低鎳奧氏體不銹鋼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的各種實施方案提供了一種低鎳奧氏體不銹鋼合金組合物，包含約0.6wt％至約0.8wt％的碳；約16wt％至約18wt％的鉻；約4.5wt％至約5.5wt％的鎳；約2.0wt％至約5.0wt％的錳；約0.8wt％至約1.2％的鎢；約0.8wt％至約1.2wt％的鉬；約0.65wt％至約0.85wt％的鈮；約0.3wt％至約1.0wt％的硅；余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，其中，百分數(shù)基于所述組合物的總重量。本發(fā)明進一步提供了一種使用本發(fā)明的合金制備的制品，例如渦輪殼體。
【專利說明】低鎳奧氏體不銹鋼
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金組合物，其可用于制備用于需要高耐熱性的應用的制品。特別地，所述合金組合物是不銹鋼合金。
【背景技術(shù)】
[0002]不銹鋼最常見的是利用其耐腐蝕性能。然而，應用它們的另一個常見原因在于高溫應用，在高溫應用中，可能必須耐高溫氧化和/或可能需要具有高溫強度。不銹鋼的高鉻含量，不僅有益于耐潮濕腐蝕，而且也有益于高溫強度以及高溫耐氧化性。
[0003]不銹鋼包含至少10.5%的鉻，以形成穩(wěn)定的、透明的、鈍化的保護膜，該保護膜提高了耐腐蝕性。此外，這樣的鉻含量可以 在高溫下阻止氧化。在許多情況下，鎳也被添加到了不銹鋼的組成中，以促進穩(wěn)定的奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。奧氏體在較高的溫度下比鐵素體更強更穩(wěn)定。不銹鋼中可能發(fā)生的一個常見問題是在高溫應用中σ相的形成。形成該相的影響是該相可能會導致所述鋼脆性極強并且可能會因為脆性斷裂而失效。當鎳被添加到鉻不銹鋼中時，鋼的微觀結(jié)構(gòu)由鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。因此，鎳的加入可以抑制σ相的形成，并促進奧氏體的形成。此外，鎳還增強對氧化、碳化、氮化、熱疲勞以及強酸的抵抗能力。
[0004]鎳是一種昂貴的原材料，并且價格波動很大，而且價格波動日益劇烈。鎳的昂貴成本直接影響了生產(chǎn)該級別不銹鋼的費用。因此，為了用其它合金元素如碳、錳、氮和銅替代鎳付出了眾多努力。這些元素的成本低于鎳并且仍然可以促進奧氏體的形成。
[0005]因此，生產(chǎn)一種用于下述應用的替代合金是有益的，所述應用需要使用能夠承受高溫并促進所需微觀結(jié)構(gòu)形成，同時還能盡量減少鎳的量以保持低的更容易預測的成本的不銹鋼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的各種實施方案提供了可用于制備具有高性能，特別是高強度和耐熱性，的制品的合金組合物。各實施方案的合金的特別益處在于它們可以使用比目前已知的耐熱不銹鋼的成本更低的材料來制備。例如，本文公開的各種本發(fā)明的合金是含有特定元素組成的耐熱不銹鋼合金，所述特定元素組成被設計為既保持了作為耐熱材料的優(yōu)選性能又僅需較低的制造成本。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的合金的各種實施方案可用于制備任何金屬制品，但它們特別適合用于制備具有高性能規(guī)格，特別是強度和耐熱性，的材料。特別受益于本發(fā)明的合金的一個領域是渦輪部件的制造，例如渦輪殼體和排氣歧管。
[0008]在具體實施方案中，本發(fā)明涉及一種不銹鋼合金組合物。在本發(fā)明具體的實施方案中，所述合金組合物中僅有一些特定的元素需要以特定的量存在，以便于使合金組合物可用于制備具有如本文所述的理想物理性能的制品。例如，在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的合金組合物包含:約0.6wt%至約0.8wt%的碳；約16wt%至約18wt%的鉻；約4.5wt%至約5.5wt%的鎳；約2.0wt%至約5.0wt %的猛；約0.8wt%至約1.2%的鶴；約0.8wt%至約1.2wt%的鑰；約0.65wt%至約0.85wt%的銀；約0.3wt%至約1.0wt %的娃；余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，其中百分比基于所述合金組合物的總重。
