Аустенитная нержавеющая сталь с низким содержанием никеля и содержащая стабилизирующие элементы
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу аустенитной нержавеющей стали и изделиям, полученным с ее использованием. Сталь состоит из, в % вес.: до 0,20 С, 2,0-9,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,5-2,0 Mo, 0,05-0,35 N, до 4,0 W, (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси остальное. Сталь имеет величину эквивалентного числа сопротивления точечной коррозии PREW более 22 до 30. Обеспечивается коррозионная стойкость, стойкость к деформации при повышенной температуре и формуемость при относительно низком содержании никеля и молибдена. 2 н. и 42 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
В данной заявке испрашивается приоритет согласно 35 U.S.C. § 119(е) рассматриваемой одновременно предварительной заявки на патент США серийный № 61/015264, поданной 20 декабря 2007 г.
Настоящее изобретение относится к аустенитной нержавеющей стали. В частности, настоящее изобретение относится к экономически выгодному составу аустенитной нержавеющей стали, имеющему низкое содержание никеля и молибдена, улучшенные свойства при повышенных температурах и, по меньшей мере, сравнимую коррозионную стойкость и формуемость по сравнению с высоколегированными никелевыми сплавами.
Аустенитные нержавеющие стали имеют сочетание в высшей степени желательных свойств, которые делают их широко применимыми для различных видов промышленного использования. Основу таких типов стали составляет железо, сбалансированное добавлением активирующих и стабилизирующих аустенит элементов, таких как никель, марганец и азот, позволяющих добавлять активирующие феррит элементы, такие как хром и молибден, усиливающие коррозионную стойкость аустенитной структуры при комнатной температуре. Аустенитная структура обеспечивает в высшей степени желательные механические свойства стали, в частности вязкость, пластичность и формуемость.
Конкретным примером аустенитной нержавеющей стали является нержавеющая сталь AISI класса 316 (UNS S31600), представляющая собой сплав, содержащий 16-18% хрома, 10-14% никеля и 2-3% молибдена. Содержание легирующих элементов в данном сплаве поддерживают на уровне указанных диапазонов с целью сохранения стабильной аустенитной структуры. Как понятно любому специалисту в данной области техники, добавление, например, никеля, марганца, меди и азота способствует стабильности аустенитной структуры. Однако все возрастающая стоимость никеля и молибдена вызвала необходимость разработки экономически выгодных альтернатив S31600, обладающих, тем не менее, высокой коррозионной стойкостью и хорошей формуемостью.
Другой альтернативой сплаву является тип 216 (UNS S21600), описанный в патенте США № 3171738. S21600 содержит 17,5-22% хрома, 5-7% никеля, 7,5-9% марганца и 2-3% молибдена. Несмотря на то что S21600 представляет собой вариант S31600 с меньшим содержанием никеля и большим содержанием марганца, прочность и коррозионная стойкость S21600 намного выше таких же свойств S31600. Однако, как и в двухфазных сплавах, формуемость S21600 не такая хорошая, как формуемость S31600. Также, поскольку S21600 содержит такое же количество молибдена, как и S31600, экономии затрат на молибден не происходит.
Существует также вариант S31600, прежде всего, предназначенный для использования при высоких температурах. Такой сплав обозначен как класс 316Ti (S31635). Существенное различие между S31600 и S31635 заключается в небольшом добавлении титана, сбалансированного с количеством углерода и азота, присутствующего в стали. Получаемая сталь, S31635, менее подвержена нежелательному формированию карбидов хрома при повышенных температурах и во время сварки, то есть явлению, известному как сенсибилизация. Такое добавление также способно улучшить свойства при повышенной температуре благодаря укрепляющему действию по формированию первичных и вторичных карбидов. Диапазон содержания титана в S31635 представлен следующим уравнением:
[5×(%C+%N)]≤Ti≤0,70%
Однако в S31635 используется дорогостоящее сырье.
Другие примеры включают многочисленные марки нержавеющей стали, в которых никель заменен марганцем с целью сохранения аустенитной структуры, как, например, в стали класса 201 (UNS S20100) и подобных ей марках. Однако существует потребность в получении сплава, обладающего сочетанием улучшенных свойств при повышенной температуре, подобно сплаву S31635, а также коррозионной стойкостью и формуемостью, подобно сплаву S31600, при этом содержащего небольшое количество никеля и молибдена таким образом, чтобы быть экономически выгодным. В частности, необходимо, чтобы такой сплав имел, в отличие от двухфазных сплавов, диапазон температурного использования, сравнимый с диапазоном стандартных типов аустенитной нержавеющей стали, например, от криогенных температур до 1300°F.
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается решение, в данное время отсутствующее на рынке и относящееся к составу формуемого аустенитного нержавеющего стального сплава, имеющего коррозионную стойкость и улучшенные свойства при повышенных температурах, сравнимые с S31600 и S31635, но обеспечивающего экономию стоимости сырья. Соответственно, настоящее изобретение относится к стабилизированному аустенитному сплаву, в котором используются контролируемые количества карбидообразующих элементов для улучшения свойств при повышенных температурах. В аустенитном сплаве также используется комбинация таких элементов, как Mn, Cu и N, замещающих Ni и Мо таким образом, чтобы создать сплав со свойствами, подобными свойствам сплавов с высоким содержанием никеля и молибдена, при существенно более низкой стоимости сырья. Такие элементы, как W и Со, могут быть необязательно использованы по отдельности или в комбинации для замены таких элементов, как Мо и Ni соответственно.
