專利名稱：快削不銹鋼鑄造制品及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及已添加快削(易切削，free-cutting)添加劑的不銹鋼鑄造制品及其生
產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
耐腐蝕性至關(guān)重要的不銹鋼鑄造制品，例如，用于管道工程、真空設(shè)備和分析設(shè)備、閥門和連接凸緣的管接頭(例如，彎頭、管套和連接管)通過鑄造進(jìn)行生產(chǎn)。形狀復(fù)雜的制品不經(jīng)過塑性加工如鍛造和軋制，但經(jīng)過對鑄造結(jié)構(gòu)進(jìn)行切削加工(機(jī)械加工)，如壓平、沖孔和螺紋化。這些制品需要具有優(yōu)良的耐腐蝕性，因此通常應(yīng)用奧氏體不銹鋼，如SUS304和SUS 316。但是，奧氏體不銹鋼容易發(fā)生加工硬化。因此已知奧氏體不銹鋼由于鄰近切削表面發(fā)生的加工硬化而具有差的切削性(機(jī)械加工性，machinabiIity )。 在常規(guī)技術(shù)中，提供了快削不銹鋼，其中添加硫(S)、鉛(Pb)或硒(Se)作為快削添加劑，目的在于提高切削性。但是，Pb的應(yīng)用帶來環(huán)境問題，并且鑒于安全性考慮不適于食品和飲品機(jī)械裝置的連接。Se已知是環(huán)境有害的元素，并且其應(yīng)用已被禁止。SUS 303——可商業(yè)獲得的加硫快削不銹鋼一包含約O. 3%的S。S已知是即使微量也不利地影響耐腐蝕性的元素。因此，SUS 303的應(yīng)用不適于耐腐蝕性重要的設(shè)備。加硫快削不銹鋼僅僅可用于低腐蝕性環(huán)境或無需耐腐蝕性的制品中。由于這些原因，確保優(yōu)良的切削性和耐腐蝕性的快削不銹鋼鑄造制品目前還未被提供。PTLl公開了同時確保優(yōu)良的切削性、耐腐蝕性和機(jī)械性能的快削不銹鋼及其生產(chǎn)方法。為確保所有切削性、耐腐蝕性和機(jī)械特性，本發(fā)明通過如下使快削不銹鋼的切削性相對于常規(guī)的不銹鋼材料提高約25% :對鑄造后的鑄錠進(jìn)行鍛造和軋制以消除鑄造結(jié)構(gòu)，并且再析出(再沉淀，re-precipitating)六方氮化硼(h_BN)顆粒。雖然切削性通過在鍛造和軋制后進(jìn)行熱處理已得到提高的不銹鋼已被開發(fā)，如PTLl公開的，但卻未公開切削性得到提高并且保持鑄造結(jié)構(gòu)的不銹鋼鑄造制品。發(fā)明概述技術(shù)問題因此，本發(fā)明的目的在于提供快削不銹鋼鑄造制品一其可以確保所有優(yōu)良的切削性、環(huán)境友好性和耐腐蝕性，作為不需要很高機(jī)械特性，但需要切削性以得到復(fù)雜形狀的鑄造鋼制品；以及提供其生產(chǎn)方法。問題的解決方案本發(fā)明基于這樣的見解而實(shí)現(xiàn)切削性和耐腐蝕性優(yōu)良的不銹鋼鑄造制品及其生產(chǎn)方法可通過如下提供有效利用六方氮化硼(h-BN)顆粒作為固體潤滑劑表現(xiàn)優(yōu)良、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且不被酸或堿損害的特性；以及甚至在鑄造結(jié)構(gòu)狀態(tài)通過進(jìn)行特定熱處理利用h-BN的析出(沉淀，precipitation)或固溶體/再析出。發(fā)明I是包含快削添加劑的不銹鋼鑄造制品的實(shí)施方式，該快削添加劑是六方氮化硼(h-BN)顆粒，其中h-BN顆粒具有200nm至10 μ m粒徑，是球形顆粒，并且在鋼中均勻地分散和析出。發(fā)明2是發(fā)明I的不銹鋼鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，該生產(chǎn)方法包括在鑄造凝固過程中在1，250°C至850°C的溫度范圍內(nèi)控制熔融不銹鋼的冷卻速度，從而在其中分散和析出h-BN顆粒。發(fā)明3是發(fā)明I的不銹鋼鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，該生產(chǎn)方法包括加熱鑄造不銹鋼，在該鑄造不銹鋼的鑄造結(jié)構(gòu)中h-BN顆粒不均勻地析出，然后使鑄造不銹鋼淬火以變成固溶體狀態(tài)，由此消除h-BN顆粒；以及使鑄造不銹鋼回火以再次分散和析出h-BN顆粒。發(fā)明4是發(fā)明I的不銹鋼鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，該生產(chǎn)方法包括在鑄造凝固過程中使熔融不銹鋼在1，250°C至850°C的溫度范圍內(nèi)淬火，以得到鑄造結(jié)構(gòu)，其中不析出h-BN顆粒；以及使鑄造不銹鋼在950°C至1，100°C范圍的溫度下回火，以在其中分散和析出h-BN顆粒。