[0009]在其它實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的合金組合物包含:約0.6wt%至約0.75被％的碳；約16wt%至約18wt%的鉻；約4.5wt%至約5.5wt%的鎳；約2.0wt %至約4.5wt%的猛；約0.8wt%至約1.2%的鶴；約0.8wt%至約1.2wt%的鑰；約0.65wt%至約0.85wt%的鈮；約0.3wt%至約1.0wt%的硅；余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，其中百分比基于所述合金組合物的總重。
[0010]根據(jù)進一步的實施方案，本發(fā)明的合金可以包含一種或多種任選的痕量元素。例如，在一個實施方案中，除了上述的元素，所述合金可以包含以下一種或多種:最多約
0.15wt%的氮；最多約0.005wt%的硼；最多約0.03wt%的磷；和最多約0.03wt%的硫,基于所述組合物的總重量。
[0011]在各種實施方案中，由所述合金組合物形成的合金具有奧氏體結(jié)構(gòu)，所述奧氏體結(jié)構(gòu)含有鉻碳化物。進一步地，在各種實施方案中，該合金具有含有MC和/或M7C3碳化物的奧氏體結(jié)構(gòu)。更進一步地，在具體實施方案中，該合金具有含有M23C6碳化物的奧氏體結(jié)構(gòu)，所述M23C6碳化物是在長時間熱浸過程中形成的。
[0012]根據(jù)各種實施方案，本文所述的合金組合物可用于制備各種制品。例如，該合金組合物可用于制備通常由奧氏體不銹鋼制備的任何制品。本發(fā)明的合金的各種實施方案特別可用于制備應用于那些需要承受高的熱-機械負荷的能力的應用的制品。例如，在一個實施方案中，所述合金的各種實施方案用來形成渦輪殼體或渦輪歧管。
[0013]如前面所指出的，必須承受高的熱-機械負荷的制品，如渦輪殼體，必須能夠滿足某些特定物理和機械要求。根據(jù)本發(fā)明的各實施方案的制品的特別好處在于所述制品能夠滿足嚴苛的物理和機械要求。例如，在一個實施方案中，本發(fā)明提供的制品具有在室溫下至少465MPa的極限拉伸強度，至少370MPa的屈服強度(安全限應力)，和至少2%的伸長率中的至少一種，所述性能根據(jù)ASTM ES測量。另外，在一個實施方案中，本發(fā)明提供了一種在室溫下具有根據(jù)EN IS06506-1:2005測量的170-260BHM的硬度的制品，
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 上面對本發(fā)明進行了概述，下面將參考附圖進行描述，附圖不一定按比例繪制，其中:
[0015]圖1為符合根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的合金組合物的材料的微觀結(jié)構(gòu)。
[0016]圖2是渦輪增壓器的圖示，部件20為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的渦輪殼體。
[0017]圖3是一個圖表，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的各實施方案的新合金的極限拉伸強度與商業(yè)上已知的耐熱鋼的對比。
[0018]圖4是一個圖表，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的各實施方案的新合金的屈服強度(安全限應力)與商業(yè)上已知的耐熱鋼的對比。
[0019]圖5是一個圖表，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的各實施方案的新合金的伸長率與商業(yè)上已知的耐熱鋼的對比。
具體實施方案[0020]現(xiàn)在將參照下文提供的本發(fā)明具體實施方案，特別是各個附圖對本發(fā)明進行更加充分的說明。實際上，本發(fā)明可體現(xiàn)為多種不同形式，不應被局限為本文所提出的實施方案；提供這些實施方案只是為了使本公開能滿足相應的法律要求。在本說明書和所附的權(quán)利要求中出現(xiàn)的，單數(shù)形式“一個”(“a”，“an”)，“該”(“the”)包括復數(shù)個對象，除非上下文另有明確規(guī)定。