Настоящее изобретение относится к аустенитной нержавеющей стали, в которой используются карбидообразующие элементы и менее дорогостоящие элементы, такие как марганец, медь и азот, в качестве заменителей более дорогостоящих элементов, таких как никель и молибден. В результате может быть получен более дешевый сплав, имеющий улучшенные свойства при повышенной температуре, а также коррозионную стойкость и формуемость, по меньшей мере, сравнимые с такими же свойствами более дорогостоящих сплавов, таких как S31600 и S31635. Заготовка из такого сплава имеет небольшую толщину и чистую микроструктуру с относительно небольшими зернами для обеспечения формуемости.
Один вариант осуществления настоящего изобретения относится к аустенитной нержавеющей стали, включающей, в % вес., до 0,20 С, 2,0-9,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,05-0,35 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси. Некоторые неограничивающие варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали включают вольфрам таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать кобальт таким образом, чтобы 1,0≤(Ni+Co)≤8,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к аустенитной нержавеющей стали, включающей, в % вес., до 0,10 С, 2,0-8,0 Mn, до 1,00 Si, 16,0-22,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,40-2,0 Мо, до 1,00 Cu, 0,08-0,30 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,05-0,60 W, до 1,0 Со, до 0,040 Р, до 0,030 S и до 0,008 В, железо и загрязняющие примеси. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать вольфрам таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤2,3. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать кобальт таким образом, чтобы 1,0≤(Ni+Co)≤8,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения аустенитная нержавеющая сталь, включает, в % вес., до 0,08 С, 3,5-6,5 Mn, до 1,00 Si, 17,0-21,0 Cr, 0,5-2,0 Мо, 4,0-6,5 Ni, 0,08-0,30 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,0, до 1,0 Cu, до 0,050 Р, до 0,030 S, железо и загрязняющие примеси. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать вольфрам таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤4,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать кобальт таким образом, чтобы 4,0≤(Ni+Co)≤7,5. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
Аустенитная сталь согласно настоящему изобретению имеет величину PREW более 22, ферритное число, составляющее менее приблизительно 10, и величину MD30, составляющую менее приблизительно 20°С.
Один из способов получения нержавеющей стали включает плавление в электродуговой печи, рафинирование в АОД (камера аргонокислотного обезуглероживания), отливку в виде слитков или непрерывно отливаемых слябов, повторное нагревание слитков или слябов и их горячую прокатку для получения плит или рулонов, холодную прокатку рулонов до заданной толщины, а также отжиг и травление материала. Могут быть также использованы и другие способы получения материала согласно настоящему изобретению, включающие плавление и/или повторное плавление в вакууме или в специальной атмосфере, отливку в виде профилей, либо получение порошка, отверждаемого в виде слябов или профилей, и подобное.
Сплавы согласно настоящему изобретению могут использоваться для самых различных целей. В соответствии с одним из примеров сплавы согласно настоящему изобретению могут быть включены в готовые изделия, пригодные для использования в низкотемпературных или криогенных условиях. Дополнительными неограничивающими примерами готовых изделий, которые могут быть изготовлены из описываемых сплавов или включать их, являются гибкие муфты для автомобилей и других конструкций, сильфоны, гибкие трубы, облицовки для дымоходов и облицовки для газоотводов.
Подразумевается, что в данном описании и формуле изобретения, в отличие от рабочих примеров и при наличии иных обозначений, все цифры, выражающие количества или характеристики ингредиентов и продуктов, условия обработки и подобное, во всех случаях сопровождаются термином “приблизительно”. Соответственно, если не указано иначе, любые цифровые параметры, указанные в дальнейшей части описания и прилагаемой формуле изобретения, представляют собой приближения, варьирующиеся в зависимости от желаемых свойств, которые должны быть приданы продукту и способам согласно настоящему изобретению. Самое малое, и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый цифровой параметр должен, по меньшей мере, толковаться в свете цифрового выражения приведенных существенных значений с применением обычных способов округления. Далее аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению описана подробно. В дальнейшей части описания, если не указано иначе, “%” означает “% вес.”.