發(fā)明5是根據(jù)發(fā)明2至4所述的不銹鋼鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，其中硼(B)的加入量為按質(zhì)量計O. 003%至按質(zhì)量計O. 5%，氮(N)的加入量為N/B摩爾比變?yōu)镮或更大。發(fā)明6是根據(jù)發(fā)明5所述的不銹鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，其中B以硼鐵或金屬硼的形式加入熔融的不銹鋼中，N通過提供氬和氮(氬+氮)的混合氣或減壓氮作為熔融不銹鋼的熔融氣氛而加入熔融不銹鋼中。發(fā)明7是根據(jù)發(fā)明5所述的不銹鋼鑄造制品生產(chǎn)方法的實(shí)施方式，其中B以硼鐵或金屬硼的形式加入熔融不銹鋼中，N以含氮的化合物或鐵合金的形式加入熔融不銹鋼中。發(fā)明的有利效果可以提供由于均勻地分散和析出作為優(yōu)良固體潤滑劑的h-BN顆粒，切削性提高而耐腐蝕性不惡化的不銹鋼鑄造制品，該固體潤滑劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且不被酸或堿損害；以及提供其生產(chǎn)方法。發(fā)明I不僅可以確保優(yōu)良的切削性和環(huán)境友好性，而且可以確保耐腐蝕性。這些效果通過有效施用作為鑄造不銹鋼固體潤滑劑性質(zhì)優(yōu)良的h-BN顆粒而得至IJ。h-BN顆粒的這種施用使實(shí)現(xiàn)這樣的不銹鋼鑄造制品成為可能，該不銹鋼鑄造制品不僅確保切削性，而且因?yàn)闆]有使用環(huán)境有害的元素，例如Pb和Se而確保環(huán)境友好性，并且抑制耐腐蝕性的惡化。由于切削性提高，可以減少切削機(jī)的電力消耗。這種電能消耗的減少導(dǎo)致二氧化碳?xì)怏w排放減少。進(jìn)一步，可以預(yù)期生廣率的提聞，因此不鎊鋼鑄造制品可以進(jìn)行聞速機(jī)械加工。附圖
簡述圖I是顯示開發(fā)材料I的斷裂表面上析出物的析出和分散狀態(tài)的SEM顯微圖。圖2是顯示開發(fā)材料3的斷裂表面上析出物的析出和分散狀態(tài)的SEM顯微圖。圖3是顯示比較材料2的斷裂表面上析出物的析出和分散狀態(tài)的SEM顯微圖。圖4是顯示開發(fā)材料4以及比較材料I和2在車削過程中切削速度與切削抵抗合力(切削合力，combined cutting force)之間關(guān)系的圖。圖5是顯示開發(fā)材料I至3和比較材料3在車削過程中切削速度與切削抵抗合力之間關(guān)系的圖。圖6是顯示根據(jù)不銹鋼的硫酸測試方法(JIS G 0591)進(jìn)行的開發(fā)材料4以及比較材料I和2的腐蝕測試結(jié)果的圖。實(shí)施方式描述本發(fā)明具有上述特征，并且其實(shí)施方式將在下文中進(jìn)行說明。在本發(fā)明的生產(chǎn)方法中，鑄造不銹鋼的熔融通過熔融爐進(jìn)行，該熔融爐能夠調(diào)節(jié)熔融氣氛，并且一般用于不銹鋼的熔融。在熔融中，硼鐵或金屬硼用作B的來源，但低熔點(diǎn)硼鐵的應(yīng)用在技術(shù)上具有優(yōu)勢，并且是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)槊繂挝恢亓緽的成本低。 對于一般標(biāo)準(zhǔn)，B含量被確定為不銹鋼鑄造制品中的最終B含量，其優(yōu)選為按質(zhì)量計O. 003%至按質(zhì)量計O. 5%，更優(yōu)選按質(zhì)量計O. 01%至按質(zhì)量計O. 2%。對于添加N的方法，存在使熔融的不銹鋼吸附熔融氣氛中的N的方法和將組成不銹鋼的合金元素的氮化物如氮化鉻和氮化鉻鐵加入到熔融的不銹鋼的方法。對于一般標(biāo)準(zhǔn)，不銹鋼鑄造制品中的N含量可以是N/B的摩爾比變?yōu)镮或更大的量。