[0021]本發(fā)明涉及一種耐熱不銹鋼合金。因此，該合金組合物包含鐵作為主要合金元素(或合金組分)。通常，作為主要合金元素，鐵的存在量大于合金中的任何其它單一元素的存在量。在一個優(yōu)選的實施方案中，鐵的存在量大于其余的合金元素的總和。也就是說，含有的鐵大于合金組合物的50wt%，基于所述組合物的總重量。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的進一步實施方案，該合金組合物可從下述角度進行描述:包括一組特定量的特定的合金元素。在這些實施方案中，合金中存在的鐵的量被稱為構(gòu)成所述合金余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)。當以這樣的術(shù)語描述時，應當理解，余量為鐵意味著鐵的實際含量(重量百分比，基于合金的總重)可以通過獲得其余元素的含量的總和，然后用100減去該總和得到，余量(remainder)代表合金中鐵的含量(即，剩余量(the balance))。
[0023]本發(fā)明的各種實施方案的合金組合物特別是特征在于:本發(fā)明提供的合金組合物可用于制備這樣的制品:這些制品滿足或超過了高應力、高熱應用所必須的機械和物理要求，而且，所述合金組合物的元 素組成使得合金能夠以相比于商業(yè)上已知的耐熱不銹鋼更低的成本來制備。例如，在某些實施方案中，本發(fā)明的合金組合物達到了與通常用于高應力、高熱應用的1.4848耐熱鋼類似的機械和物理要求，但是所包含的鎳量卻低于1.4848耐熱鋼，1.4848耐熱鋼的鎳量通常為19.0wt% -21.0wt%。本發(fā)明各實施方案的合金中降低的鎳量相比于1.4848鋼種降低了制造合金的成本。另外，在優(yōu)選的實施方案中，可以在與
1.4848鋼種相比不給合金的物理性能帶來不利影響的情況下實現(xiàn)該降低的鎳含量。
[0024]在具體實施方案中，所述合金組合物包含約0.6wt%至約0.8wt%的碳，基于所述合金組合物的總重量。在優(yōu)選的實施方案中，碳的含量為約0.6wt%的至約0.75wt%。另外，在具體實施方案中，所述合金組合物包含約2.0wt%至約5.0wt%的猛,基于所述合金組合物的總重量。在優(yōu)選的實施方案中，猛的含量為約2.0wt%至約4.5wt%。在所述合金組合物的各種實施方案中，所述含量的碳和錳被用于替代鎳。
[0025]如前所述，通常加入鎳以幫助將材料的基體結(jié)構(gòu)奧氏體化。比如，300系列不銹鋼通常具有約8.0wt %到15.0wt %的鎳。然而，在各種實施方案中，相比于典型的耐熱不銹鋼，當碳和錳的含量增加時，只需較少的鎳來保持奧氏體結(jié)構(gòu)。因此，在具體實施方案中，所述合金組合物包含的鎳量為約4.5wt%至約5.5wt%,基于所述合金組合物的總重量。
[0026]在各種實施方案中，加入所述碳和錳含量以促進所述材料的最佳相組成。例如，與用于汽油渦輪殼體的市售材料相比，所述合金組合物的各種實施方案具有更優(yōu)異的相組成。例如，在具體實施方案中，微觀結(jié)構(gòu)包括在奧氏體基體中的枝晶間共晶鉻碳化物，如圖1所示的微觀結(jié)構(gòu)。此外，在具體實施方案中，長時間暴露于高溫后，主要相中的微觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。例如，對一個具體的合金組合物進行靜態(tài)熱浸試驗，在950°C的爐內(nèi)經(jīng)歷275小時后，微觀結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)歷新相，并且經(jīng)測量氧化水平與成熟的高鎳材料如D5S的相當。
[0027]除了碳、錳、鎳和鐵，本發(fā)明的各種實施方案的合金組合物可以含有一種或多種能夠給所述合金組合物帶來有益性能的其它合金元素。本文描述了可用在某些優(yōu)選實施方案中的元素。然而，包含某些其它元素和/或不含某些其它元素的都不意在限制本發(fā)明的范圍。事實上，本文所描述的其它元素只是優(yōu)選的，并且在不脫離本發(fā)明的情況下，被視為有益的其它元素可被加入到所述合金中。包含的其它元素的量是基于組合物的總重量。
[0028]在具體實施方案中，所述合金組合物包含約16wt%至約18wt%的鉻,基于所述合金組合物的總重量。鉻可以有助于在奧氏體基體中析出碳化物，從而通過所述基體的析出強化來提高高溫屈服強度。此外，如前面所討論的，鉻可促進在表面附近形成鉻氧化物的致密的鈍化膜，從而改善耐氧化性。