Настоящее изобретение относится к аустенитной нержавеющей стали. В частности, настоящее изобретение относится к составу аустенитной нержавеющей стали, обладающему, по меньшей мере, коррозионной стойкостью, формуемостью и улучшенными свойствами при повышенной температуре, сравнимыми с такими же свойствами сплава S31635 и подобного. Состав аустенитной нержавеющей стали, может включать, в % вес., до 0,20 С, 2,0-9,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
Согласно альтернативному варианту осуществления состав аустенитной нержавеющей стали может включать, в % вес., до 0,20 С, 2,0-9,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,05-0,35 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,01 В, вольфрам, железо и загрязняющие примеси, притом, что 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0 и 1,0≤(Ni+Co)≤8,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
Другой вариант настоящего изобретения относится к аустенитной нержавеющей стали, включающей, в % вес., до 0,10 С, 2,0-8,0 Mn, до 1,00 Si, 16,0-22,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,40-2,0 Мо, до 1,00 Cu, 0,08-0,30 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,05-0,60 W, до 1,0 Со, до 0,040 Р, до 0,030 S и до 0,008 В, железо и загрязняющие примеси. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать вольфрам таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤2,3. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать кобальт таким образом, чтобы 1,0≤(Ni+Co)≤8,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения аустенитная нержавеющая сталь, включает, в % вес., до 0,08 С, 3,5-6,5 Mn, до 1,00 Si, 17,0-21,0 Cr, 0,5-2,0 Мо, 4,0-6,5 Ni, 0,08-0,30 N, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,0, до 1,0 Cu, до 0,050 Р, до 0,030 S, железо и загрязняющие примеси. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать вольфрам таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤4,0. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать кобальт таким образом, чтобы 4,0≤(Ni+Co)≤7,5. Некоторые варианты выполнения аустенитной нержавеющей стали могут включать, по меньшей мере, 0,1% ниобия, либо могут включать ниобий в количестве, составляющем, по меньшей мере, (7,5(%С)).
С: до 0,20%
С служит для стабилизации аустенитной фазы и ингибирует индуцируемую деформацией мартенситную трансформацию. Однако С также повышает вероятность формирования карбидов кремния, особенно во время сварки, что снижает коррозионную стойкость и вязкость. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит до 0,20% С. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения содержание С может составлять 0,10% или менее, либо, в качестве альтернативы, 0,08% или менее, либо 0,03% или менее.
Si: до 2,0%
Содержание, составляющее более 2% Si, ускоряет формирование охрупчивающих фаз, таких как сигма, и снижает растворимость азота в сплаве. Si также стабилизирует ферритную фазу, поэтому содержание, составляющее более 2% Si, требует добавления дополнительных аустенитных стабилизаторов для сохранения аустенитной фазы. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит до 0,20% Si. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения содержание Si может составлять 1,0% или менее. Si минимизирует реакционную способность некоторых легирующих элементов с ниобием и способствует фазовому балансу в сплаве. Согласно некоторым вариантам осуществления действие добавления Si уравновешивается регулированием содержания Si на уровне 0,5-1,0%.
Mn: 2,0-9,0%
Mn стабилизирует аустенитную фазу и в целом повышает растворимость азота, экономически выгодного легирующего элемента. Для того чтобы такое действие оказалось достаточным, содержание Mn должно составлять не менее 2,0%. Как марганец, так и азот эффективно заменяют такой более дорогостоящий элемент, как никель. Однако содержание Mn, составляющее более 9,0%, ухудшает обрабатываемость материала и его коррозионную стойкость в некоторых окружающих средах. Также из-за трудностей при обезуглероживании типов нержавеющей стали с высоким содержанием Mn, например более 9%, слишком высокое содержание Mn существенно повышает стоимость обработки при получении материала. Соответственно, с целью правильного регулирования коррозионной стойкости, фазового баланса, вязкости и других механических свойств аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержание Mn устанавливают на уровне 2,0-9,0%. Согласно одному варианту осуществления содержание Mn может составлять 2,0-8,0% или, в качестве альтернативы, 3,5-6,5%.
Ni: 1,0-7,0%
Для стабилизации аустенитной фазы относительно формирования как феррита, так и мартенсита, содержание Ni должно составлять, по меньшей мере, 1%. Ni также служит для улучшения вязкости и формуемости. Однако из-за относительно высокой стоимости никеля желательно, чтобы его содержание было как можно более низким. Несмотря на то что Mn и N могут частично заменять Ni, высокое содержание Mn и N приводит к неприемлемым уровням деформационного упрочнения, снижающего формуемость. Поэтому сплав должен включать минимальную концентрацию Ni для получения приемлемой формуемости. Авторы настоящего изобретения установили, что помимо других указанных диапазонов элементов для получения сплава, имеющего такую же или более высокую коррозионную стойкость и формуемость, как и высоколегированные никелевые сплавы, может быть использовано содержание Ni, составляющее 1,0-7,0%. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 1,0-7,0% Ni. Согласно другому варианту осуществления содержание Ni может составлять 4,0-6,5%.
Cr: 16,0-23,0%
Cr добавляют с целью придания коррозионной стойкости нержавеющей стали посредством формирования пассивной пленки на поверхности сплава. Cr также оказывает действие по стабилизации аустенитной фазы относительно мартенситного превращения. Для того чтобы обеспечить адекватную коррозионную стойкость, содержание Cr должно составлять, по меньшей мере, 16%. С другой стороны, поскольку Cr является сильным стабилизатором феррита, содержание Cr более 23% требует добавления более дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель или кобальт, для поддержания содержания феррита на приемлемо низком уровне. Содержание Cr, составляющее более 23%, также способствует формированию нежелательных фаз, таких как сигма. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 16,0-23,0% Cr. Согласно одному варианту осуществления содержание Cr может составлять 16,0-22,0% или, в качестве альтернативы, 17,0-21,0%.
