ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННАЯ, КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ АУСТЕНИТНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
SPARINGLY ALLOYED CORROSION-RESISTANT AUSTENITIC STAINLESS STEEL

Перекрестная ссылка на родственные заявки
В данной заявке испрашивается приоритет согласно 35 U.S.С. § 119 (е) рассматриваемой одновременно предварительной заявки на патент США серийный №61/015,338, поданной 20 ноября 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 низкое содержание молибдена, и, по меньшей мере, обладающему сравнимой коррозионной стойкостью и формуемостью 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, дополненное добавками активирующих и стабилизирующих аустенит элементов, таких как никель, марганец и азот, позволяющих добавлять ферритообразующие 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.
ТМ
Примером аустенитной нержавеющей стали является нержавеющая сталь EN 1.4432, представляющая собой сплав, содержащий 16,5-18,5% хрома, 10,5-13% никеля и 2,5-3,0% 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 вызвали необходимость разработки экономически выгодных альтернатив EN 1.4432, тем не менее обладающих высокой коррозионной стойкостью и хорошей формуемостью. В последнее время в качестве более дешевой альтернативы EN 1.4432 использовались малолегированные двухфазные сплавы, такие как UNS S32003 (сплав AL 2003), однако, несмотря на то что такие сплавы имеют хорошую коррозионную стойкость, они содержат приблизительно 50% феррита, что придает им более высокую прочность и более низкую пластичность по сравнению с EN 1.4432, вследствие чего они имеют худшую формуемость. Применение двухфазных нержавеющих сталей также является более ограниченным по сравнению с EN 1.4432 в условиях высоких и низких температур.
Другим аустенитным сплавом является тип 317 (UNS S31700). S31700 содержит 18,0-20,0% хрома, 11,0-15,0% никеля и 3,0-4,0% молибдена. Из-за более высокого содержания Ni и Мо S31700 является более дорогостоящей альтернативой EN 1.4432 и другому обычно используемому аустенитному сплаву типа 316 (UNS S31600), содержащему 16,0-18,0% хрома, 10,0-14,0% никеля и 2,0-3,0% молибдена. В то время как коррозионная стойкость S31700 превосходит коррозионную стойкость EN 1.4432 и S31600, более высокая стоимость его сырьевых материалов делает использование S31700 слишком дорогостоящим для многих видов использования.
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, 2-3% молибдена и 0,25-0,50% азота. S21600 представляет собой вариант S31600 с меньшим содержанием никеля и большим содержанием марганца, имеющий очень высокое содержание азота, придающее ему большую прочность и повышающее коррозионную стойкость. Однако формуемость S21600 не такая хорошая, как формуемость S31600 или EN 1.4432, а очень низкое ферритное число S21600 (-6,2) затрудняет литье и сварку. Также из-за того, что S21600 содержит такое же количество молибдена, как и EN 1.4432, переход на S21600 не обеспечивает экономии затрат на молибден.
Другие примеры различных марок аустенитной нержавеющей стали включают многочисленные сплавы, в которых никель заменен марганцем с целью сохранения аустенитной структуры, как, например, в стали класса 201 (UNS S20100) и подобных ей марках. Несмотря на то, что сталь класса 201, например, представляет собой сплав с низким содержанием никеля, имеющий высокую коррозионную стойкость, она обладает плохой формуемостью. Существует потребность получения сплава, имеющего такую же или более высокую коррозионную стойкость и формуемость, чем такие же свойства EN 1.4432, при этом содержащего меньшее количество никеля и молибдена таким образом, чтобы быть экономически выгодным. Более того, 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 1000°F.
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается решение, в данное время отсутствующее на рынке, относящееся к составу формуемого аустенитного нержавеющего стального сплава, имеющего коррозионную стойкость, такую же или превосходящую коррозионную стойкость EN 1.4432, но обеспечивающего экономию стоимости сырья. Соответственно, настоящее изобретение относится к аустенитному сплаву, в котором используется комбинация таких элементов, как Mn, Cu и N, замещающих Ni и Мо таким образом, чтобы создать сплав со сравнимой или превосходящей коррозионной стойкостью, формуемостью и другими свойствами, относящимися к некоторым сплавам с более 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 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, обладающий такой же или более высокой коррозионной стойкостью и формуемостью, как и EN 1.4432, и, потенциально, такой же, как и UNS S31700.
