030％硫(S)、0.020％碳(C)、0％至0.040％磷(P)、0％至0.030％氮(N)，且其余為鐵(Fe)和其它附帶雜質(zhì)。ATI 412TM不銹鋼當(dāng)在約766℃下退火時(shí)通常具有約177的布氏硬度(Brinell hardness，HB)，且當(dāng)在約843℃下退火時(shí)具有約258的布氏硬度。
另一種雙相不銹鋼為鋼，其按重量計(jì)含有11.0％至12.5％Cr、0.20％至0.35％鉬(Mo)、0％至1.50％Mn、0％至1.00％Ni、0％至0.70％Si、0％至0.040％P、0％至0.030％N、0％至0.025％C、0％至0.015％S，且其余為Fe。值得注意的是，不銹鋼含有Mo作為合金元素，即，有意添加的合金元素，而不是作為附帶雜質(zhì)。然而，由于Mo的成本升高，因此不銹鋼對(duì)于某些應(yīng)用而言可能成本過(guò)高。盡管不銹鋼通常具有約223HB的硬度，但其可經(jīng)加工以表現(xiàn)出300HB的標(biāo)稱硬度，該等級(jí)可作為300不銹鋼商購(gòu)獲得。和300不銹鋼在很大程度上具有相同的組成，但300不銹鋼的硬度從260HB至360HB變化。然而，300不銹鋼的硬度增加伴隨韌度的降低。例如，在-40℃下300不銹鋼的夏比V型缺口沖擊能量(Charpy V-notch impact energy)平均僅為約15ft-lb。
在需要具有耐磨蝕性和/或耐磨損性的不銹鋼的應(yīng)用中，例如高達(dá)約350HB的高硬度水平可能需要與比可得自300不銹鋼的韌度更高的韌度加以組合。此外，在某些應(yīng)用中可能需要例如高達(dá)約450-500HB的服務(wù)中加工淬透性(in-service work hardenability)。此外，希望任何這樣的合金具有成本效益。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)非限制性方面，描述了高硬度雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼的實(shí)施方案。該不銹鋼按重量計(jì)包含約11.5％至約12％Cr、約0.8％至約1.5％Mn、約0.75％至約1.5％Ni、0％至約0.5％Si、0％至約0.2％Mo、0％至約0.0025％B、Fe和雜質(zhì)。在某些非限制性實(shí)施方案中，本公開(kāi)的不銹鋼表現(xiàn)出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口沖擊能量(CVN)使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或以上。
根據(jù)本公開(kāi)的另一非限制性方面，描述了包括高硬度雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼的制品的實(shí)施方案。該不銹鋼按重量計(jì)包含約11.5％至約12％Cr、約0.8％至約1.5％Mn、約0.75％至約1.5％Ni、0％至約0.5％Si、0％至約0.2％Mo、0％至約0.0025％B、Fe和雜質(zhì)。根據(jù)該制品的某些非限制性實(shí)施方案，該不銹鋼表現(xiàn)出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口沖擊能量(CVN)使得CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或以上。
附圖簡(jiǎn)述
本文所述的不銹鋼和制品的特征及優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)參考附圖而更好地理解，在附圖中：
圖1為繪制根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的非限制性實(shí)施方案的布氏硬度和夏比V型缺口沖擊能量與某些常規(guī)鋼相比的圖。
讀者在考慮到根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼和制品的某些非限制性實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述后將理解上述細(xì)節(jié)及其它細(xì)節(jié)。讀者也可在制造或使用本文所述的不銹鋼和制品后了解這樣的其它細(xì)節(jié)中的某些細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施方式