N: 0,05-0,35%
N включают в состав сплава в качестве частичного заместителя стабилизирующего аустенит элемента Ni и усиливающего коррозию элемента Мо. Азот увеличивает прочность сплава. Содержание N должно составлять, по меньшей мере, 0,05%, для придания прочности и коррозионной стойкости и стабилизации аустенитной фазы. Добавление более 0,35% N может превысить растворимость N во время плавления и сварки, что приводит к возникновению пористости из-за пузырьков газообразного азота. Даже при соблюдении верхнего предела растворимости содержание N в количестве более 0,35% повышает предрасположенность к осаждению частиц нитрида, что снижает коррозионную стойкость и вязкость. Авторы настоящего изобретения определили, что содержание N до 0,35% совместимо с содержанием в сплаве Nb без формирования проблематичного уровня осадков карбонитрида ниобия. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 0,05-0,35% N. Согласно одному варианту осуществления содержание N может составлять 0,08-0,30%.
Мо: до 3,0%
Авторы настоящего изобретения занимались разработкой способов ограничения содержания Мо в сплаве с сохранением его приемлемых свойств. Мо эффективен для стабилизации пассивной оксидной пленки, формирующейся на поверхности различных типов нержавеющей стали, и защищает от точечной коррозии, вызванной действием хлоридов. Для оказания такого действия Мо может быть добавлен при осуществлении настоящего изобретения в количестве, составляющем до 3,0%. Из-за высокой стоимости содержание Мо может составлять 0,5-2,0%, что является достаточным для обеспечения нужной коррозионной стойкости, в сочетании с соответствующими количествами хрома и азота. Содержание Мо более 3,0% вызывает ухудшение горячей обрабатываемости, увеличивая фракцию феррита затвердевания до потенциально нежелательных уровней. Высокое содержание Мо также повышает вероятность формирования вредных интерметаллических фаз, таких как сигма-фаза. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит до 3,0% Мо. Согласно одному варианту осуществления содержание Мо может составлять около 0,40-2,0% или, в качестве альтернативы, 0,50-2,0%.
Со: до 1,0%
Со служит заменителем никеля для стабилизации аустенитной фазы. Добавление кобальта также служит для повышения прочности материала. Верхний предел содержания кобальта предпочтительно составляет 1,0%.
В: до 0,01%
Для улучшения горячей обрабатываемости и качества поверхности различных типов нержавеющей стали может быть добавлено всего лишь 0,0005% В. Однако добавление более 0,01% В ухудшает коррозионную стойкость и обрабатываемость сплава. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит до 0,01% В. Согласно одному варианту осуществления содержание В может составлять до 0,008% либо до 0,005%.
Cu: до 3,0%
Cu является стабилизатором аустенита и может быть использован для замены части никеля в данном сплаве. Он также улучшает коррозионную стойкость в восстановительных средах и улучшает формуемость, уменьшая энергию дефекта упаковки. Однако было установлено, что добавление более 3% Cu снижает горячую обрабатываемость различных типов аустенитной нержавеющей стали. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит до 3,0% Cu. Согласно одному варианту осуществления содержание Cu может составлять до 1,0%.
W: до 4,0%
W обеспечивает такое же действие, как и молибден, по улучшению стойкости к хлоридному питтингу и щелевой коррозии. W способен также уменьшить тенденцию к формированию сигма-фазы при замене молибдена. Однако добавление более 4% W может снизить горячую обрабатываемость сплава. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит до 4,0% W. Согласно одному варианту осуществления содержание W может составлять до 0,05-0,60%.
0,5≤(Mo+W/2)≤5,0
Как молибден, так и вольфрам эффективно стабилизирует пассивную оксидную пленку, формирующуюся на поверхности различных типов нержавеющей стали, и защищает от точечной коррозии, вызванной действием хлоридов. Поскольку эффективность (вес.) W по снижению коррозионной стойкости приблизительно вдвое ниже такой же эффективности Мо, для получения нужной коррозионной стойкости необходима комбинация (Мо+W/2)>0,5%. Однако слишком высокое содержание Мо также повышает вероятность формирования интерметаллических фаз, а слишком высокое содержание W снижает горячую обрабатываемость материала. Поэтому значение комбинации (Мо+W/2) должно предпочтительно составлять менее 5%. Согласно одному варианту осуществления молибден и вольфрам могут присутствовать таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤2,3, либо, в качестве альтернативы, таким образом, чтобы 0,5≤(Mo+W/2)≤4,0.
1,0≤(Ni+Со)≤8,0
Как никель, так и кобальт стабилизируют аустенитную фазу при формировании феррита. Для стабилизации аустенитной фазы в присутствии ферритных стабилизирующих элементов, таких как хром и молибден, необходимо присутствие, по меньшей мере, 1,0% (Ni+Co), которые должны быть добавлены для получения нужной коррозионной стойкости. Однако как Ni, так и Со являются дорогостоящими элементами, поэтому содержание (Ni+Co) должно составлять менее 8,0%. Согласно одному варианту осуществления содержание (Ni+Co) может составлять более 4,0%, но менее 7,5%.
