專利名稱：：一種耐硫酸不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬材料，特別提供了一種耐硫酸不銹鋼，其可在硫酸工業(yè)、冶金工業(yè)、化纖工業(yè)、制藥工業(yè)、造紙工業(yè)以及石油、化學(xué)工業(yè)中作為泵用材料和其它化工機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料。同時，也適用于磷酸、硝酸、鹽酸和各種有機(jī)酸等酸性介質(zhì)。濃硫酸(93～98％H2SO4)是化工、化肥和有色冶煉等行業(yè)的重要化工產(chǎn)品原料，同時它又是一種強(qiáng)氧化腐蝕性酸，特別在高溫下(50～120℃)它的腐蝕性更為嚴(yán)重。且有時在工業(yè)環(huán)境下混有一定的F-和Cl-離子加速腐蝕并引起點(diǎn)蝕破壞，其腐蝕行為較為復(fù)雜，因此，對輸送高溫濃硫酸的生產(chǎn)設(shè)備如泵、閥、管道等要求具有良好的耐腐蝕性能。國外曾選用904L、Sanicro28和Carpenter20Cb-3等高合金不銹鋼，后來又應(yīng)用HastelloyC鎳基合金，以及開發(fā)研制了Lewmet系列鎳基合金，取得了較好的使用效果。其中Lewmet55合金為耐腐蝕性能較好的鎳基高溫濃硫酸泵用材料。但這些不銹鋼和合金中含有大量鎳、鉻、鉬等貴重金屬，致使合金成本昂貴，難于在我國廣泛推廣應(yīng)用。國內(nèi)部分研究單位先后研究開發(fā)出RS2等合金亦是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高合金不銹鋼，同時有些研究單位仍沿用美國Lewis公司1973年開發(fā)研制的Lewmet鎳基合金作為高溫濃硫酸泵用材料。因此，在降低合金成本，提高使用性能方面沒有取得突破性進(jìn)展。表1幾種耐濃硫酸腐蝕合金和不銹鋼成份(1-4)</tables>本發(fā)明的目的是研制出一種價格低廉，性能優(yōu)異的不銹鋼代替目前國際上先進(jìn)的價格昂貴的鎳基合金和高合金不銹鋼。大大降低合金成本，達(dá)到以鋼代替鎳合金之目的，同時性能達(dá)到或超過鎳合金水平。本發(fā)明提供了一種耐硫酸不銹鋼，其特征在于成份設(shè)計(jì)如下(重量百分比)C＜0.05Cr9～19Ni15～20Mo0.5～3Cu0.5～3Si6.5～8.5N0.1～0.3Mn＜1.00Re(加入量)1Fe余眾所周知，濃硫酸對金屬材料的腐蝕可分為兩個過程。首先，材料在濃硫酸中發(fā)生活性溶解(即陽極反應(yīng))和陰極H+變成H2氣的去極化反應(yīng)；隨著活性溶解反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中金屬離子濃度的增加，由于濃硫酸的粘度大，生產(chǎn)的金屬離子很難擴(kuò)散到離金屬較遠(yuǎn)的硫酸溶液中，而停滯在金屬表面上，當(dāng)金屬離子超過金屬硫酸鹽的濃度積時，金屬離子就形成了飽和析出型金屬硫酸鹽或氧化物，氫氧化物的鈍化薄膜。隨著鈍化膜的形成材料進(jìn)入鈍態(tài)，電極電位移到很正的數(shù)值。其陽極和陰極反應(yīng)如下陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)其次，在鈍化膜形成后，陽極反應(yīng)即金屬的溶解是通過金屬硫酸鹽或氧化物，氫氧化物薄膜以緩慢的速度進(jìn)行；同時，陰極反應(yīng)使分子狀態(tài)的H2SO4生成單體S和H2O。其陽極和陰極反應(yīng)如下陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)陰極反應(yīng)生成的水緩慢地溶解金屬硫酸鹽或氧化物、氫氧化物薄膜，當(dāng)薄膜被溶解而裸露出金屬表面時，材料重新回到初始狀態(tài)。因此，當(dāng)不銹鋼與合金在濃硫酸中能處于鈍態(tài)，即形成穩(wěn)定的金屬硫酸鹽或氧化物、氫氧化物薄膜，材料即可獲得較好的耐蝕性，這種鈍化薄膜的性質(zhì)是決定在腐蝕一沖蝕和磨損以及高溫條件下材料使用性能的重要因素，因此要求合金的鈍化膜具有在高溫濃硫酸介質(zhì)，穩(wěn)定性好、致密、牢固、持久、良好的力學(xué)—化學(xué)性能和自愈修復(fù)能力，所以在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)控制鉻、硅、鎳、鉬和銅的成分配比，利用它們的復(fù)合作用，保證鋼具有高的鈍化能力。