超级奥氏体材料的制作方法

1.本发明涉及一种超级奥氏体材料及其制造方法。


背景技术：

2.这种材料可以用于例如化工厂建设、油田或气田技术中。
3.然而，这种材料的一个要求是它们必须抗腐蚀，特别是抗在氯化物浓度高的介质中的腐蚀。
4.这种材料可以例如从cn 107876562 a、cn 104195446 a或de 43 42 188中知晓。
5.ep 1 069 202 a1公开了一种具有高屈服强度、高强度和韧性的顺磁耐腐蚀奥氏体钢，其应耐腐蚀，特别是在具有氯化物浓度高的介质中；该钢应含有0.6wt％至1.4wt％的氮、17wt％至24wt％的铬，以及锰和氮。
6.wo 02/02837 a1公开了一种用于油田技术中在高氯化物浓度的介质中使用的耐腐蚀材料。在这种情况下，它是铬
‑
镍
‑
钼超级奥氏体，其具有相对较低的氮浓度，但具有非常高的铬浓度和非常高的镍浓度。
7.与前面提到的铬
‑
锰
‑
氮钢相比，这些铬
‑
镍
‑
钼钢通常具有更好的腐蚀行为。
8.总的来说，铬
‑
锰
‑
氮钢构成了一种相当便宜的合金成分，但它提供了强度、韧性和耐腐蚀性的优异组合。上述铬
‑
镍
‑
钼钢的耐腐蚀性能明显高于铬
‑
锰
‑
氮钢，但由于镍含量非常高，因此成本也高得多。
9.耐腐蚀性的特征值包括所谓的pren
16
值；也习惯上通过marc来定义所谓的点蚀当量数；超级奥氏体被确定为具有α>42的pren
16
，其中pren＝％cr 3.3x％mo 16x％n。
10.用于描述此类钢的耐点蚀的已知marc公式如下：marc＝％cr 3.3x％mo 20x％n 20x％c
–
0.25x％ni
–
0.5x％mn。
11.类似的钢种也可用作潜艇的造船钢；在这种情况下，这些是铬
‑
镍
‑
锰
‑
氮钢，它们也与铌合金化以稳定碳，但这会降低缺口杆的韧性。基本上，这些钢几乎不含锰，因此具有相对较好的耐腐蚀性，但它们还没有达到钻铤等级的强度。
12.为实现高耐腐蚀性，已知的常见超级奥氏体的钼浓度>4％。但是钼会增加偏析可能性，从而增加对沉淀的敏感性(特别是sigma相或chi相)，这会导致这些合金需要均质化退火，并且钼含量高于6％时，需要重熔减少偏析。


