高铬-氮轴承可铸合金制造技术

本发明专利技术关于抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承合金，其包含下列组成（重量％）：２８至４８的铬，０．０１至０．７的氮，０．５至３０的锰，０．０１至５的硼，０．３至２．５的碳，至多０．０１至２５的镍加钴，至多０．０１至５的硅，至多０．０１至８的铜，至多０．０１至６的钼，至多各为２％的选自锆、钒、铈、钛、钨、铌、铝、钙及稀土元素中的元素，其余基本上为铁与其他微量元素或不可避免的杂质。该合金具有在奥氏体基体中包含亚共晶、共晶、铬的碳化物、硼化物与氮化物的显微结构，其中该基材具有饱和氮且无二次碳化物与氮化物。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般而言是关于合金技术，并且更具体地是关于具有高抗腐蚀性的高铬氮轴承合金。本专利技术亦关于高铬-氮轴承可铸合金、高含量铬-氮合金与生产该高铬-氮轴承合金的方法，以及由其所制备的物件。本专利技术还关于抗腐蚀性的高铬-氮轴承奥氏体合金，其在高温下也具有极好的强度，并适于作为在工作时暴露在极高温与腐蚀性环境中的锅炉、化学厂反应器及其他设备的材料。本专利技术也关于耐热性的高铬氮轴承奥氏体合金，其在高温腐蚀性的环境中具有高强度与优良的抗腐蚀性。本专利技术也提及制造金属铸造材料的问题，该金属铸造材料的耐磨性约相当于普通工业用类型的白铁，而其另外的特征为在腐蚀性介质中的高度抗腐蚀性。除了高抗腐蚀性与耐磨性以外，根据本专利技术的合金材料具有良好的铸造特性。总之，其可在通常的高级钢铁厂中制造。再者，该铸造材料具有良好的加工特性。此外，上述的正面特性主要为28至48重量％的铬含量、0.3至2.5重量％的碳含量及0.01至0.7重量％的氮含量，这将形成足够高体积比例的碳化物与氮化物。大幅增加铬含量可减少基材的铬贫化。在抗腐蚀性与耐磨性的组合方面，根据本专利技术的材料毫无疑问地优于先前使用在水力研磨应用中的已知类型的铸件。本专利技术也关于抗腐蚀性且耐广范围酸强度的酸(诸如硫酸与磷酸)的可空气熔炼、可铸造且可加工的合金。
技术介绍
用于高腐蚀性环境的设备通常由诸如不锈钢的金属合金或其他高合金所构成。这些合金必须能耐受极具腐蚀效果的环境，在这些环境中的设备会遇到诸如浓硫酸或浓磷酸等化学品。在制造磷酸盐肥料时会遇到特别困难的环境。在以热浓硫酸溶解磷酸盐岩石时，该设备必须能耐温度高达约100℃的环境。所生产的不纯磷酸可能极具腐蚀性并含有一些残留硫酸。腐蚀效果通常因磷酸中的其他杂质而增加，特别是经常存在于过程所使用的磷酸盐岩石原料中的诸如氯化物与氟化物的卤素离子。在粗磷酸的浓缩中会遇到极具腐蚀性的环境。在世界各地的磷酸盐岩石矿床的化学组成方面变化很大。在处理含有高卤素含量(诸如氯化物或氟化物)的磷酸盐岩石矿层中通常会遇到最严重的腐蚀环境。增加铬含量对于提高钢材抗腐蚀性的效果也是众所熟知的。从1930年代起，已知包含23-40％铬、0.8-2％碳、2.5％硅及至多5％钼的高铬合金。详见如德国专利7001807。美国专利5,252,149代表该合金的现代化，接着还有德国专利86 12 044及44 17 261。应注意地是二个专利中的合金皆具有高耐磨性与高抗腐蚀性。然而，二者都具有不良的机械性质，特别是低韧性、脆性、对热的敏感性及对缺口的敏感性，这些性质都限制其使用性。已证实其结构含有铁素体(Feα)。这些合金中的铁素体结构本质上极脆，且埋入该脆性相中的碳化物相造成极低的韧性、高缺口敏感性及对热的敏感性。此外，具有过饱和铬的铁素体结构会造成σ相的形成，这将大大降低韧性与抗腐蚀性。美国专利5,320,801是关于具有下列组成的合金27至34重量％的铬、13至31％的镍+钴、3.2至4.5％的硅、2.5至4％的铜、0.7至1.6％的碳、0.5至1.5％的锰、1至4％的钼及铁(基本上为平衡量)。虽然`801专利的合金具有良好的韧性，但是具有极差的硬度、极差的金属丝电阻率及低的拉伸强度。208至354HB的硬度类似于CD4MCU不锈钢的硬度(260-350HB)，该CD4MCU不锈钢具有优良的抗腐蚀性，但耐磨性差。在美国专利5,320,801中公开并申请的合金类似于奥氏体高镍不锈钢，其具有良好的韧性，但极低的拉伸强度与硬度及差的耐磨性。存在于抗腐蚀合金中的镍主要用于结构稳定化，但对于其抗腐蚀性效果则很少有利。其良好的实施例为含有12-35％镍的奥氏体不锈钢(其抗腐蚀性接近于具有低镍比例(4-8％)的双重不锈钢)或镍至多为4％的高铬不锈钢。如在用于表示各种合金元素如何影响不锈钢抗腐蚀性的模型中所示，不锈钢合金的主要元素为铬、钼及氮。