ТЕРМОСТОЙКАЯ ФЕРРИТНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
THERMAL RESISTANT FERRITE STAINLESS STEEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к хромсодержащим сталям и, в частности, к ферритным нержавеющим сталям, которые обладают как высокой стойкостью к тепловой усталости, так и высокой стойкостью к окислению и которые преимущественно используют для компонентов выхлопных систем, работающих в условиях высоких температур, например выхлопных труб автомобилей или мотоциклов, или отводов отработанного воздуха корпусов конвертеров или теплоэлектрических установок.
Уровень техники
Элементы для выхлопных газов, такие как выпускной коллектор, выхлопные трубы, корпуса конвертеров и глушители, эксплуатируемые в контакте с автомобильным выхлопом, должны быть безупречными в отношении стойкости к тепловой усталости или стойкости к окислению (далее для обоих свойств будет использоваться общее выражение «термостойкость»). Для применений, в которых требуется термостойкость, в настоящее время часто используют хромсодержащие стали, к которым добавлены Nb и Si, такие как сталь типа 429 (14Cr-0,9Si-0,4Nb). Однако когда температура выхлопного газа повышается в такой степени, что превышает 900°С, при улучшении характеристики двигателя стойкость к тепловой усталости стали типа 429 становится недостаточной.
С целью преодоления этой проблемы были разработаны хромсодержащие стали, высокотемпературный условный предел текучести которых был улучшен добавками Nb и Мо: сталь SUS444 (19Cr-0,5Nb-2Mo), характеристики которой даны в JIS G4305, ферритные нержавеющие стали, к которым добавлены Nb, Mo и W и т.д. (например, публикация японской не прошедшей экспертизу патентной заявки №2004-018921). Однако из-за необычно резкого повышения стоимости исходных редких металлов, таких как Мо или W, в настоящее время возрастает потребность в материалах с термостойкостью, эквивалентной термостойкости указанных выше материалов, в которых использовались бы недорогие исходные материалы.
В качестве материалов, обладающих высокой термостойкостью и не содержащих дорогостоящих элементов, таких как Мо и W, например, в публикации WO 2003/004714 раскрыта ферритная нержавеющая сталь для компонентов выхлопной системы автомобиля, в которой к стали с 10-20 мас.% Cr добавлены Nb: 0,50 мас.% или меньше, Cu: 0,8-2,0 мас.% и V: 0,03-0,20 мас.%; в публикации японской не прошедшей экспертизу патентной заявки №2006-117985 раскрыта ферритная нержавеющая сталь с высокой стойкостью, в которой к стали с 10-20 мас.% Cr добавлены Ti: 0,05-0,30 мас.%, Nb: 0,10-0,60 мас.%, Cu: 0,8-2,0 мас.% и В: 0,0005-0,02 мас.%; и в публикации японской не прошедшей экспертизу патентной заявки №2000-297355 раскрыта ферритная нержавеющая сталь для компонентов выхлопной системы автомобиля, в которой к стали с 15-25 мас.% Cr добавлена Cu: 1-3 мас.%. Стойкость к тепловой усталости соответствующих сталей улучшена добавлением Cu.
Однако исследования авторов настоящего изобретения показали, что, когда осуществляется добавление Cu в соответствии со способами указанных выше патентных документов, стойкость к усталости улучшается, но стойкость окисления самой стали ухудшается и вследствие этого обычно ухудшается термостойкость.
В связи с этим целью настоящего изобретения является создание ферритной нержавеющей стали, обладающей как высокой стойкостью к окислению, так и высокой стойкостью к тепловой усталости без добавления дорогостоящих элементов, таких как Мо и W, с помощью разработки способа предотвращения восстановления при достижении стойкости к окислению путем добавления Cu. Используемое в настоящем изобретении выражение «высокие стойкость к окислению и стойкость к тепловой усталости» относится к свойствами, которые такие же или лучше свойств стали SUS444. Более конкретно, под стойкостью к окислению подразумевается стойкость к окислению при 960°С, которая такая же или лучше стойкости к окислению стали SUS444, а под стойкостью к тепловой усталости подразумевается стойкость к тепловой усталости от 100 до 850°С, которая такая же или лучше стойкости к тепловой усталости стали SUS444.