技术实现要素：

13.本发明的目的是制造一种超级奥氏体、高强度和坚韧的材料，该材料可以以相对简单和廉价的方式生产。
14.所述目的是通过具有权利要求1的特征的材料来实现的。在从属权利要求中公开了有利的改进。
15.本发明的另一个目的是创造一种制造该材料的方法。
16.所述目的是通过权利要求18的特征来实现的。在引用独立权利要求的从属权利要
求中公开了有利的改进。
17.当下文给出百分比值时，它们总是以wt％(重量百分比)表示。
18.根据本发明，所述材料旨在用于测量设备行业，特别是制表行业，特别是用于高灵敏度测量设备和用于螺杆承载轴驱动器、泵、软管、电线、化工厂建设和海水净化厂，即使在可选的冷成型后也应具有完全奥氏体结构；应变硬化后，屈服强度应为r
p0.2
>1000mpa。
19.根据本发明的合金尤其包含以下元素：
[0020][0021]
利用这种合金，不同已知钢种的积极性能以协同和惊人的方式结合在一起。。
[0022]
基本上，根据本发明的钢应该以无沉淀状态存在，因为沉淀对韧性和耐腐蚀性有负面影响。
[0023]
铸块经过热成型步骤后，屈服强度为r
p0.2
>450mpa，并且很容易达到>500mpa的值；在20℃下的缺口杆冲击功大于350j，甚至可以达到440j的值。
[0024]
在应变硬化后，屈服强度可靠地为r
p0.2
>1000mpa，经验表明实现了高达1100mpa的值；在应变硬化之后，在20℃下的缺口杆冲击功可靠地大于80j并且经验表明实现了200j的值。
[0025]
缺口杆冲击功是根据din en iso 148
‑
1确定的。
[0026]
这种强度和韧性的优异结合以前是无法实现的，也不是预期中的，而是通过根据本发明产生这种协同效应的特殊合金状态实现的。
[0027]
根据本发明，可以实现大于100000mpa j，优选>200000mpa j，特别优选>300000mpa j的抗拉强度rm乘以缺口杆韧性kv的乘积值。
[0028]
使用根据本发明的合金，特别令人惊讶的是可以建立非常高的氮值，这对强度来说是非常好的；这些氮值令人惊讶地高于我们从技术文献中尽可能找出的值。根据经验方法，根据本发明的合金的高氮浓度是根本不可能实现的。
[0029]
下面详细描述各元素以及适当的其他合金组分。所有与合金成分有关的指标均以重量百分比(wt％)表示。各个合金元素的上限和下限可以在权利要求的范围内自由组合。
[0030]
碳可以以高达0.25％的浓度存在于根据本发明的钢合金中。碳是一种奥氏体促进剂，并且在高机械特性值方面具有有益效果。为了避免碳化物沉淀，碳含量应设定在0.01
‑
0.20wt％之间，优选0.01
‑
0.10wt％之间。
[0031]
硅以高达0.5wt％的浓度提供，主要用于对钢进行脱氧。所述指定的上限可靠地避免了金属间相的形成。由于硅也是铁氧体促进剂，因此在这点上也是在安全范围内选择上限。特别地，可以以0.1
‑
0.3wt％的浓度提供硅。
[0032]
锰的浓度为3
‑
8wt％。与根据现有技术的材料相比，这是极低的值。到目前为止，已经假定高氮溶解度需要大于19wt％，优选大于20wt％的锰浓度。使用本合金，令人惊讶地发现，即使使用根据本发明的低锰浓度，也能实现大于根据专家普遍共识可能达到的氮溶解度。此外，到目前为止，已经假定良好的耐腐蚀性伴随着非常高的锰浓度，但是根据本发明，其结果表明，由于无法解释的协同效应，上述假定对于本合金显然是不必要的。锰的下限可以选择为3.0％、3.5％、4.0％、4.5％或5.0％。锰的上限可以选择为6.0％、6.5％、7.0％、7.5％或8.0％。
[0033]
在17wt％或更高的浓度下，铬对于更高的耐腐蚀性是必要的。根据本发明，需要至少23％且至多30％的铬浓度。到目前为止，由于铬是铁氧体稳定元素之一，因此假设浓度高于24wt％会对磁导率产生不利影响。相比之下，在根据本发明的合金中，已经确定即使在高于23％的非常高的铬浓度下也不会对本合金的磁导率产生负面影响，而是如上已知的以最佳方式影响耐点蚀性和应力裂纹腐蚀性。铬的下限可以选择为23％、24％、25％或26％。铬的上限可以选择为28％、29％或30％。
[0034]
钼是一种通常对耐腐蚀性有显著贡献的元素，特别是对耐点蚀性有显著贡献；镍的作用加强了钼的作用。根据本发明，添加2.0wt％至4wt％的钼。钼的下限可选择为2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％或2.5％。钼的上限可选择为3.5％、3.6％、3.7％、3.8％、3.9％或4.0％。较高浓度的钼使得esr处理绝对必要，以防止发生偏析。重熔程序非常复杂且昂贵。为此，根据本发明要避免pesr或esr路线。
[0035]
根据本发明，钨的浓度小于0.5％并且有助于提高耐腐蚀性。钨的上限可以选择为0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或低于检测限(即没有任何有意添加到合金中的含量)。
[0036]
根据本发明，镍的浓度为10％至16％，这在含有氯化物的介质中实现了高应力裂纹耐腐蚀性。镍的下限可以选择为10％、11％、12％或13％。镍的上限可以选择为15％、15.5％或16％。
[0037]
尽管根据文献，在合金中添加铜有利于提高在硫酸中的耐受性，但事实证明，根据本发明，当>0.5％的值时，铜会增加氮化铬的沉淀趋势，从而对耐腐蚀性能产生负面影响。根据本发明，铜的上限设定为<0.5％，优选小于0.15％，最优选低于检测限。
[0038]
钴可以以高达5wt％的浓度存在，特别是为了代替镍。钴的上限可以选择为5％、3％、1％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或低于检测限(即没有任何有意添加到合金中的含量)。
[0039]