(7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5
Nb взаимодействует с углеродом и, в меньшей степени, с азотом, образуя карбиды и карбонитриды в виде небольших частиц. Такие частицы эффективно предотвращают формирование нежелательных карбидов хрома во время воздействия при высокой температуре и во время сварки, что улучшает коррозионную стойкость при комнатной температуре. Такие частицы, будучи получены с использованием эффективной термической обработки, также способны улучшать прочность при повышенной температуре и сопротивление ползучести. Минимальное добавление (7,5×%С) обеспечивает присутствие одного атома Nb на каждый атом С, растворенный в металле. Более высокое содержание Nb расходует нужный N, поэтому желательно поддерживать содержание Nb на уровне, составляющем менее 1,5%. Другие элементы, формирующие стойкие карбиды, включая, но не ограничиваясь ими, Ti, V, Та и Zr, могут быть добавлены вместо ниобия. Однако такие заменители более сильно взаимодействуют с N, чем Nb, поэтому их положительный эффект, такой как улучшенная свариваемость, должен регулироваться. Авторы настоящего изобретения установили, что суммарное процентное содержание по весу Nb, Ti, V, Та и Zr должно поддерживаться на уровне от (7,5%(С) до 1,5%. Иными словами, (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5%. Согласно некоторым вариантам осуществления (7,5(%С))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,0%. Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления сплав включает, по меньшей мере, 0,1% Nb, а суммарное процентное содержание по весу Nb, Ti, V, Ta и Zr находится в диапазоне от (7,5(%С)) до 1,5% или 1,0%. Согласно некоторым осуществления Ti, V, Ta и Zr присутствуют только в виде случайных загрязняющих примесей или на как можно более низком практическом уровне. Согласно некоторым вариантам осуществления с целью оптимизации коррозионной стойкости при комнатной температуре, прочности при повышенной температуре, сопротивления ползучести и свариваемости сплава некоторые варианты сплава имеют содержание Nb, составляющее, по меньшей мере, (7,5(%С)), а Ti, V, Ta и Zr присутствуют в виде только случайных загрязняющих примесей. Авторы настоящего изобретения установили, что содержание Nb до 1,5% подходит к содержанию N в сплаве, составляющему 0,05-0,35%, тем, что подобное сочетание не приводит к образованию такого количества осадков карбонитрида ниобия, которое ухудшает сопротивление ползучести до неприемлемой степени.
Баланс аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает железо и неизбежные загрязняющие примеси, такие как фосфор и сера. Как понятно любому специалисту в данной области техники, содержание неизбежных загрязняющих примесей предпочтительно поддерживают на наиболее низком практическом уровне.
Содержание элементов, формирующих очень стойкие нитриды, таких как Al, должно поддерживаться на низком уровне.
Стабилизированная аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению может быть также охарактеризована уравнениями, количественно определяющими проявляемые ею свойства, например эквивалентное число точечной коррозии, ферритное число и температура МD30.
Эквивалентное число сопротивления точечной коррозии (РREN) позволяет относительно оценить ожидаемую стойкость сплава к точечной коррозии в хлоридсодержащей среде. Чем выше PREN, тем лучше ожидаемая коррозионная стойкость сплава. РРЕN может быть рассчитано по следующей формуле:
PREN=%Cr+3,3(%Mo)+16(%N)
В качестве альтернативы, к вышеприведенной формуле может быть добавлен коэффициент, равный 1,65(%W), учитывающий присутствие вольфрама в сплаве. Вольфрам улучшает стойкость к точечной коррозии различных типов нержавеющей стали и приблизительно наполовину так же эффективен, как и молибден по весу. При включении в расчеты вольфрама эквивалентное число сопротивления точечной коррозии обозначают как PREW и рассчитывают по следующей формуле:
PREW=%Cr+3,3(%Mo)+1,65(%W)+16(%N)
Вольфрам в сплаве согласно настоящему изобретению играет такую же роль, как и молибден. Как таковой, вольфрам может быть добавлен в качестве заменителя молибдена для улучшения стойкости к точечной коррозии. Согласно уравнению для сохранения такой же стойкости к точечной коррозии два процента вольфрама должны быть добавлены на каждый процент молибдена. Сплав согласно настоящему изобретению имеет величину PREW, составляющую более 22, предпочтительно, даже до 30.
Сплав согласно настоящему изобретению также может быть охарактеризован его ферритным числом. Положительное ферритное число обычно связано с присутствием феррита, улучшающего солидификационные свойства сплава и способствующего ингибированию горячего растрескивания сплава во время операций по горячей обработке и сварке. Таким образом, в первоначально затвердевшей микроструктуре желательно присутствие небольшого количества феррита, обеспечивающего хорошую жидкотекучесть и предотвращающего горячее растрескивание во время сварки. С другой стороны, слишком большое количество феррита может вызвать возникновение проблем во время работы, включая, но не ограничиваясь ими, микроструктурную нестабильность, ограниченную пластичность и ухудшение механических свойств при высокой температуре. Ферритное число (FN) может быть рассчитано с помощью следующего уравнения:
FN=3,34(Cr+1,5Si+Mo+2Ti+0,5Co)-2,46(Ni+30N+30C+0,5Mn+0,5Cb)-28,6
Сплав согласно настоящему изобретению имеет ферритное число до 10, предпочтительно - положительное число, более предпочтительно - приблизительно от 3 до 5.
