Al-mn-si-n аустенитная нержавеющая кислотоупорная сталь

 

Изобретение относится к Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая содержит элементы в следующем соотношении, вес.%: 0,06 - 0,12 С; 4 - 5 Al; 16 - 18 Mn; 1,2 - 1,5 Si; от более 0,2 до 0,30 N; 0,1 - 0,2 редких металлов и остальное Fe. Коррозионная устойчивость и механические свойства стали могут быть дополнительно улучшены путем добавления небольшого количества элементов, выбранных из группы, включающей Cr, Ni, Co, Ti, Nb, Cu, Mo, Zr, Hf, W и V. Техническим результатом изобретения является получение нержавеющей стали с хорошей коррозионной устойчивостью, характеристиками ковкости, сварочными и эксплуатационными параметрами. Сталь может применяться для изготовления множества изделий и использоваться по широкому спектру назначения. 11 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которую можно использовать для замены традиционной аустенитной нержавеющей стали типа 18-8.

Аустенитная нержавеющая сталь типа 18-8, такая как 1Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti и OCr18Ni9, принадлежит к обычным аустенитным нержавеющим сталям. Она нашла широкое и длительное применение в промышленности благодаря своей высочайшей коррозионной стойкости, сочетающейся с механическими свойствами и способностью к обработке. Однако, так как она содержит большое количество дорогих Cr и Ni, цена стали является очень высокой, ограничивая таким образом ее применение в более широких областях. Кроме того, из-за того, что как Cr, так и Ni редко встречаются на земле, в течение длительного времени целью в области металлургии было создание аустенитной нержавеющей стали, содержащей малое количество или совсем не содержащей Cr и Ni для того, чтобы заменить аустенитную нержавеющую Cr-Ni сталь типа 18-8. Однако до настоящего момента не сообщалось, что нержавеющая сталь в отсутствии Cr и Ni может обеспечивать коррозионную устойчивость, сочетающуюся с механическими свойствами и способностью к обработке, эквивалентные этим параметрам для обычной Cr-Ni аустенитной нержавеющей стали типа 18-8.

Наиболее близким аналогом изобретения является нержавеющая кислотоупорная сталь, известная из публикации от 25.01.90 международной заявки WO 90/00630 A1, C 22 C 38/04, которая содержит элементы в следующем соотношении, вес. %: углерод - 0,01 - 1,4 Алюминий - 4 - 15 Марганец - 10 - 45 Кремний - До 2,5 Азот - До 0,2 Редкие металлы - До 1 Железо и неизбежные примеси - Остальное Однако механические и кислотоупорные свойства известной стали находятся на недостаточно высоком уровне.

Главной задачей настоящего изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали.

Другой задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая может улучшить коррозионную стойкость, особенно в серной кислоте или в восстановительной среде.

Кроме того, другой задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая особенно стойка к межгранулярной коррозии.

Еще одной дополнительной задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая имеет улучшенную прочность при низкой температуре, особенно при температуре ниже -120^oC.

Еще одной дополнительной задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая имеет лучшую коррозионную устойчивость в соляной кислоте, разбавленной серной кислоте, щелочном растворе и морской воде.

Еще одной дополнительной задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая имеет улучшенную стойкость к окислению, тепловой усталости и высокотемпературной коррозии.

Еще одной дополнительной задачей изобретения является создание Al-Mn-Si-N аустенитной нержавеющей кислотоупорной стали, которая имеет улучшенную стойкость к износу и высокой температуре.

Техническим результатом изобретения является получение нержавеющей стали с хорошей коррозионной устойчивостью, характеристиками ковкости, сварочными и эксплуатационными параметрами.

Поставленные задачи решаются настоящим изобретением следующим образом (во всех случаях содержание выражают в процентах по весу стали, если не указано другое).

Предложена Al-Mn-Si-N аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, алюминий, марганец, кремний, азот, редкие металлы, железо и неизбежные примеси в следующем соотношении, вес. %: Углерод - 0,06-0,12
Алюминий - 4-5
Марганец - 16-18
Кремний - 1,2-1,5
Азот - От более 0,2 до 0,3
Редкие металлы - 0,1-0,2
Железо и неизбежные примеси - Остальное
Сталь дополнительно может содержать 1 - 3 вес.% титана.

Сталь дополнительно может содержать 1 - 3 вес.% ниобия.

Сталь дополнительно может содержать 2 - 4 вес.% никеля.

Сталь дополнительно может содержать 3 - 5 вес.% хрома.

Сталь дополнительно может содержать 0,5 - 1 вес.% циркония.

Сталь дополнительно может содержать 0,5 - 1 вес.% гафния.

Сталь дополнительно может содержать 0,5 - 1 вес.% ванадия.

Сталь дополнительно может содержать 0,3 - 1 вес.% кобальта.

Сталь дополнительно может содержать 0,2 - 0,8 вес.% вольфрама.

Сталь дополнительно может содержать 2 - 3 вес.% меди.

Сталь дополнительно может содержать 1 - 3 вес.% молибдена.

Выбор этих элементов в Al-Mn-Si-N аустенитных нержавеющих кислотоупорных сталях и интервалов их содержания основан на нижеуказанных причинах.

Определенное количество Al может обеспечить сталь коррозионной устойчивостью и улучшить ее прочность при низкой температуре и стойкость к окислению. Однако, с одной стороны, когда содержание Al ниже 4 вес.%, коррозионная устойчивость стали является недостаточной; с другой стороны, когда содержание Al увеличивается, коррозионная устойчивость будет улучшаться, в то время как сталь становится склонной к растрескиванию при ковке и прокатке, приводя таким образом к низким качествам при тепловой обработке. Поэтому предпочтительным является содержание Al 4-5%.