所包含的氮浓度为0.50wt％至0.90wt％，以确保高强度。氮也有助于耐腐蚀性，并且是一种强大的奥氏体促进剂，这就是为什么其浓度大于0.50wt％，特别是大于0.52wt％是有益的。为了避免含氮沉淀，特别是氮化铬，氮的上限设定为0.90wt％；事实证明，尽管锰含量非常低，但与已知合金相比，可以实现合金中的这些高氮浓度。一方面由于良好的氮溶解度，由较高氮浓度(尤其是高于0.90％的氮浓度)导致的缺点，作为pesr路线的一部分的由压力引起的氮含量增加，实际上已不是问题。由于根据本发明的通过铬和氮补偿的低钼含量，该路线也是不必要的。如果氮与碳的比大于15，则特别有利。氮的下限可选择为0.50％、0.52％、0.54％、0.60％或0.65％。氮的上限可以选择为0.80％、0.85％或0.90％。
[0040]
根据一般现有技术(v.g.gavriljuk和h.berns的“high nitrogen steels(高氮钢)”，第264页，1999)，像现在这样在大气压下熔化的crnimn(mo)奥氏体钢达到0.2％到0.5％的氮浓度。只有铬
‑
锰
‑
钼奥氏体能达到0.5％到1％的氮浓度。
[0041]
根据本发明，实现非常高的氮浓度并且不需要压力引起的氮含量增加是有利的。
[0042]
此外，可以包含硼、铝和硫作为附加的合金成分，但它们只是可选的。本发明钢合金不一定含有合金成分钒和钛。尽管这些元素确实能对氮的溶解度作出积极贡献，但是即使在它们不存在的情况下也可以提供根据本发明的高氮溶解度。
[0043]
根据本发明的合金不应含有铌，因为它会形成沉淀，这会降低韧性。从历史上看，铌仅用于键合到碳，这不是根据本发明的合金所必需的。高达0.1％的铌的浓度仍然可以容忍，但不应超过不可避免的杂质的浓度。
附图说明
[0044]
以下将基于附图以示例的方式阐述本发明。在附图中：
[0045]
图1：合金元素表；
[0046]
图2：示出了生产路线及其替代方案的示意图；
[0047]
图3是根据本发明的概念内的三种不同合金的表格，以及氮含量的所得实际值与根据流行学派的这种合金的理论氮溶解度相比较的表格。
[0048]
图4：示出了图3中提到的示例的机械性能；
[0049]
图5：示出了根据本发明的合金及其使用领域。
具体实施方式
[0050]
将各组分在大气条件下熔化，然后进行二次冶金处理。然后，铸造块，然后立即热锻。在本发明的上下文中，“之后立即”表示不进行额外的重熔过程，例如电渣重熔(esr)或压力电渣重熔(pesr)。
[0051]
根据本发明，如果适用以下关系是有利的：
[0052]
marc
opt
:40<wt％cr 3.3x wt％mo 20x wt％c 20x wt％n
–
0.5x wt％mn
[0053]
优化marc公式实现以下效果，即已经发现，镍的其他惯用扣除不适用于根据本发明的系统并且40的极限值是必要的。
[0054]
然后根据需要进行冷成型步骤，其中发生应变硬化，然后是机械加工，特别是可以是车削、铣削或磨削。
[0055]
图2示出了用于生产根据本发明的合金组合物的可能加工路线的示例。下面将通过示例的方式描述一种可能的路线。在真空感应熔炼装置(vid)中，熔融金属同时进行熔化和二次冶金处理。然后将熔融金属倒入铸锭模具中，并在其中凝固成块。然后在多个步骤中热成型。例如，它们在旋锻机中进行预锻，然后在多线轧机中制成最终尺寸。根据要求，还可以进行热处理步骤。
[0056]
为了进一步提高强度，还可以借助拉丝进行冷成型步骤。
[0057]
根据本发明的超奥氏体材料不仅可以通过所描述的生产路线(特别是图2所示)来生产，根据本发明的合金的有利性能也可以通过使用粉末冶金的生产路线来实现。
[0058]
图3示出了根据本发明的合金组合物内的三种不同变型，它们具有分别测量的氮值，这些变型是用与根据本发明的合金相关的根据本发明的方法生产的。这些非常高的氮浓度与在右列中显示的根据来自“on restricting aspects in the production of non
‑
magnetic cr
‑
mn
‑
n
‑
alloy steels,saller,2005”的stein、satir、kowandar和medovar的氮溶解度形成对比。在medovar中，指示了不同的温度。然而，很明显，所述的高氮值远远超过了理论预期值。
[0059]
在图4中，图3中的三种合金是使用根据本发明的方法生产的并且已经经历了应变硬化。
[0060]
在这种应变硬化之后，在所有三种材料中，r
p0.2
约为1000mpa，并且每种材料的抗拉强度rm都在1100mpa和1250mpa之间。此外，缺口杆的冲击功在270j到甚至大于300j(合金c
–
329.5j)的出色范围内。
[0061]
因此，可以实现强度和韧性的出色结合；在所有三个示例中，rm*kv的乘积均大于300000mpa j。
[0062]
这甚至更令人惊讶，因为对于根据本发明的合金，所采用的路线实际上不能证明高氮溶解度的预期是合理的，特别是因为对氮溶解度具有非常积极影响的锰含量与已知的相应合金相比急剧降低。
[0063]
因此，本发明的优点在于，已生产出具有提高的耐腐蚀性和低镍含量的奥氏体高强度材料，其同时表现出高强度和顺磁性行为。即使在冷成型后，仍存在完全奥氏体结构，因此可以成功地将廉价的crmnni钢的积极性能与crnimo钢的技术优异的技术性能成功结合起来。
[0064]
本发明的一个特殊特征在于，由于氮含量高，应变硬化速率高于其他超级奥氏体，从而能够达到2500mpa的抗拉强度(r
m
)。因此，作为最后的生产步骤，可以借助拉丝或其他冷成型工艺，优选具有高变形率的工艺，实现高应变硬化。
[0065]
根据本发明的材料的典型应用领域是造船，特别是潜艇建造、化工厂建造、海水净化厂、造纸工业、螺钉和螺栓、柔性管、通常的电线、完井工具、弹簧、阀门、脐带缆、轴驱动和泵。在这方面，可以根据使用领域对合金进行轻微调整，如图5所示。
[0066]
特别是在诸如螺钉和螺栓、软管、电线、脐带缆等需要非常高强度的应用中，如上所述，可以通过冷变形进一步增加强度。