30
Один вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, при этом сталь имеет ферритное число, составляющее менее 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
30
Другой вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, при этом 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0 и/или 5,0≤(Ni+Co)≤8,0. Сталь имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
30
Следующий вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,08 С, 3,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 17,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, 0,5-3,0 Мо, до 1,0 Cu, 0,14-0,35 N, до 4,0 W, до 0,008 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, при этом сталь имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С. В некоторых вариантах сталь 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0 и/или 5,0≤(Ni+Co)≤8,0.
30
Очередной вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, баланс - железо и загрязняющие примеси, при этом сталь имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
W
Аустенитная нержавеющая сталь, описываемая в настоящем изобретении, может иметь величину PRE более приблизительно 26.
Согласно одному варианту осуществления способ получения аустенитной 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 горячую прокатку для получения плит или рулонов, холодную прокатку до заданной толщины, а также отжиг и травление материала. Другие способы согласно настоящему изобретению могут включать, например, плавление и/или повторное плавление в вакууме или в специальной атмосфере, отливку в виде профилей или 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 при низкой температуре или в криогенных условиях. Дополнительными неограничивающими примерами готовых изделий, которые могут быть изготовлены из описываемых сплавов или включать их, являются коррозионно-стойкие изделия, коррозионностойкие архитектурные панели, гибкие муфты, сильфоны, трубы, трубки, облицовки для дымоходов, облицовки для газоотводов, детали для пластинчато-рамочных теплообменников, детали для конденсаторов, детали для фармацевтического обрабатывающего оборудования, детали, используемые для санитарных целей, и детали для оборудования, предназначенного для производства или обработки этанола.
Подробное описание изобретения
Подразумевается, что в данном описании и формуле изобретения, в отличие от рабочих примеров или 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.”.
30
Настоящее изобретение относится к аустенитной нержавеющей стали. В частности, настоящее изобретение относится к составу аустенитной нержавеющей стали, обладающему такой же или более высокой коррозионной стойкостью и формуемостью, как и EN 1.4432, и, потенциально, такой же, как и UNS S231700. Аустенитная нержавеющая сталь включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, и имеет ферритное число, составляющее менее 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
30
Другой вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, при этом 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0 и/или 5,0≤(Ni+Co)≤8,0. Сталь имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
30
Следующий вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,08 С, 3,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 17,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, 0,5-3,0 Мо, до 1,0 Cu, 0,14-0,35 N, до 4,0 W, до 0,008 В, до 1,0 Со, железо и загрязняющие примеси, при этом сталь имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С. В некоторых вариантах сталь 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0 и/или 5,0≤(Ni+Co)≤8,0.
30
Очередной вариант выполнения аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению включает, в % вес., до 0,20 С, 2,0-6,0 Mn, до 2,0 Si, 16,0-23,0 Cr, 5,0-7,0 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Cu, 0,1-0,35 N, до 4,0 W, до 0,01 В, до 1,0 Со, баланс - железо и загрязняющие примеси, и имеет ферритное число, составляющее менее приблизительно 11, и величину MD, составляющую менее приблизительно -10°С.
С: до 0,20%
С служит для стабилизации аустенитной фазы и ингибирует индуцируемое деформацией мартенситное превращение. 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 0,08% или менее.
Si: до 2,0%
Содержание Si, составляющее более 2%, ускоряет формирование охрупчивающих фаз, таких как сигма, и снижает растворимость азота в сплаве. Si также стабилизирует ферритную фазу, поэтому содержание Si, составляющее более 2%, требует добавления дополнительных аустенитных стабилизаторов для сохранения аустенитной фазы. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит до 2,0% Si. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения содержание Si может составлять 1,0% или менее. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения действие добавления Si уравновешивается регулированием содержания Si до 0,5-1,0%.