耐点蚀当量值(Pitting Resistance Equivalent Number)PREN＝％Cr+3.3*Mo+16*％N说明氮是抗腐蚀合金的重要且极有用的合金元素。现有技术的高铬合金的主要缺点为在对合金机械性质，诸如韧性、拉伸强度、脆性、热敏感性及焊接能力方面，不产生负面影响的状况下，难以将铬、钼及氮溶解于基材中。这是由于具有饱和铬与钼的合金中析出σ相的结果。由上述高铬合金制成的泵部件过早磨损为经常发生的现象。主要的作用因子(contributing factor)是极低的韧性、脆性与低耐用性。通常故障会发生于在独立区域中磨薄的铸件，其中由于合金不良的机械性质而发生裂痕，以导致最终其他可用元件的崩解。现有技术合金在酸性环境中的腐蚀与冲蚀机制在含固体的腐蚀性流体中的颗粒不断移除钝化抗腐蚀层而加速腐蚀。这现象在含有较多体积的铬与钼的合金中特别明显，其中不可避免产生明显量的σ相，且金属基材具有极差的韧性。为恢复钝化层，铬与钼的浓度必须尽可能的高。增加(铬/碳)或(铬+钼/碳)的比例可提高抗腐蚀性高达临界点，在临界点之后便开始形成σ相，σ相的形成大幅度降低韧性并降低合金的抗腐蚀性(因在σ相析出物周围的铬贫化所造成)。本专利技术是基于通过降低基材中的碳而增加以(铬+氮/碳-氮)或(铬+钼+氮/碳)与(铬+钼+氮+硼/碳-氮)表示的比例，并同时将作为强效添加合金元素的氮引入高铬合金内，其中氮以高浓度存在于固溶体中。氮和碳一样与体心立方(bcc)α铁及面心立方(fcc)γ铁形成间隙固体。氮原子的尺寸小于碳原子的尺寸；在这状况下，在α与γ相中，氮更易于占据间隙位置。在相同温度下，氮在α铁与γ铁中的最大溶解度为碳的数倍至数十倍，其将导致基本晶格的明显的膨胀与畸变。在维持较大韧性的同时，其固溶体硬化与强化效果还较碳为大。氮在现有技术高铬合金中的溶解度极限相当低，最大值为0.15％N。该极限由在α铁结构中的氮与碳的固有的低的物化溶解度(最大值为0.02至0.08的碳+氮)以及低锰含量≤1.5％所控制，其中在德国专利44 17 261或19512 044中α铁结构构成合金的40％(最大值)。在对于延性及抗腐蚀性无负面影响的情况下，添加氮是改良奥氏体高铬合金的机械性质的最有效的方法。为了使氮有效地成为抗腐蚀剂，并对铸件的机械性质提供其广范围的正面效果，诸如在未损失延性的情况下，增加拉伸强度、硬度与韧性，本申请人发现在高铬合金中，这现象可在有相当数量的锰与钼作为增强合金的情况下发生。在这些条件下，氮溶解于固态中其量为溶解于现有技术的任何高铬合金中的二至四倍。类似于高锰不锈钢(其溶解至多达0.8％的氮，且在分压下甚至达1％)，其拉伸强度与硬度为二倍至四倍高，且延性较无氮的相同钢材为佳。现有技术并未涉及本专利技术的高铬合金。专利技术的目的本申请专利技术目的在于生产适于处理有严重腐蚀性环境的磷酸盐岩石的结构材料。本申请专利技术的目的还在于生产一种具有高铬含量及高抗腐蚀性的抗腐蚀合金。本申请专利技术另一目的在于生产一种含有足量硅，以使合金可以以通常方法进行铸造的高抗腐蚀合金。本申请再一个专利技术目的在于制造含硅的高抗腐蚀合金。本申请专利技术的又一目的在于生产一种具有高铬含量并含氮的抗腐蚀合金。本申请专利技术的另一个目的在于生产一种具有高强度与硬度性质的抗腐蚀合金。本专利技术的另一个目的在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗腐蚀且抗冲蚀的高铬氮轴承和可铸合金，其包含下列组成（重量％）：２８％至４８％的铬０．０１至０．７％的氮０．５％至３０％的锰０．３％至２．５％的碳０．０１％至５％的硼视需要０．０１％至６％ 的钼视需要０．０１％至５％的硅视需要０．０１％至８％的铜视需要０．０１％至２５％的镍和钴该合金还包含有至多各为２％的选自锆、钒、铈、钛、钽、钨、铌、铝、钙及稀土元素中的一种或多种微合金元素，其余为铁与不可避免 的杂质，并具有在奥氏体基材中包含铬碳化物、硼化物与氮化物的显微结构，即该基材为固溶体形式的氮过饱和的面心立方晶体结构，且其中所述合金的奥氏体化程度以下列比例定义：（％Ｎｉ＋％Ｃｏ＋０．５（％Ｍｎ＋％Ｃｕ）＋３０（％Ｎ＋％Ｃ）＋５ｘ％ Ｂ）／（％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋％Ｓｉ＋１．５（Ｔｉ＋Ｔａ＋Ｖ＋Ｎｂ＋Ｃｅ＋Ａｌ））≥１．５。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗曼拉顿，
申请(专利权)人：罗曼拉顿，
类型：发明
国别省市：US[美国]