Температура MD30 сплава означает температуру, при которой происходит 30% холодная деформация 50% аустенита в мартенсит. Чем ниже температура MD30, тем выше стойкость материала к мартенситному превращению. Стойкость к мартенситному превращению обеспечивает более низкий уровень механического упрочнения, что, в свою очередь, обеспечивает хорошую формуемость, особенно при волочении. MD30 рассчитывают с помощью следующего уравнения:
MD30(°С)=413-462(С+N)-9,2(Si)-8,1(Mn)-13,7(Cr)-9,5(Ni)-17,1(Cu)-18,5(Mo)
Сплав согласно настоящему изобретению имеет температуру MD30 менее 20°С, а в предпочтительных вариантах осуществления - менее приблизительно -10°С.
Примеры
В таблице 1 указаны составы и величины рассчитанных параметров сплавов 1-5 согласно настоящему изобретению и сравнительных сплавов S31600, S31635, S21600 и S20100.
Сплавы 1-5 согласно настоящему изобретению плавят в вакуумной печи лабораторного размера и отливают в виде 50-фунтовых слитков. Полученные слитки вновь нагревают и подвергают горячей прокатке, получая материал толщиной около 0,250” (дюйма). Материал отжигают, обдувают и протравливают. Часть полученного материала подвергают холодной прокатке до толщины 0,100”, а оставшуюся часть - холодной прокатке до толщины 0,050 или 0,040”. Холоднокатаный материал отжигают и протравливают. Сравнительные сплавы S31600, S316351, S21600 и S20100 являются коммерчески доступными, поэтому данные по этим сплавам взяты из опубликованной литературы или получены в результате испытаний материала, недавно изготовленного для коммерческих целей.
Рассчитанные величины PREW для каждого сплава показаны в таблице 1. С учетом вышеприведенного уравнения ожидается, что сплавы, имеющие PREW более 24,0, имеют лучшую стойкость к точечной коррозии хлоридом, чем сравнительный материал S31635, в то время как сплавы, имеющие более низкий PREW, подвержены точечной коррозии в большей степени.
Было также рассчитано ферритное число для каждого сплава в таблице 1. Ферритное число каждого сплава 1-5 согласно настоящему изобретению имеет предпочтительное значение, составляющее менее 10.
Также были рассчитаны величины MD30 для сплавов в таблице 1. Согласно расчетам сплавы 1-5 согласно настоящему изобретению, особенно сплавы 4 и 5 согласно настоящему изобретению, проявляют такую же стойкость к формированию мартенсита, как и сравнительные сплавы S31600 и S31635.
| Таблица 1 | |||||||||
| Сплавы согласно настоящему изобретению Alloys | Сравнительные сплавы | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | S31600 | S31635 | S21600 | S20100 | |
| С | 0,017 | 0,015 | 0,014 | 0,014 | 0,016 | 0,017 | 0,016 | 0,018 | 0,02 |
| Mn | 4,7 | 4,8 | 4,7 | 5,1 | 4,9 | 1,24 | 1,81 | 8,3 | 6,7 |
| Si | 0,26 | 0,27 | 0,28 | 0,29 | 0,3 | 0,45 | 0,50 | 0,40 | 0,40 |
| Cr | 16,6 | 16,6 | 16,6 | 18,1 | 18,2 | 16,3 | 16,8 | 19,7 | 16,4 |
| Ni | 5,2 | 5,2 | 5,2 | 5,5 | 5,5 | 10,1 | 10,7 | 6,0 | 4,1 |
| Mo | 1,47 | 1,47 | 1,47 | 1,00 | 1,1 | 2,1 | 2,11 | 2,5 | 0,26 |
| Cu | 0,40 | 0,40 | 0,39 | 0,40 | 0,5 | 0,38 | 0,36 | 0,40 | 0,43 |
| N | 0,075 | 0,104 | 0,081 | 0,129 | 0,170 | 0,04 | 0,013 | 0,37 | 0,15 |
| P | 0,011 | 0,012 | 0,012 | 0,014 | 0,014 | 0,03 | 0,031 | 0,03 | 0,03 |
| S | 0,0010 | 0,001 | 0,001 | 0,0016 | 0,0016 | 0,0010 | 0,0004 | 0,0010 | 0,0010 |
| W | 0,10 | 0,10 | 0,09 | 0,04 | 0,09 | 0,11 | 0,10 | 0,10 | 0,1 |
| В | 0,001 | 0,001 | 0,0016 | 0,0022 | 0,0022 | 0,0025 | 0,0025 | 0,0025 | 0,0005 |
| Fe | Bal | Bal | Bal | Bal | Bal | Bal | Bal | Bal | Bal |
| Cb | 0,710 | 0,498 | 0,288 | 0,500 | 0,26 | 0,35 | 0,02 | 0,10 | 0,10 |
| Co | 0,22 | 0,19 | 0,15 | 0,19 | 0,15 | - | - | - | |
| Ti | - | - | - | - | - | - | 0,22 | - | - |
| FN | 8,3 | 5,8 | 7,5 | 6,6 | 3,7 | 4,1 | 6,7 | -6,2 | -2,3 |
| PREw | 22,9 | 23,4 | 23,1 | 23,6 | 24,7 | 24,0 | 24,0 | 33,9 | 19,7 |
| MD30 | 19,3 | 6,6 | 17,2 | -22,2 | -46,2 | -63 | -72,4 | -217,4 | 0,7 |
| RMCI | 0,63 | 0,63 | 0,62 | 0,59 | 0,60 | 0,96 | 1,00 | 0,80 | 0,41 |
| Предел текучести | 47,0 | 47,0 | 46,1 | 48,4 | 53,7 | 43,5 | 41,5 | 55 | 43 |
| Прочность на растяжение | 102,0 | 105,5 | 104,5 | 105,9 | 106,4 | 90,6 | 92,0 | 100 | 100 |
| %Е | 43 | 49 | 48 | 41 | 49 | 56 | 67 | 45 | 56 |
| OCH | 0,42 | 0,39 | 0,40 | 0,41 | 0,43 | 0,45 | - | - | - |
Таблица 1 также включает индекс стоимости сырья (RMCI), позволяющего сравнить стоимость материалов для каждого сплава со стоимостью материалов для сравнительного сплава S31635. RMCI рассчитывают, умножая среднюю стоимость на октябрь 2007 г. таких сырьевых материалов, как Fe, Cr, Mn, Ni, Mo, W и Со, на процентную величину каждого элемента, содержащегося в сплаве, и деля на стоимость сырьевых материалов, содержащихся в сравнительном сплаве S31635. Как показывают полученные значения, величины RMCI сплавов 1-5 согласно настоящему изобретению составляют менее 0,65, что означает, что стоимость содержащихся в них сырьевых материалов составляет менее 65% стоимости материалов в сплаве S31635. Тот факт, что материал, имеющий свойства, подобные свойствам сравнительного сплава S31635, может быть получен при существенно более низкой стоимости сырья, является неожиданным и не описанным ранее.