在非限制性實(shí)施方案的本發(fā)明描述中以及在權(quán)利要求中，除非在操作實(shí)施例中或另有指示，否則表示成分、合金和制品的量或特征、加工條件等的所有數(shù)字均應(yīng)被理解為在所有情況下都由術(shù)語(yǔ)“約”來(lái)修飾。因此，除非有相反指示，否則以下描述和所附權(quán)利要求中所闡述的任何數(shù)值參數(shù)均為可取決于力求在根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼和制品中獲得的所需特性而變化的近似值。最低限度地，且不試圖限制等同原則應(yīng)用于權(quán)利要求范圍，各數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)所報(bào)告的有效數(shù)字的數(shù)值且通過(guò)應(yīng)用普通舍入法來(lái)解釋。
據(jù)稱以引用方式并入本文中的任何專利、公開(kāi)案或其它公開(kāi)材料全部或部分地僅在所并入的材料不與本公開(kāi)中闡述的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開(kāi)材料相矛盾的程度上并入本文。因而且在必要的程度上，如本文所闡述的公開(kāi)內(nèi)容替代以引用方式并入本文中的任何相矛盾的材料。據(jù)稱以引用方式并入本文中但與本文所闡述的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開(kāi)材料相矛盾的任何材料或其部分僅在不會(huì)在所并入的材料與現(xiàn)有公開(kāi)材料之間產(chǎn)生矛盾的程度上并入。
本公開(kāi)部分地涉及具有成本效益的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼，其具有有利的硬度且適用于需要耐磨蝕性和/或耐磨損性的多種應(yīng)用。具體地講，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含約11.5％至約12％Cr、約0.8％至約1.5％Mn、約0.75％至約1.5％Ni、0％至約0.5％Si、0％至約0.2％Mo、0％至約0.0025％B、Fe和雜質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，該不銹鋼表現(xiàn)出的布氏硬度(HB)和在-40℃下的夏比V型缺口沖擊能量(CVN)使得滿足以下條件：CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或以上。
可在本公開(kāi)的合金中提供Cr以賦予耐腐蝕性。可能需要約11.5％(按重量計(jì))或以上的Cr含量以提供足夠的耐腐蝕性。另一方面，過(guò)量的Cr可能會(huì)不利地(1)穩(wěn)定鐵素體相和/或(2)脆化相，諸如σ相。因此，根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含約11.5％至約12％的Cr含量。
可在本公開(kāi)的合金中提供Mn以改善加工淬透性。可能需要約0.8％(按重量計(jì))或以上的Mn含量以實(shí)現(xiàn)所需的工作硬化效果。另一方面，過(guò)量的Mn可能會(huì)不利地在加工不銹鋼期間離析。因此，根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含約0.8％至約1.5％的Mn含量。在某些其它實(shí)施方案中，不銹鋼的Mn含量按重量計(jì)可為約1.0％至約1.5％。在根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某些實(shí)施方案中，添加Mn與添加其它合金元素相結(jié)合可有利地影響加工淬透性以使得鋼達(dá)到約450HB或以上的硬度。
可在本公開(kāi)的合金中提供Ni以幫助穩(wěn)定雙相(馬氏體-鐵素體)合金的馬氏體相。可能需要按重量計(jì)約0.75％或以上的Ni含量以提供包括水平高于300不銹鋼的馬氏體的材料。無(wú)意受理論的約束，合金的鎳含量可通過(guò)在熱處理期間穩(wěn)定奧氏體形成，從而允許有更多的時(shí)間進(jìn)行碳擴(kuò)散來(lái)促進(jìn)合金的馬氏體相的硬度。另一方面，歸因于Ni的高成本，可能需要限制Ni含量。因此，根據(jù)本公開(kāi)的鋼的一些實(shí)施方案包括約0.75％至約1.5％(按重量計(jì))的Ni含量以提供具有成本效益的雙相不銹鋼，其具有高達(dá)約350HB的高硬度水平，同時(shí)還具有高于300不銹鋼的典型韌度的韌度。在另外的實(shí)施方案中，根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的Ni含量按重量計(jì)可為約1.0％至約1.5％。
在根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某些實(shí)施方案中，Si的水平可受到限制以(1)使雙相不銹鋼的鐵素體相不穩(wěn)定和/或(2)避免脆化相，諸如σ相。因此，根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含0％至不超過(guò)約0.5％的Si。