Mn: 2,0-6,0%
Mn стабилизирует аустенитную фазу и в целом повышает растворимость азота, экономически выгодного легирующего элемента. Для того чтобы его 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 6,0%, ухудшает обрабатываемость материала и его коррозионную стойкость в некоторых окружающих средах. Также из-за того, что описываемый сплав содержит, по меньшей мере, 5% Ni, для достаточной стабилизации аустенитной фазы не потребуется более 6,0% Mn. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 2,0-6,0% Mn. Согласно одному варианту осуществления содержание Mn может составлять 3,0-6,0%.
Ni: 5,0-7,0%
Ni служит для стабилизации аустенитной фазы, а также для улучшения вязкости и формуемости. Однако из-за высокой стоимости никеля желательно, чтобы его содержание было низким. Авторы настоящего изобретения установили, что содержание никеля, составляющее 5,0-7,0%, позволит сохранить аустенитную фазу, а также позволит добавлять достаточное количество стабилизирующих феррит элементов, таких как Cr и Мо, для получения материала, обладающего такой же или подобной коррозионной стойкостью, как и EN 1.4432, сохраняя при этом такую же вязкость и формуемость при низкой стоимости. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 5,0-7,0% Ni.
Cr: 16,0-23,0%
Cr добавляют с целью придания коррозионной стойкости нержавеющей стали, а также 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, вероятнее всего, 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 17,0-23,0%.
N: 0,1-0,35%
N включают в состав сплава в качестве частичного заместителя стабилизирующего аустенит элемента Ni и усиливающего коррозию элемента Мо. Содержание N должно составлять, по меньшей мере, 0,1%, 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 предела растворимости содержание N в количестве более 0,35% повышает предрасположенность к осаждению частиц нитрида, что снижает коррозионную стойкость и вязкость. Соответственно, аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению содержит 0,1-0,35% N. Согласно одному варианту осуществления содержание N может составлять 0,14-0,35%.
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, образующейся на поверхности различных типов нержавеющей стали и защищающей от точечной коррозии, вызванной действием хлоридов. Для оказания такого действия Мо может быть добавлен при осуществлении настоящего изобретения в количестве, составляющем до 3,0%. Содержание Мо более 3,0% вызывает ухудшение горячей обрабатываемости, увеличивая фракцию феррита затвердевания (дельта) до потенциально нежелательных уровней. Высокое содержание Мо также повышает вероятность формирования нежелательных 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 0,5-3,0%.
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% или 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 точечной коррозии под действием хлоридов (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.
0,5≤(Mo+W/2)≤5,0
Как Мо, так и W эффективно стабилизирует пассивную оксидную пленку, образующуюся 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 необходимо сочетание (Мо+W/2)>0,5%. Однако слишком высокое содержание Мо также повышает вероятность формирования интерметаллических фаз, а слишком высокое содержание W снижает обрабатываемость материала. Поэтому значение сочетания (Мо+W/2) должно составлять менее 5%. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит 0,5≤(Mo+W/2)≤5,0.
5,0≤(Ni+Со)≤8,0
Как никель, так и кобальт стабилизируют аустенитную фазу при формировании феррита. Для стабилизации аустенитной фазы при повышенном содержании стабилизирующих феррит элементов, таких как Cr и Mo, необходимо присутствие, по меньшей мере, 5,0% (Ni+Co), которые должны быть добавлены для получения высокой коррозионной стойкости. Однако как Ni, так и Со являются дорогостоящими элементами, поэтому содержание (Ni+Co) должно составлять менее 8%. Соответственно, состав аустенитной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению содержит 5,0≤(Ni+Co)≤8,0.
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.
30
Аустенитная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению может быть также охарактеризована уравнениями, количественно определяющими проявляемые ею свойства, например эквивалентное число стойкости к точечной коррозии, ферритное число и температуру МD.