Определяют механические свойства сплавов 1-5 согласно настоящему изобретению и сравнивают с такими же свойствами сравнительных сплавов S31600, S31635, S21600 и S20100. Результаты измерения предела текучести, прочности на растяжение, процентная величина относительного удлинения на 2 дюймах базовой длины и высота лунки при испытаниях по Ольсену показаны в таблице 1. Испытаниям на растяжение был подвергнут материал толщиной 0,100”, испытаниям про Шарпи были подвергнуты образцы толщиной 0,197”, а луночным испытаниям по Ольсену был подвергнут материал, имеющий толщину от 0,040 до 0,050 дюймов. Все испытания было проведены при комнатной температуре. В таблице 1 были использованы следующие единицы данных: предел текучести и прочность на растяжение - ksi; удлинение - проценты; высота лунки при испытаниях по Ольсену - дюймы. Как следует из приведенных данных, сплавы 1-5 согласно настоящему изобретению, в частности, сплавы 4 и 5 согласно настоящему изобретению, имеют свойства, сравнимые со свойствами коммерчески доступного материала S31635. Сплавы по изобретению имеют меньше чем половинное содержание никеля и значительно меньшее содержание Мо, чем в сплаве S31635. Существенно более низкое содержание дорогостоящих легирующих элементов никеля и молибдена таково, что RMCI сравнительных сплавов 4 и 5, по меньшей мере, на 40% ниже RMCI сравнительного сплава S31635. Однако несмотря на существенно более низкое содержание никеля и молибдена, сплавы согласно настоящему изобретению 4 и 5 имеют аустенитную микроструктуру, а их предел текучести и прочность на растяжение существенно выше таких же характеристик сравнительного сплава S31635.
Предлагаемые новые сплавы могут быть использованы для самых различных целей. Как описано и подтверждено выше, описанные здесь составы аустенитной нержавеющей стали могут заменить S31600 и, что более существенно, S31635 во многих случаях. Кроме того, поскольку стоимость никеля и молибдена является высокой, значительная экономия может быть достигнута благодаря замене S31600 и S31635 составом сплава согласно настоящему изобретению. Другое преимущество заключается в том, что, поскольку данные сплавы являются полностью аустенитными, они не подвержены ни резкому переходу от вязкости к хрупкости (DBT) при отрицательной температуре, ни охрупчиванию при температуре 885°F при повышенных температурах. Поэтому в отличие от двухфазных сплавов они могут быть использованы при температурах выше 650°F и являются первоочередными материалами для низкотемпературного и криогенного использования. Ожидается, что коррозионная стойкость, формуемость и обрабатываемость описанных здесь сплавов очень близка таким же свойствам стандартных типов аустенитной нержавеющей стали. Конкретные примеры готовых изделий, для изготовления которых особенно подходят описываемые сплавы, включают, например, гибкие муфты для отводящих труб автомобилей и других конструкций, сильфоны, гибкие трубы, облицовки для дымоходов и для газоотводов.
Несмотря на то что в вышеприведенной части описания было представлено ограниченное число вариантов осуществления настоящего изобретения, рядовым специалистам в данной области техники понятно, что ими могут быть внесены различные изменения в устройства, методы и другие детали описанных и проиллюстрированных здесь примеров и что все подобные модификации соответствуют принципам и объему, заявленным в данном описании и прилагаемой формуле изобретения. Поэтому подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается описанными здесь конкретными вариантами его осуществления, а включает модификации, соответствующие принципам и объему настоящего изобретения, заявленным в формуле изобретения. Для специалистов в данной области техники также понятно, что изменения могут быть внесены в описанные выше варианты осуществления без нарушения их широкого изобретательского замысла.