[0029]另外，在具體實施方案中，該合金組合物包含約0.8?〖％至約1.2wt%的鑰，基于所述合金組合物的總重量。此外，在具體實施方案中，該合金組合物包含約0.8wt%至約
1.2wt%的鎢，基于所述合金組合物的總重量。類似于鉻，這些元素可有助于在奧氏體基體中析出碳化物，并可通過在可能使用合金的整個溫度范圍內(nèi)的析出強化來提高高溫屈服強度(安全限應力)。此外，鑰可提高耐點蝕和縫隙腐蝕性能。
[0030]在具體實施方案中，所述合金組合物包含約0.65wt%至約0.85wt%的銀,基于所述合金組合物的總重量。添加鈮可提高高溫蠕變強度。另外，在具體實施方案中，該合金組合物包含約0.3wt%至約1.0wt%的娃,基于所述合金組合物的總重量。添加娃可以提高燒鑄流動性和改進可澆鑄性。另外，硅還可以提高耐氧化性，特別是在加入了揮發(fā)性的氧化物(例如鎢和/或鈮)來提高高溫強度的情況下。
[0031]在一些實施方案中，除了上述元素，本發(fā)明的合金組合物可包含一種或多種以痕量存在的元素，并且這樣的元素可以被稱為痕量元素。本文所使用的術(shù)語“痕量元素”是指本發(fā)明的合金組合物中存在的任何沒有最低含量要求的元素。因此，痕量元素可以完全不存在于合金組合物中。存在于合金組合物中的痕量元素可以是制備所述合金的工藝所帶來的結(jié)果，或者是故意加入到合金組合物中的，雖然含量很小。如果合金組合物中包含一種或多種痕量元素，優(yōu)選以小于或等于某一最大含量的形式存在。
[0032]例如，在具體實施方案中，該合金組合物包含最多約0.15wt%的氮，基于所述合金組合物的總重量。氮可以提高耐點蝕性能和延緩σ相形成的動力學。在特定實例中，可在熔煉工藝過程中通過加入原材料(如含有氮的錳鐵)來引入氮。氮的添加可促進奧氏體的形成，以及MC型碳化物的形成。這種碳化物有助于在高溫下強化晶界，并且改善高溫動態(tài)性能，例如蠕變，應力斷裂和疲勞。
[0033]另外，在具體實施方案中，合金組合物可以包含最多約0.005wt%的硼，最多約
0.03￥丨％磷(重量)，以及最多約0.03wt%的硫?；谒龊辖鸾M合物的總重量。這些添加物可以為所述材料提供其它有益的性能，例如，硫可以改善材料的可加工性。
[0034]另外，在某些實施方案中，痕量元素可以是雜質(zhì)。如合金化過程中常見的，特別是在制備合金中使用了較低成本的材料時，各種雜質(zhì)被引入到合金組合物中是常見的。相應地，所述合金組合物中存在的任何非必需作為合金元素的元素可以被認為是雜質(zhì)。例如，本發(fā)明的合金組合物中以痕量存在的元素包括，但不局限于，鈣和鈉。單個雜質(zhì)的量優(yōu)選不超過約0.1%。在優(yōu)選的實施方案中，所有雜質(zhì)的總含量低于約Iwt優(yōu)選低于約0.5wt%,低于約0.4wt%,或低于0.3wt% ο
[0035] 在某些實施方案中，通過使用特定量的這些元素，實現(xiàn)了本發(fā)明合金的優(yōu)點，特別是與降低合金整體成本的同時保持合金的整體強度相關(guān)的優(yōu)點。在具體實施方案中，所述合金組合物包含約0.6wt%至約0.8wt%的碳，約2.0wt %至約5.0wt %的猛,約4.5wt%至約5.5wt%的鎳，以及約16wt%至約18wt%的鉻，所有百分百均為重量百分比且基于整個合金組合物的總重量。在本發(fā)明的其它實施方案中，本發(fā)明的合金組合物具有一個具體限定的組成是有益的。例如，在具體實施方案中，本發(fā)明涉及表2和3所示的合金組合物。
[0036]表2:
【權(quán)利要求】
1.一種合金組合物，包含: 約0.6wt%至約0.8wt%的碳； 約16wt%至約18wt%的絡； 約4.5wt%至約5.5wt%的鎳； 約2.0wt %至約5.0wt %的猛； 約0.8wt%至約1.2wt%的鎢； 約0.8wt%至約1.2wt%的鑰； 約0.65wt%至約0.85wt%的銀； 約0.3wt%至約1.0wt%的娃； 余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，其中，百分數(shù)基于所述組合物的總重量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金組合物，還包含一種或多種痕量元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的合金組合物，其中所述一種或多種痕量元素包括以下的一種或多種:
最多約0.15wt%的氮； 最多約0.005wt%的硼； 最多約0.03wt%的磷；和 最多約0.03wt%的硫； 基于所述組合物的總重量。
4.一種包含權(quán)利要求1所述的合金組合物的合金，其中所述合金包含含有MC或M7C3碳化物中的至少一種的奧氏體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的合金，還包含含有在長期熱浸過程中形成的M23C6碳化物的奧氏體結(jié)構(gòu)。
6.一種渦輪殼體或渦輪歧管，由包含權(quán)利要求1所述的合金組合物的合金形成。
7.如權(quán)利要求6所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少465MPa的極限抗拉強度，其根據(jù)ASTM E8測定。
8.如權(quán)利要求6所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少370MPa的屈服強度(安全限應力)，其根據(jù)ASTM E8測定。
9.如權(quán)利要求6所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少2%的伸長率，其根據(jù)ASTM E8測定。
10.如權(quán)利要求9所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪殼體或渦輪歧管在室溫下的硬度為170-260BHN，其中所述硬度根據(jù)EN IS06506-1:2005測定。
11.一種合金組合物，包含: 約0.6wt%至約0.75wt%的碳； 約16wt%至約18wt%的絡； 約4.5wt%至約5.5wt%的鎳； 約2.0wt %至約4.5wt%的猛； 約0.8wt%至約1.2wt%的鎢； 約0.8wt%至約1.2wt%的鑰； 約0.65wt%至約0.85wt%的銀；約0.3wt%至約1.0wt%的娃； 余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，其中，百分數(shù)基于所述組合物的總重量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的合金組合物，還包含一種或多種痕量元素。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的合金組合物，其中所述一種或多種痕量元素包括以下的一種或多種: 最多約0.15wt%的氮； 最多約0.005wt%的硼； 最多約0.03wt%的磷；和 最多約0.03wt%的硫； 基于所述組合物的總重量。
14.一種包含權(quán)利要求 13所述的合金組合物的合金，其中所述合金包含含有MC或M7C3碳化物中的至少一種的奧氏體結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的合金，還包含含有在長期熱浸過程中形成的M23C6碳化物的奧氏體結(jié)構(gòu)。
16.一種渦輪殼體或渦輪歧管，由包含權(quán)利要求11所述的合金組合物的合金形成。
17.如權(quán)利要求16所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少465MPa的極限抗拉強度，其根據(jù)ASTM E8測定。
18.如權(quán)利要求16所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少370MPa的屈服強度(安全限應力)，其根據(jù)ASTME8測定。
19.如權(quán)利要求16所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪機殼體或渦輪歧管在室溫下具有至少2%的伸長率，其根據(jù)ASTM E8測定。
20.如權(quán)利要求16所述的渦輪殼體或渦輪歧管，其中，所述渦輪殼體或渦輪歧管在室溫下的硬度為170-260BHN，其中所述硬度根據(jù)EN IS06506-1:2005測定。
【文檔編號】C22C38/58GK103958718SQ201280053987
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月1日
【發(fā)明者】朱守星, 徐麗, B·南達戈帕 申請人:霍尼韋爾國際公司