N
N
N
Эквивалентное число стойкости к точечной коррозии (РRЕ) позволяет относительно определять ожидаемую стойкость сплава к точечной коррозии в хлоридсодержащей среде. Чем выше РRЕ, тем лучше ожидаемая коррозионная стойкость сплава. PRE может быть рассчитан по следующей формуле:
N
PRE=%Cr+3,3 (%Mo)+16 (%N)
W
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 стойкости к точечной коррозии обозначают как PRE и рассчитывают по следующей формуле:
W
PRE=%Cr+3,3 (%Мо)+1,65 (%W)+16 (%N)
W
Вольфрам в описываемом сплаве 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. В некоторых вариантах выполнения сплава согласно настоящему изобретению величины PRE составляют более 26, предпочтительно - даже 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+0,5Cu)-28,6
Сплав согласно настоящему изобретению имеет ферритное число до 11, предпочтительно - положительное число, более предпочтительно - приблизительно от 3 до 7. Из дальнейшей части описания станет понятно, что некоторые известные сплавы нержавеющей стали, включая сплавы с относительно низким содержанием никеля и молибдена, имеют существенно меньшие ферритные числа, чем сплавы согласно настоящему изобретению.
30
30
30
Температура MD сплава означает температуру, при которой 30% холодная деформация приводит к 50% превращению аустенита в мартенсит. Чем ниже температура MD, тем выше стойкость материала к мартенситному превращению. Стойкость к формированию мартенсита приводит к более низкому уровню механического упрочнения, что в свою очередь обеспечивает хорошую формуемость, особенно при волочении. MD рассчитывают с помощью следующего уравнения:
30
MD(°С)=413-462(С+N)-9,2(Si)-8,1(Mn)-13,7(Cr)-9,5(Ni)-17,1(Cu)-18,5(Mo)
30
30
Сплав согласно настоящему изобретению имеет температуру MD менее -10°С, предпочтительно - менее приблизительно -30°С. Многие известные сплавы нержавеющей стали с низким содержанием никеля имеют величины MDсущественно больше таких же величин сплавов согласно настоящему изобретению.
Примеры
В таблице 1 указаны составы и величины расчетных параметров сплавов 1-3 согласно настоящему изобретению и сравнительных сплавов, СА1, EN 1.4432, S31600, S21600, S31700 и S20100.
Сплавы 1-3 согласно настоящему изобретению и сравнительный сплав СА1 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). Данный 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 EN 1.4432, S31600, S21600, S31700 и S20100 являются коммерчески доступными, поэтому данные по этим сплавам взяты из опубликованной литературы или получены в результате испытаний материала, изготовленного для коммерческих целей.
W
W
W
Рассчитанные величины PRE для каждого сплава показаны в таблице 1. С учетом вышеприведенного уравнения ожидается, что сплавы, имеющие PRE более 26, имеют лучшую стойкость к точечной коррозии под действием хлорида, чем материал EN 1.4432. Ожидается, что сплавы, имеющие PRE более 29,0, имеют, по меньшей мере, такую же стойкость к точечной коррозии хлоридом, как и S31700.
Было также рассчитано ферритное число для каждого сплава в таблице 1. Ферритные числа сплавов согласно настоящему изобретению 1-3 составляют от 5,0 до 7,5. Такие числа не выходят за рамки желаемого диапазона и способствуют хорошей свариваемости и жидкотекучести.
30
Также были рассчитаны величины MD для сплавов в таблице 1. Согласно расчетам все сплавы согласно настоящему изобретению проявляют большую стойкость к формированию мартенсита, чем сплав S31600.