1. Аустенитная нержавеющая сталь, состоящая из, вес.%: до 0,20 С, 2,0-9,0 Мn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,5-2,0 Mo, 0,05-0,35 N, до 4,0 W, (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, а также имеющая величину эквивалентного числа сопротивления точечной коррозии PREW более 22 до 30.
2. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0.
3. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой 0,5≤(Mo+W/2)≤4,0.
4. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой 1,0≤(Ni+Co)≤8,0.
5. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой 4,0≤(Ni+Co)≤7,5.
6. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,0.
7. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Nb составляет по меньшей мере 0,1 Nb.
8. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой (7,5(%C))≤Nb≤1,5.
9. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, имеющая ферритное число менее 10.
10. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, имеющая ферритное число более 0 и до 10.
11. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, имеющая ферритное число от 3 до 5.
12. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой величина МD30 стойкости материала к мартенситному превращению составляет около 20°С.
13. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой величина МD30 стойкости материала к мартенситному превращению составляет около -10°С.
14. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание С ограничено до 0,10 вес.%.
15. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Si ограничено от 0,5 до 0,1 вес.%.
16. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Мn ограничено от 2,0 до 8,0 вес.%.
17. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Мn ограничено от 3,5 до 6,5 вес.%.
18. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Ni ограничено от 4,0 до 6,5 вес.%.
19. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание Сr ограничено от 17,0 до 21,0 вес.%.
20. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, состоящая из, вес.%: до 0,10 С, 2,0-8,0 Мn, до 1,00 Si, 16,0-22,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,50-2,0 Mo, 0,08-0,30 N, (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,05-0,60 W, до 1,0 Со, до 0,040 Р, до 0,030 S и до 0,008 В, железо и случайные загрязняющие примеси, а также имеющая величину эквивалентного числа сопротивления точечной коррозии PREW от более 22 до 30.
21. Аустенитная нержавеющая сталь по п.20, в которой 0,5≤(Mo+W/2)≤2,3.
22. Аустенитная нержавеющая сталь по п.20, в которой 1,0≤(Ni+Co)≤8,0.
23. Аустенитная нержавеющая сталь по п.20, в которой содержание Nb ограничено, по меньшей мере, 0,1 вес.%.
24. Аустенитная нержавеющая сталь по п.20, в которой (7,5(%C))≤Nb≤1,5.
25. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, состоящая из, вес.%: до 0,08 С, 3,5-6,5 Мn, до 1,00 Si, 17,0-21,0 Cr, 0,5-2,0 Mo, 4,0-6,5 Ni, 0,08-0,30 N, (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,050 Р, до 0,030 S, железо и случайные загрязняющие примеси, имеющая величину эквивалентного числа сопротивления точечной коррозии PREW от более 22 до 30.
26. Аустенитная нержавеющая сталь по п.25, в которой 0,5≤(Mo+W/2)≤4,0.
27. Аустенитная нержавеющая сталь по п.25, в которой 4,0≤(Ni+Co)≤7,5.
28. Аустенитная нержавеющая сталь по п.25, в которой содержание Nb ограничено, по меньшей мере, 0,1 вес.%.
29. Аустенитная нержавеющая сталь по п.25, в которой (7,5(%C))≤Nb≤1,5.
30. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, имеющая предел текучести 46,1-53,7 ksi.
31. Аустенитная нержавеющая сталь по п.1, в которой содержание W ограничено 0,05-0,60 вес.%.
32. Аустенитная нержавеющая сталь по п.20, имеющая предел текучести 46,1-53,7 ksi.
33. Аустенитная нержавеющая сталь по п.25, имеющая предел текучести 46,1-53,7 ksi.
34. Аустенитная нержавеющая сталь по п.30, имеющая предел текучести около 47 ksi.
35. Аустенитная нержавеющая сталь по п.30, имеющая предел текучести более высокий, чем у стали UNS S31635.
36. Изделие, включающее аустенитную нержавеющую сталь, состоящую из, вес.%: до 0,20 С, 2,0-9,0 Мn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 1,0-7,0 Ni, 0,5-2,0 Mo, 0,05-0,35 N, до 4,0 W, (7,5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1,5, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, и имеющую величину эквивалентного числа сопротивления точечной коррозии PREW от более 22 до 30.
37. Изделие по п.36, в котором в аустенитной нержавеющей стали содержание Nb ограничено, по меньшей мере, 0,1 вес.%.
38. Изделие по п.36, в котором в аустенитной нержавеющей стали содержание Nb составляет (7,5(%C))≤Nb≤1,5.
39. Изделие по п.36, в котором изделие пригодно для использования, по меньшей мере, в одной из таких окружающих сред, как низкотемпературная среда и криогенная среда.
40. Изделие по п.36, в котором изделие выбрано из группы, включающей гибкую муфту, сильфон, гибкую трубу, облицовку для дымохода и облицовку для газоотвода.
41. Изделие по п.36, в котором аустенитная нержавеющая сталь имеет предел текучести 46,1-53,7 ksi.
42. Изделие по п.41, в котором аустенитная нержавеющая сталь имеет предел текучести около 47 ksi.
43. Изделие по п.36, выполненное в виде трубы.
44. Изделие по п.36, в котором аустенитная нержавеющая сталь имеет предел текучести более высокий, чем у стали UNS S31635.