在根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某些實(shí)施方案中，Mo的水平可受到限制以(1)使雙相不銹鋼的鐵素體相不穩(wěn)定和/或(2)避免脆化相，諸如σ相。因此，根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含0％至不超過(guò)約0.2％的Mo。在根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些其它實(shí)施方案中，Mo濃度按重量計(jì)為0％至不超過(guò)約0.1％。
可在本公開(kāi)的雙相不銹鋼中提供B以改善馬氏體硬度。根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些實(shí)施方案按重量計(jì)包含0％至約0.0025％B。在鋼的某些實(shí)施方案中，B含量按重量計(jì)可為約0.002％至約0.0025％。
所公開(kāi)的合金中的附帶元素和雜質(zhì)可包括例如C、N、P和S中的一或多者。在根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的某一實(shí)施方案中，這些元素的總含量按重量計(jì)不超過(guò)0.1％。在某些實(shí)施方案中，C可按重量計(jì)以不超過(guò)0.025％的量存在于本文所公開(kāi)的鋼中。在某些實(shí)施方案中，S可按重量計(jì)以不超過(guò)0.01％的量存在于本文所公開(kāi)的鋼中。在某些實(shí)施方案中，N可按重量計(jì)以不超過(guò)0.03％的量存在于本文所公開(kāi)的鋼中。附帶水平的各種金屬元素也可存在于根據(jù)本公開(kāi)的合金的實(shí)施方案中。例如，根據(jù)本公開(kāi)的合金的某些非限制性實(shí)施方案按重量計(jì)可包括至多0.25％銅(Cu)。
根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計(jì)包含：約11.5％至約12％Cr；約1.0％至約1.5％Mn；約1.0％至約1.5％Ni；0％至約0.5％Si；0％至約0.1％Mo；0％至約0.0025％B；0％至約0.025％C；0％至約0.01％S；0％至約0.03％N、Fe和雜質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，該不銹鋼還包含P。在某些實(shí)施方案中，C、N、P和S的總濃度按重量計(jì)不大于約0.1％。在某些實(shí)施方案中，鋼中B的濃度按重量計(jì)為約0.002％至約0.0025％。在某些實(shí)施方案中，鋼按重量計(jì)包含不超過(guò)0.25％Cu。
根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計(jì)基本上由以下組成：約11.5％至約12％鉻；約0.8％至約1.5％錳；約0.75％至約1.5％鎳；0％至約0.5％硅；0％至約0.2％鉬；0％至約0.0025％硼；0％至約0.025％碳；0％至約0.01％硫；0％至約0.03％氮；任選地銅和磷中的至少一者；鐵；和雜質(zhì)。
根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計(jì)基本上由以下組成：約11.5％至約12％鉻；約1.0％至約1.5％錳；約1.0％至約1.5％鎳；0％至約0.5％硅；0％至約0.1％鉬；0％至約0.0025％硼；0％至約0.025％碳；0％至約0.01％硫；0％至約0.03％氮；任選地銅和磷中的至少一者；鐵；和雜質(zhì)。
根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計(jì)由以下組成：約11.5％至約12％鉻；約0.8％至約1.5％錳；約0.75％至約1.5％鎳；0％至約0.5％硅；0％至約0.2％鉬；0％至約0.0025％硼；0％至約0.025％碳；0％至約0.01％硫；0％至約0.03％氮；任選地銅和磷中的至少一者；鐵；和雜質(zhì)。
根據(jù)某些非限制性實(shí)施方案，根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼按重量計(jì)由以下組成：約11.5％至約12％鉻；約1.0％至約1.5％錳；約1.0％至約1.5％鎳；0％至約0.5％硅；0％至約0.1％鉬；0％至約0.0025％硼；0％至約0.025％碳；0％至約0.01％硫；0％至約0.03％氮；任選地銅和磷中的至少一者；鐵；和雜質(zhì)。
對(duì)于給定的鋼，硬度一般與韌度呈逆相關(guān)。在本公開(kāi)中，布氏硬度(HB)為硬度的主要量度，而在-40℃下的夏比V型缺口沖擊能量(CVN)為韌度的主要量度。參考圖1，對(duì)于根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些實(shí)施方案，鋼的CVN(ft-lb)+(0.4×HB)為約160或以上。在根據(jù)本公開(kāi)的鋼的某些實(shí)施方案中，硬度為約300HB或以上，且CVN為約50ft-lb或以上。在某些實(shí)施方案中，根據(jù)本公開(kāi)的鋼具有高達(dá)約450HB或以上硬度的服務(wù)中加工淬透性。