Раскрытие изобретения
1. Настоящее изобретение предлагает ферритную нержавеющую сталь, содержащую С: 0,015 мас.% или меньше, Si: 1,0 мас.% или меньше, Mn: 1,0 мас.% или меньше, Р: 0,04 мас.% или меньше, S: 0,010 мас.% или меньше, Cr: от 16 до 23 мас.% или меньше, N: 0,015 мас.% или меньше, Nb: от 0,3 до 0,65 мас.%, Ti: 0,15 мас.% или меньше, Мо: 0,1 мас.% или меньше, W: 0,1 мас.% или меньше, Cu: от 1,0 до 2,5 мас.%, Al: от 0,2 до 1,5 мас.% и остальное Fe и неизбежные примеси.
2. В дополнение к указанному выше составу компонентов ферритная нержавеющая сталь содержит один или более элементов, выбираемых из В: 0,003 мас.% или меньше, РЗМ: 0,08 мас.% или меньше, Zr: 0,5 мас.% или меньше, V: 0,5 мас.% или меньше, Со: 0,5 мас.% или меньше и Ni: 0,5 мас.% или меньше.
3. Среди компонентов согласно пункту 1 или 2 содержание Si в ферритной нержавеющей стали изобретения составляет преимущественно от 0,4 до 1,0 мас.%.
4. Более предпочтительно, среди компонентов согласно пункту 1 или 2 содержание Si в ферритной нержавеющей стали изобретения составляет 0,4 до 1,0 мас.% и содержание Ti равно 0,01 мас.% или меньше.
Согласно изобретению ферритная нержавеющая сталь, обладающая термостойкостью (стойкостью к тепловой усталости и стойкостью к окислению) такой же или лучшей термостойкости стали SUS444, может быть получена при низкой себестоимости без добавления дорогостоящих Мо или W. При этом сталь изобретения преимущественно используется для компонентов выхлопной системы автомобиля.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - иллюстрирует вид образца для испытания на тепловую усталость.
Фиг.2 - иллюстрирует температуры и ограничительные условия в испытании на тепловую усталость.
Фиг.3 - график, иллюстрирующий влияние добавляемых количеств Cu на стойкость к тепловой усталости.
Фиг.4 - график, иллюстрирующий влияние добавляемых количеств Al на стойкость к окислению (привес в результате окисления).
Фиг.5 - график, иллюстрирующий влияние добавляемых количеств Si на стойкость к окислению парами воды (привес в результате окисления).
Осуществление изобретения
Авторы настоящего изобретения провели многочисленные обширные исследования с целью разработки ферритной нержавеющей стали, обладающей как высокой стойкостью к окислению, так и высокой стойкостью к тепловой усталости без добавления дорогостоящего элемента, такого как Мо или W, предотвращая восстановление при достижении стойкости к окислению путем добавления Cu, которое приводит к проблемам в предшествующих способах. В результате этого авторы настоящего изобретения обнаружили, что при добавлении Nb в пределах от 0,3 до 0,65 мас.% и Cu в пределах от 1,0 до 2,5 мас.% достигается высокотемпературная прочность в широком диапазоне температур и улучшается стойкость к тепловой усталости; восстановление при достижении стойкости к окислению путем добавления Cu может быть предотвращено с помощью добавления подходящего количества Al (от 0,2 до 1,5 мас.%); и, таким образом, можно получить термостойкость такую же или лучшую термостойкости стали SUS444 без добавления Мо или W только путем корректировки количеств Nb, Cu и Al в указанных выше требуемых пределах. Это составляет предмет изобретения.
Авторы настоящего изобретения провели дополнительно обширные исследования, касающиеся способа повышения стойкости к окислению в среде, содержащей пары воды, которая представляет собой среду, в которой реально предполагается применение изобретения, а именно выпускной коллектор и т.п. В результате изобретателями обнаружено, что при оптимизировании количества Si (от 0,4 до 1,0 мас.%) стойкость к окислению в атмосфере паров воды (далее называемая стойкостью к окислению парами воды) также становится такой же или лучшей, чем у стали SUS444. Это также составляет предмет изобретения.