30
Таблица 1 также включает индекс стоимости сырья (RMCI), позволяющего сравнить стоимость материалов для каждого сплава со стоимостью материалов для S31600. 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 S31600. Как показывают полученные величины, значения RMCI сплавов согласно настоящему изобретению составляют от 0,60 до 0,71, что означает, что стоимость содержащегося в них сырья составляет 64 и 71% от стоимости сырья в S31600. И, напротив, RMCI для EN 1.4432 составляет 1,09. Тем не менее, ферритные числа для каждого сплава согласно настоящему изобретению сравнимыми с ферритными числами, указанными для EN 1.4432, а величины MDсплавов согласно настоящему изобретению существенно ниже таких же величин для EN 1.4432. Тот факт, что материал, обладающий формуемостью и коррозионными свойствами, по меньшей мере, сравним со свойствами EN 1.4432, может быть получен при существенно более низкой стоимости сырья, является неожиданным и не описанным ранее.
Определяют механические свойства сплавов 1-3 согласно настоящему изобретению и сравнивают с такими же свойствами сравнительного сплава СА1 и коммерчески доступных EN 1.4432, S31600, S21600, S21700 и S20100. Результаты измерений предела текучести, прочности на растяжение, относительного удлинения на 2 дюймах базовой длины, S энергии удара при испытаниях с V-образным надрезом по Шарпи и высоты лунки при испытаниях по Ольсену данных сплавов показаны в таблице 1. Испытаниям на растяжение был подвергнут материал толщиной 0,197”, 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 были проведены при комнатной температуре. В таблице были использованы следующие единицы данных: предел текучести и прочность на растяжение - ksi; удлинение - проценты; высота лунки при испытаниях по Ольсену - дюймы; энергия удара при испытаниях по Шарпи - фунты-футы. Как следует из приведенных данных, сплавы согласно настоящему изобретению имеют несколько большую прочность и меньший процент удлинения, чем такие же свойства EN 1.4432, тем самым, по меньшей мере, обеспечивая формуемость, сравнимую с формуемостью EN 1.4432.
Электрохимическому испытанию на критическую температуру точечной коррозии в соответствии со стандартом ASTM G150 были подвергнуты образцы сплавов 1-3 согласно настоящему изобретению и сравнительных сплавов СА1, EN 1.4432, S31600, S31700 и S20100. Как следует из результатов, приведенных в таблице 1, сплав 2 согласно настоящему изобретению имеет такую же критическую температуру точечной коррозии, как и сплав EN 1.4432, в то время как сплавы 1 и 3 согласно настоящему изобретению имеют критическую температуру точечной коррозии существенно выше такой же температуры EN 1.4432 и более чем вдвое выше такой же температуры S31600. Тот факт, что сплав, стоимость сырья которого на 29%-36% ниже стоимости сырья сплава S31600, имеет критическую температуру точечной коррозии приблизительно на 16°С выше, обладая при этом сравнительной вязкостью и формуемостью, явился неожиданным для авторов настоящего изобретения.
Предлагаемые новые сплавы могут быть использованы для самых различных целей. Как описано и подтверждено выше, описанные здесь составы аустенитной нержавеющей стали могут быть использованы во многих случаях, когда требуется формуемость и вязкость S31600, но необходима более высокая коррозионная стойкость. Кроме того, поскольку стоимость никеля и молибдена является высокой, существенная экономия может быть достигнута благодаря замене S31600 или EN 1.4432 сплавом согласно настоящему изобретению. Другое преимущество заключается в том, что, поскольку сплавы согласно настоящему изобретению являются полностью аустенитными, они не подвержены ни резкому переходу от вязкости к хрупкости (DBT) при низкой температуре, ни охрупчиванию при температуре 885°F. 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 формуемость и обрабатываемость описанных здесь сплавов очень близка таким же свойствам стандартных типов аустенитной нержавеющей стали. Конкретные готовые изделия, для изготовления которых особенно подходят сплавы согласно настоящему изобретению, включают, например, гибкие муфты для отводящих автомобильных и иных труб, сильфоны, гибкие трубы, а также облицовки для дымоходов/газоотводов. Специалисты в данной области техники смогут легко изготовить упомянутые и другие готовые изделия из сплавов согласно настоящему изобретению, используя известные способы производства.
Несмотря на то, что в вышеприведенной части описания было представлено ограниченное число вариантов осуществления, 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.