實(shí)施例
表1包括根據(jù)本公開(kāi)的雙相鐵素體-馬氏體不銹鋼的實(shí)施方案和常規(guī)ATI 412TM不銹鋼及常規(guī)300不銹鋼的組成和某些特性。將表1中所列的三種合金的熱塊熔融成重約15,000lb的板坯然后在約1950°F的溫度下軋制以產(chǎn)生約6mm厚的材料。在軋制過(guò)程后，在766℃或843℃下使鋼退火15分鐘，然后空氣冷卻。
測(cè)量表1中所列的實(shí)驗(yàn)鋼實(shí)施方案的機(jī)械特性，且與兩種所列的常規(guī)鋼的機(jī)械特性相比較。表1中示出三種合金的布氏硬度和在-40℃下的CVN(ft-lb)。根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials，ASTM)標(biāo)準(zhǔn)A370，在室溫下使用碳化鎢球壓頭對(duì)測(cè)得標(biāo)距長(zhǎng)度為約5cm且厚度為約0.5cm的樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)A370和E23，在約-40℃下對(duì)測(cè)得為約10mm×2.5mm的橫向樣品進(jìn)行夏比測(cè)試(Charpy test)。由于這些樣品按照ASTM-A370被視為小尺寸的，因此將所測(cè)得的沖擊能轉(zhuǎn)換成表1中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件值。
如表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，本公開(kāi)的實(shí)驗(yàn)鋼樣品相對(duì)于常規(guī)合金表現(xiàn)出極有利的硬度和韌度(CVN沖擊能)。這是特別意想不到且令人驚訝的。提供相當(dāng)?shù)挠捕群晚g度的商業(yè)合金通常為碳鋼，其不能經(jīng)受腐蝕環(huán)境。
在某些可能的非限制性實(shí)施方案中，根據(jù)本公開(kāi)的雙相不銹鋼系使用常規(guī)不銹鋼生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)制備，包括例如在電爐中熔融起始材料、經(jīng)由AOD脫碳以及鑄造成鑄錠。鑄錠可例如通過(guò)連續(xù)鑄造或鑄錠澆注來(lái)鑄造。在某些實(shí)施方案中，鑄造材料可經(jīng)熱處理(奧氏體化)或以軋制狀態(tài)出售。
表1
根據(jù)本公開(kāi)的合金的潛在用途眾多。如上文描述和證明的，本文所述的雙相不銹鋼能夠用于耐磨蝕性和/或耐磨損性較重要的許多應(yīng)用中。根據(jù)本公開(kāi)的鋼將尤其有利的制品包括例如用于油砂提取中的部件和設(shè)備以及用于糖加工中的部件和設(shè)備。根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的其它應(yīng)用將為普通技術(shù)人員顯而易知的。普通技術(shù)人員可使用常規(guī)制造技術(shù)由根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼容易地制造這些及其它制品。
盡管以上描述已必要地僅展現(xiàn)出有限數(shù)量的實(shí)施方案，但相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)已在本文中描述及說(shuō)明的合金和制品及實(shí)施例的其它細(xì)節(jié)作出多種改變，且所有這樣的修改將仍在如本文及所附權(quán)利要求中表述的本公開(kāi)的原理和范圍內(nèi)。例如，盡管本公開(kāi)已必要地僅展現(xiàn)出根據(jù)本公開(kāi)的不銹鋼的有限數(shù)量的實(shí)施方案，而且已必要地僅論述了有限數(shù)量的包括不銹鋼的制品，但是應(yīng)了解，本公開(kāi)和相關(guān)權(quán)利要求不受此限制。普通技術(shù)人員將容易地鑒別另外的鋼組成，且可沿著所述路線并在必要地有限數(shù)量的本文所論述的實(shí)施方案的精神內(nèi)產(chǎn)生其它制品。因此，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于本文所公開(kāi)或并入的特定實(shí)施方案，而旨在涵蓋處于如權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的原理和范圍內(nèi)的修改。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將了解的是，可在不脫離上述實(shí)施方案的寬泛發(fā)明概念的情況下對(duì)上述實(shí)施方案作出改變。