Прежде всего будут описаны основные эксперименты, приводящие к созданию изобретения.
Стали, образуемые добавлением Cu в разных количествах в пределах от 0 до 3 мас.% к основе, содержащей С: от 0,005 до 0,007 мас.%, N: от 0,004 до 0,006 мас.%, Si: 0,3 мас.%, Mn: 0,4 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,45 мас.% и Al: 0,35 мас.%, выплавляют в лабораторных условиях с образованием 50-кг стальных слитков. Затем стальные слитки нагревают до 1170°С и подвергают горячей прокатке с образованием листовых прутков толщиной 30 мм и длиной 150 мм. После этого листовые прутки подвергают ковке, формуя их в прутки с поперечным сечением 35 мм × 35 мм. Последние отжигают при температуре 1030°С и затем механически обрабатывают, изготовляя таким образом образцы для испытаний на стойкость к тепловой усталости, имеющие размеры, указанные на фиг.1. Далее образцы многократно подвергают термообработке, при которой нагрев и охлаждение осуществляют между 100 и 850°С при коэффициенте ограничения (показанном на фиг.2), равном 0,35, и затем измеряют термоусталостную долговечность. Термоусталостную долговечность определяют как наименьшее число циклов, которые возможны до того, как механическое напряжение, которое рассчитывают делением нагрузки, замеренной при 100°С, на поперечное сечение подвергаемой выдержке цилиндрической части испытуемого образца, показанного на фиг.1, начинает непрерывно уменьшаться по отношению к напряжению в предшествующем цикле. Это эквивалентно числу циклов возможных до образования в испытуемом образце трещин. Такое же испытание было проведено в целях сравнения для стали SUS444 (сталь, содержащая Cr: 19 мас.%, Мо: 2 мас.% и Nb: 0,5 мас.%).
На фиг.3 показаны результаты испытания на тепловую усталость. Показано, что при добавлении Cu в количестве, большем 1,0 мас.%, получают термоусталостную долговечность, равную или большую, чем термоусталостная долговечность стали SUS444 (примерно 1100 циклов), и, таким образом, добавление Cu в количестве 1 мас.% или более способно повышать стойкость к тепловой усталости.
Далее, стали, образованные добавлением Al в разных количествах от 0 до 2 мас.% к основе, содержащей С: 0,006 мас.%, N: 0,007 мас.%, Mn: 0,4 мас.%, Si: 0,3 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,49 мас.% и Cu: 1,5 мас.%, выплавляют в лабораторных условиях с образованием 50-кг стальных слитков. Затем стальные слитки подвергают горячей прокатке, отжигу горячекатаного листа, холодной прокатке и заключительному отжигу с образованием холоднокатаных отожженных листов толщиной 2 мм. Из полученных, как описано выше, холоднокатаных стальных листов вырезают образцы для испытаний размером 30 мм × 20 мм. Далее, в верхней части каждого из испытуемых образцов образуют отверстие диаметром 4 мм. Лицевую и торцевую поверхности каждого из испытуемых образцов полируют наждачной бумагой №320, обезжиривают и подвергают следующим испытаниям.
Испытание на непрерывное окисление на воздухе
2
Испытуемый образец выдерживают 300 час в печи с воздушной тягой, нагреваемой до 950°С, и измеряют разницу в массе испытуемого образца до и после теста с нагревом с целью определения прироста веса за счет окисления (г/м) на единицу площади.
2
На фиг.4 показана зависимость прироста веса за счет окисления от содержания Al в испытании на окисление в атмосферном воздухе. На фиг.4 показано, что при добавлении Al в количестве 0,2 мас.% или более получают стойкость к окислению такую же или большую стойкости к окислению стали SUS444 (привес в результате окисления: 27 г/м или меньше).