當(dāng)鑄造不銹鋼中N/B的摩爾比小于I時，溶質(zhì)B的量增加，這使可用于切削性的析出的h-BN顆粒量減少。因此，期望N/B的摩爾比盡可能大。N含量取決于鑄造不銹鋼的化學(xué)組成而變化，但隨著B增加，鋼中的平衡N濃度減少，因?yàn)锽增加N的活性。在SUS 304不銹鋼的化學(xué)組成中，N含量為按質(zhì)量計O. 25%或更低——不包括在加壓氮?dú)夥障碌娜廴?。以上述方式制備的含B和N的熔融不銹鋼通過在鑄型中凝固期間在h-BN的析出溫度范圍，即1，250°C至850°C內(nèi)控制其冷卻速度可以在鑄造結(jié)構(gòu)中析出和分布粒徑為200nm至10 μ m的h-ΒΝ球形顆粒。在不銹鋼鑄造制品中，粗生長(coarsely grown)至約20 μ m至約30 μ m尺寸的h-BN可以在部分制品中不均勻地分布和析出，這取決于鑄造后冷卻過程中的冷卻速度。為避免粗h-BN顆粒的不均勻分布和析出( I)控制鑄造后的冷卻速度；(2)使用金屬鑄型；和(3)考慮鑄型的設(shè)計，如澆鑄位置和進(jìn)料頭形狀。通過保持在1，200°C或更高溫度相對短的時間(例如，在1，2500C，O. 5小時至I小時)，不銹鋼鑄造制品中析出的h-BN分解為B和N，并在鑄造不銹鋼的基質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w。注意，這種處理在不銹鋼鑄造制品熔融時不可能進(jìn)行，因此必需在低于鋼熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行處理。通過從該狀態(tài)淬火，得到含B和N的不銹鋼鑄造制品，其處于過飽和的固溶體狀態(tài)。淬火操作可以是水淬火，其一般針對不銹鋼進(jìn)行，但在下文提到的析出h-BN的溫度范圍內(nèi)的冷卻速度需要調(diào)節(jié)至不發(fā)生析出的冷卻速度。過飽和B和N在800°C至1，150°C的溫度的回火過程中作為h-BN而再析出。當(dāng)回火在800°C左右的溫度下進(jìn)行時，h-BN成核優(yōu)先于生長，這是由于以下兩個因素，即B和N的平衡溶解度與過飽和溶解度在該溫度下差異大；以及B和N的擴(kuò)散長度小，因?yàn)锽和N在該溫度下擴(kuò)散速度低。因此，極其細(xì)微且均勻析出的h-BN出現(xiàn)在整個材料中。當(dāng)回火在1，150°C左右的溫度下進(jìn)行時，與在800°C左右的溫度下回火形成對比，粗生長的h-BN析出物出現(xiàn)，這是因?yàn)閔-BN生長優(yōu)先于成核。
因此，為析出粒徑和分布適于得到優(yōu)良切削性的h-BN，回火溫度的選擇非常重要。作為試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，粒徑和分布適于得到優(yōu)良切削性的回火溫度優(yōu)選在950°C至
I,100°C的范圍內(nèi)。當(dāng)鑄造制品可以直接淬火至回火溫度時，在鑄造過程中h-BN不析出。在這種得到B和N固溶體的鑄造條件下，顯然不需要進(jìn)行1，200°C或更高溫度下的熱處理以分解h-BN顆粒。對于回火的時間，回火溫度越高則時間越短，因?yàn)闇囟雀邥rB和N的擴(kuò)散速度快。因此，時間在O. 5小時至3小時的范圍內(nèi)，優(yōu)選I小時至2小時。為限制h-BN進(jìn)一步生長，在回火后進(jìn)行淬火。
實(shí)施例
(實(shí)施例I)市售奧氏體不銹鋼(SUS 304)圓棒(重量18kg)被用作熔融原料，并通過真空感應(yīng)熔融爐進(jìn)行熔融。熔融原料的化學(xué)組成(按質(zhì)量計％)包括O. 04%的C、0. 30%的Si、I. 00%的 Mn,O. 030% 的 Ρ、0· 024% 的 S、8. 09% 的 Ni 和 18. 05% 的 Cr。在熔融時，將分壓 O. 07MPa 的N氣引入真空感應(yīng)熔融爐，以調(diào)節(jié)熔融的鋼中的N濃度。熔融后，將預(yù)定量的市售硼鐵(按質(zhì)量計19. 2%的B)加入熔融的鋼中，以調(diào)節(jié)B濃度。將所得物保持在減壓氮?dú)鈿夥罩?0分鐘，并且在1，600°C下鑄造成鑄造鐵鑄型，從而生成鑄錠。開發(fā)材料I至3中B含量的目標(biāo)值分別為按質(zhì)量計O. 02%、按質(zhì)量計O. 05%和按質(zhì)量計O. 1%，并且其N含量的目標(biāo)值分別為按質(zhì)量計O. 2%。