Элемент Mn имеет способность увеличивать аустеническую область и стабилизировать аустенит. Однако эта его способность составляет примерно половину таковой для Ni. Поэтому содержание Mn ограничивают до 16-18%.

Si может реагировать, образуя плотную пленку SiO₂ на поверхности стали, которая может препятствовать дальнейшей эрозии кислот внутри стали и особенно эффективна для улучшения коррозионной устойчивости стали в высококонцентрированной азотной кислоте. Однако слишком высокое содержание Si приведет к тому, что сталь будет трудно поддаваться обработке. Поэтому содержание Si ограничивают до 1,2-1,5 вес.%.

N может придавать стали коррозионную устойчивость, облегчая в то же время образование аустенита, таким образом он может частично заменить Ni.

Mo и Cu могут дополнительно улучшить коррозионную устойчивость стали в серной кислоте или восстановительной среде. Когда сталь содержит определенное количество Mo и Cu, коррозионная устойчивость будет более значительной.

Nb и Ti могут реагировать с C в стали, приводя к стабильному карбиду. В случае, когда необходимо жестко ограничить межгранулярную коррозию, к стали может быть добавлено определенное количество Nb и/или Ti.

Zr и Hf могут придавать стойкость к межгранулярной коррозии. Если необходимо ограничить межгранулярную коррозию более жестко, к стали может быть добавлено определенное количество Zr и/или Hf.

V в стали может придавать устойчивость к коррозии в соляной кислоте, разбавленной серной кислоте, щелочном растворе и морской воде.

Если в сталь вводится определенное количество Co, это может улучшить ее сопротивляемость окислению, тепловой усталости и высокотемпературной коррозии.

Для того чтобы улучшить устойчивость к износу и высоким температурам, к стали может быть добавлено определенное количество W.

Редкий металл(ы) может улучшить коррозионную стойкость и устойчивость стали к окислению, повысить качество ее текстуры и улучшить качество стали, улучшая таким образом ее свойства при обработке.

Из следующих примеров логически вытекает, что Al-Mn-Si-N аустенитная нержавеющая кислотоупорная сталь согласно настоящему изобретению лучше, чем обычная Cr-Ni нержавеющая сталь типа 18-8 в отношении коррозионной устойчивости, свойств при тепловой обработке, характеристик при сварке и объединенных механических свойств. Так как дорогие и редкие Cr и Ni заменяют такими элементами, как Al, Mn, Si, N, которые являются недорогими и легко получаемыми, цена стали по изобретению намного ниже, чем нержавеющей Cr-Ni стали типа 18-8.

Al-Mn-Si-N аустенитная нержавеющая кислотоупорная сталь по настоящему изобретению может быть выплавлена в обычной электродуговой печи или индукционной печи с последующим литьем в стальную болванку и превращением во множество продуктов необходимой формы из нержавеющей стали, которое осуществляют обычными способами обработки, такими как горячая прокатка, ковка, холодная прокатка и волочение.

Настоящее изобретение может быть далее проиллюстрировано следующими примерами.

Пример. Процесс плавки проводят в полутонной трехфазной электродуговой печи. 10 кг Al, 36 кг Mn, 3 кг кристаллического Si, 1 кг Cr₂O₃ вводят последовательно на дно печи с хорошей обшивкой, затем добавляют чистую нержавеющую жидкую сталь, содержащую менее 0,12% углерода, при толщине слоя около 100 мм, так чтобы покрыть вышеуказанные материалы. Включают нагрев для плавления этих материалов в жидкость. После того как жидкость станет однородной, берут образец для анализа. Для поддержания хорошей текучести жидкости используют шлаки. Когда температура жидкости станет выше 1500^oC, выбирают восстановительный шлак для проведения восстановительной реакции в течение 20 мин. Когда температура жидкой стали составляет 1540-1560^oC, в нее добавляют 0,5 кг смеси редких металлов. После полного перемешивания сливают сталь.

Предложенная сталь имеет следующие свойства.

Предел текучести σ_0,2 (МПа) 521-595
Прочность на разрыв σ_b (МПа) 768-890
Коэффициент удлинения δ % 52-57
Коэффициент уплотнения Ψ % 51-59
Скорость коррозии в 5% серной кислоте в течение 48 часов (в мм/а) составляет 0,00440 - 0,00488.

Формула изобретения

1. Al-Mn-Si-N аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, алюминий, марганец, кремний, азот, редкие металлы, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит элементы в следующем соотношении, вес.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Алюминий - 4 - 5
Марганец - 16 - 18
Кремний - 1,2 - 1,5
Азот - От более 0,2 до 0,3
Редкие металлы - 0,1 - 0,2
Железо и неизбежные примеси - Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 1 - 3 вес.% титана.

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 1 - 3 вес.% ниобия.

4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 2 - 4 вес.% никеля.

5. Сталь по любому из п.1 или 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 3 - 5 вес.% хрома.

6. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,5 - 1 вес.% циркония.

7. Сталь по любому из п.1 или 6, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,5 - 1 вес.% гафния.

8. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,5 - 1 вес.% ванадия.

9. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,3 - 1 вес.% кобальта.

10. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,2 - 0,8 вес.% вольфрама.

11. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 2 - 3 вес.% меди.

12. Сталь по любому из п.1 или 11, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 1 - 3 вес.% молибдена.