本發(fā)明中使用了鉻，鉻(Cr)是不銹鋼獲得耐蝕性能的基本的合金元素。屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定但容易鈍化的金屬，并具有過鈍化傾向。當(dāng)介質(zhì)具有適當(dāng)?shù)难趸芰r，則合金的耐蝕性隨含鉻量的增加而增強(qiáng)，合金表面形成富鉻的氧化膜，使鋼具有良好的耐蝕性能，但在介質(zhì)的氧化能力過強(qiáng)時，如高溫濃硫酸環(huán)境下，鉻的過鈍化傾向很明顯，以鉻為主的鈍化膜易被溶解，使合金表面的鈍態(tài)失去穩(wěn)定性，從而降低了合金的耐蝕能力，因此在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂沏t的加入量。實(shí)驗(yàn)表明，在70℃，98％濃硫酸中，以904L為代表的高合金不銹鋼的腐蝕速度為0.1268mm/a，屬不基本耐蝕；而在120℃高溫下的腐蝕速度為3.425mm/a，屬基本耐蝕。XPS的分析結(jié)果表明，70℃下不銹鋼表面呈現(xiàn)Cr的富集，表面生成了以絡(luò)為主的硫酸鹽或氧化物薄膜，這種鈍化膜是穩(wěn)定的，不易溶解；而在120℃高溫濃硫酸環(huán)境下，合金表面出現(xiàn)鉻的貧化，表明以鉻為主的鈍化膜在高溫濃硫酸中，即強(qiáng)氧化性介質(zhì)中不穩(wěn)定，容易被溶解，使金屬由鈍態(tài)又回到了活化態(tài)。因此，在高溫濃硫酸中，以單純提高鋼中鉻含量來達(dá)到提高鋼的耐蝕性目的將適得其反?？紤]到上述因素，設(shè)計(jì)合金的鉻含量應(yīng)在9％～19％之間。硅(Si)具有優(yōu)良的抗氧化性能，當(dāng)鋼中含有一定的硅時，能夠在鋼表面生成SiO2的氧化膜，并且這種氧化膜的穩(wěn)定性很高，使鋼獲得耐蝕性，因此在高溫濃硫酸這種氧化性介質(zhì)中，合金設(shè)計(jì)上將硅作為重要的合金化元素。當(dāng)合金中同時含有鉻和硅時，兩種元素可起到復(fù)合的鈍化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)合金鈍化能力。同時，硅的優(yōu)良的抗強(qiáng)氧化性介質(zhì)的腐蝕性能可節(jié)省部分鉻。硅合金化又可提高鋼的耐氯離子點(diǎn)蝕性能。此外，硅對奧氏體具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，可明顯提高鋼的屈服強(qiáng)度。然而，當(dāng)鋼中硅含量較高時，會降低鋼的塑、韌性，也易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生冷脆，并降低鋼的焊接性能和切削加工性能。因此對硅含量應(yīng)綜合考慮其作用，設(shè)計(jì)合金的硅含量為6.5～8.5％。鎳(Ni)也是不銹鋼中起耐蝕作用的重要合金元素，其鈍化能力界于鉻和鐵之間，對于鐵-鎳合金而言，其腐蝕電位隨鎳含量的增加向正的方向移動，在硫酸、鹽酸和硝酸中的耐蝕性能均隨鎳含量增加而提高，說明鎳在鐵基體中提高了合金熱力學(xué)穩(wěn)定性，使腐蝕電位正移，這種提高合金耐蝕性能的作用，對氧化性介質(zhì)和還原性介質(zhì)都同樣有效。同時鎳也是鈍化膜的重要組成元素之一，對合金表面鈍化起著重要作用。另外鎳又是形成奧氏體的元素，可改善合金的工藝性能和機(jī)械性能。但鎳又是貴重金屬，大量加入要提高合金的成本，考慮到經(jīng)濟(jì)性和滿足使用要求鎳含量以15％～20％為宜。鉬(Mo)是不銹鋼和各種耐蝕合金常用的合金元素，鉬能促進(jìn)合金的鈍化，使鋼表面形成富鉬的氧化膜。這種含有以CrOOH為主體的致密的表面膜，其中固溶有MoO3、Fe3+和Ni2+離子。在還原性腐蝕介質(zhì)中不易溶解，并能有效地抑制氯離子的點(diǎn)蝕。在Fe-18Cr合金中，隨Mo含量增加可以使鋼在硫酸中的腐蝕電位向正電位方向移動，促使電流密度向更低的方向變化。但在較強(qiáng)氧化性介質(zhì)中鉬因過鈍化溶解而降低了鈍化能力，考慮到實(shí)際工況硫酸中混有一定量的F-、Cl-離子，引起點(diǎn)蝕破壞，故Mo又是不可少的合金化元素。因此，高溫濃硫酸溶液中合金在設(shè)計(jì)上限定鉬含量為0.5～3％。銅(Cu)也是不銹鋼常用的合金元素，鋼可提高不銹鋼耐硫酸腐蝕的性能。銅的電極電位比氫高，可抑制氫的析出反應(yīng)。