在相同熔融和鑄造條件下生產(chǎn)比較材料I (相應(yīng)于無h-BN的SUS 304鑄造不銹鋼)，以與開發(fā)材料I至3相同的方式生成鑄錠，條件是熔融原料在Ar氣氛下熔融。作為比較材料2，生成按質(zhì)量計O. 3%的S加入比較材料I的材料(相應(yīng)于SUS303鑄造不銹鋼，加硫快削鑄造不銹鋼)。作為比較材料3，生成類似于開發(fā)材料I至3，按質(zhì)量計O. 2%的N加入比較材料I的材料。為使N對切削性和耐腐蝕性的影響一致，將熔融氣氛中的N分壓調(diào)節(jié)至O. 005MPa，從而生成與比較材料I和2具有相同N水平的開發(fā)材料4的鑄錠。作為熔融原料，使用與開發(fā)材料I至3所用的相同材料，并且B含量的目標(biāo)值為按質(zhì)量計O. 05%，這與開發(fā)材料2的目標(biāo)值相同。鑄造后生成的材料(開發(fā)材料I至4、比較材料I至3)中B、N和S的分析值(單位按質(zhì)量計％)顯示在表I中。表I各樣品中B、N和S的分析值(單位按質(zhì)量計％) 表示未進(jìn)行分析)
權(quán)利要求
1.不鎊鋼鑄造制品，包含 快削添加劑，其為六方氮化硼(h-BN)顆粒； 其中所述h-BN顆粒具有200nm至10 μ m的粒徑，為球形顆粒，并且在所述不銹鋼鑄造制品中均勻地分散和析出。
2.權(quán)利要求I所述不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，包括 在鑄造凝固過程中在1，250°C至850°C的溫度范圍內(nèi)控制熔融不銹鋼的冷卻速度，從而在其中分散和析出所述h-BN顆粒。
3.權(quán)利要求I所述不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，包括 加熱鑄造不銹鋼至等于或高于1，200°C的溫度，在所述鑄造不銹鋼的的鑄造結(jié)構(gòu)中h-BN顆粒不均勻地析出，然后使所述鑄造不銹鋼淬火，以變成固溶體狀態(tài)，由此消除所述h-BN顆粒；和 使所述鑄造不銹鋼在950°C至1，100°C范圍內(nèi)的溫度下回火，以再次分散和析出h-BN顆粒。
4.權(quán)利要求I所述不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，包括 在鑄造凝固過程中使熔融不銹鋼在1，250°C至850°C的溫度范圍內(nèi)淬火，以得到無h-BN顆粒析出的鑄造結(jié)構(gòu)；和 使所述鑄造不銹鋼在950°C至1，100°C范圍內(nèi)的溫度下回火，以在其中分散和析出h-BN顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，其中硼(B)的加入量為按質(zhì)量計O. 003%至O. 5%，氮(N)的加入量使得N/B的摩爾比變?yōu)镮或更大。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，其中所述B以硼鐵或金屬硼的形式加入到熔融不銹鋼，所述N通過提供氬與氮(氬+氮)的混合氣或減壓氮作為熔融不銹鋼的熔融氣氛加入到所述熔融不銹鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的不銹鋼鑄造制品的生產(chǎn)方法，其中所述B以硼鐵或金屬硼的形式加入到熔融不銹鋼，所述N以含氮化合物或鐵合金的形式加入到熔融不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供能夠確保所有優(yōu)良的切削性、環(huán)境友好性和耐腐蝕性的快削不銹鋼鑄造制品及其生產(chǎn)方法。不銹鋼鑄造制品，其包含快削添加劑，即h-BN顆粒，其中h-BN顆粒在鋼中均勻地分散和析出。其生產(chǎn)方法，包括加熱析出h-BN顆粒的不銹鋼鑄造制品，然后淬火以通過溶液處理消除h-BN顆粒；和回火以再次分散和析出h-BN顆粒。
文檔編號C21D6/00GK102959111SQ20118003116
公開日2013年3月6日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者江村聰, 山本重男, 櫻谷和之, 津崎兼彰 申請人:獨(dú)立行政法人物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)