銅與鉬配合加入鋼中，能抑制鈍化膜的還原溶解，但考慮到介質(zhì)的強(qiáng)氧化性和銅在奧氏體中的溶解度，合金設(shè)計(jì)上銅含量在0.1～3％。氮(N)作為合金化元素加入不銹鋼中是本世紀(jì)60～70年代發(fā)展起來的新的合金化方法。氮是強(qiáng)烈形成奧氏體的元素，在奧氏體中的溶解度可達(dá)0.4％氮可取代一部分鎳，是廉價而有效的代鎳元素。不銹鋼中加入氮可改善其拉伸，抗疲勞和蠕變性能。氮可有效地提高不銹鋼的耐蝕性能，尤其是抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能，一般鋼中控制在0.1～0.3％N。本發(fā)明不銹鋼中碳含量應(yīng)≤0.05C，碳與鉻的親合力大，與鉻形成系列復(fù)雜碳化物，將降低鋼中鉻含量，導(dǎo)致不銹鋼耐蝕性下降。尤其在氧化性酸中更應(yīng)嚴(yán)格控制碳的含量。錳(Mn)含量應(yīng)≤1％為了改善不銹鋼的力學(xué)性能和耐蝕性能，鋼中加入一定量的稀土元素?？傊?，本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明不銹鋼在0～98％全濃硫酸中具有優(yōu)良的耐腐蝕性，并適用于磷酸和硝酸介質(zhì)，特別在高溫濃硫酸中耐蝕性極佳。本發(fā)明不銹鋼在120℃時，98％H2SO4中的腐蝕速度為0.23mm/a，而解剖國外進(jìn)口Lewis泵的Lewmet鎳合金在98％H2SO4，120℃時，國內(nèi)實(shí)測的腐蝕速度為0.88～1.5mm/a。比較起來，本發(fā)明不銹鋼具有更優(yōu)的耐蝕性能。(2)本發(fā)明不銹鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度以及滿意的塑性，且該鋼熔點(diǎn)較低，液態(tài)金屬流動性好，不需要高溫澆注，工藝性能良好。(3)FS-1不銹鋼是以廉價的金屬硅為主要合金化元素，配合一定量的Cr、Ni、Mo、Cu和N等元素，形成復(fù)合硅的氧化物抗硫酸腐蝕，以沉淀析出復(fù)雜硅化物，氮、碳化物為強(qiáng)化硬化相。這種合金化設(shè)計(jì)既節(jié)省了大量鉻等貴重金屬，降低了合金成本。(比Lewmet合金至少降低50％)，又提高了合金的耐腐蝕性能，同時賦予合金耐蝕耐磨的雙重力學(xué)化學(xué)性能。(4)通過對本發(fā)明不銹鋼的顯微組織結(jié)構(gòu)分析，本發(fā)明不銹鋼系奧氏體上析出以M23C6、Cr3Ni2Six(X＝1～4)和其它氮化物為主的沉淀硬化相。這些硬化相通過時效處理彌散分布奧氏體基體中強(qiáng)化合金，進(jìn)而提高合金的耐磨損性能。本發(fā)明不銹鋼已制成泵的軸套、襯套等部件，在腐蝕磨損環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，效果良好。下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例熔煉三爐不銹鋼，成份分別如下表1三爐鋼的化學(xué)成份wt％其中No.1號合金的各項(xiàng)性能如表2，3，4，5，6表2No.1不銹鋼物理、力學(xué)性能表3本發(fā)明不銹鋼在98wt％濃硫酸中的耐蝕性能表4本發(fā)明不銹鋼在50℃濃硫酸中的耐蝕性能表5本發(fā)明不銹鋼在40℃硫酸中的耐蝕性能表6在硝酸和磷酸中的耐蝕性能No.2，No.3合金性能見表7。表7機(jī)械與耐蝕性能權(quán)利要求1.一種耐硫酸不銹鋼，其特征在于成份設(shè)計(jì)如下(重量百分比)C＜0.05Cr9～19Ni15～20Mo0.5～3Cu0.5～3Si6.5～8.5N0.1～0.3Mn＜1.00Re(加入量)10Fe余全文摘要一種耐硫酸不銹鋼,其特征在于成分設(shè)計(jì)如下(重量百分比)C:&lt;0.05;Cr:9—19;Ni:15—20;Mo:0.5—3;Cu:0.5—3;Si:6.5—8.5;N:0.1—0.3;Mn:&lt;1.00;Re(加入量):10;Fe:余。本發(fā)明價格低廉,性能優(yōu)異,可替代目前國際上先進(jìn)的價格昂貴的鎳基合金和高合金不銹鋼。文檔編號C22C38/44GK1196400SQ9710325公開日1998年10月21日申請日期1997年4月17日優(yōu)先權(quán)日1997年4月17日發(fā)明者劉煥安,劉曉東,吳維申請人:中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所