Далее, стали, образованные добавлением Si в разных количествах от 1,2 мас.% или меньше к основе, содержащей С: 0,006 мас.%, N: 0,007 мас.%, Mn: 0,2 мас.%, Al: 0,45 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,49 мас.% и Cu: 1,5 мас.%, выплавляют в лабораторных условиях с образованием 50-кг стальных слитков. Затем стальные слитки подвергают горячей прокатке, отжигу горячекатаных листов, холодной прокатке и заключительному отжигу с образованием холоднокатаных отожженных листов толщиной 2 мм. Из полученных, как описано выше, холоднокатаных стальных листов вырезают образцы для испытаний размером 30 мм × 20 мм. Далее, в верхней части каждого из испытуемых образцов образуют отверстие диаметром 4 мм. Лицевую и торцевую поверхности каждого из испытуемых образцов полируют наждачной бумагой №320, обезжиривают и подвергают следующему тесту на непрерывное окисление в атмосфере паров воды.
Испытание на непрерывное окисление в атмосфере паров воды
2
2
2
2
Испытуемый образец выдерживают 300 час в печи, нагреваемой до 950°С, атмосфера в которой преобразуется в атмосферу с парами воды путем пропускания газа, содержащего 7 об.% СО, 1 об.% О и остальное N, при скорости потока 0,5 л/мин в дистиллированную воду, поддерживаемую при температуре 60°С, и измеряют разницу в массе испытуемого образца до и после испытания с нагревом с целью определения прироста веса за счет окисления (г/м) на единицу площади.
2
Фиг.5 иллюстрирует зависимость прироста веса за счет окисления от содержания Si в испытании на непрерывное окисление в атмосфере паров воды. На фиг.5 показано, что при добавлении Si в количестве 0,4 мас.% или более получают стойкость к окислению такую же или большую стойкости к окислению стали SUS444 (привес в результате окисления: 51 г/м или меньше).
Изобретение было выполнено путем дополнительного проведения исследований на основе описанных выше фактов.
Далее описан компонентный состав ферритной нержавеющей стали настоящего изобретения.
С: 0,015 мас.% или меньше
С является элементом, который способен повысить прочность стали. Однако, когда содержание С превышает 0,015 мас.%, уменьшение ударной вязкости и ухудшение формуемости становится заметным. По этой причине содержание С в изобретении равно 0,015 мас.% или меньше. С точки зрения обеспечения формуемости, содержание С преимущественно должно быть ниже и, преимущественно, равно 0,008 мас.% или меньше. Напротив, с целью обеспечения прочности компонентов выхлопной системы содержание С преимущественно равно 0,001 мас.% или более и, более предпочтительно, составляет от 0,002 до 0,008 мас.%.
Si: 1,0 мас.% или меньше
Si является элементом, добавляемым в качестве раскисляющего материала. Для получения эффекта содержание Si преимущественно равно 0,05 мас.% или более. Кроме того, хотя Si оказывает влияние на повышение стойкости к окислению, что является главной целью изобретения, его эффект не столь высок, как эффект, производимый Al. В то же время добавление избыточного количества, превышающего 1,0 мас.%, ухудшает обрабатываемость. По этой причине верхний предел количества Si равен 1,0 мас.%.
Однако Si является также важным элементом, который повышает стойкость к окислению в атмосфере с парами воды (стойкость к окислению парами воды). Как следует из фиг.5, чтобы получить стойкость к окислению парами воды такую же, как у стали SUS444, необходимо добавлять Si в количестве 0,4 мас.% или более. Таким образом, если упор делается на этот эффект, содержание Si должно быть равным 0,4 мас.% или более. Более предпочтительно, чтобы содержание Si было в пределах от 0,4 до 0,8 мас.%.
2
2
2
Причина того, что Si повышает стойкость к окислению парами воды, до сих пор еще полностью не выяснена. Однако полагают, что при добавлении Si в количестве 0,4 мас.% или более на поверхности стального листа непрерывно образуется плотная фаза оксида Si, в результате чего затрудняется вход газовых компонентов (НО, СО и О) снаружи, повышая тем самым стойкость к окислению парами воды. Если необходима более высокая стойкость к окислению парами воды, предпочтительно, чтобы содержание Si было равным 0,5 мас.% или более.
Mn: 1,0 мас.% или меньше
Mn является элементом, который повышает прочность стали, а также действует как раскислитель. Поэтому Mn преимущественно добавляют в количестве 0,05 мас.% или более. Однако в случае избыточного добавления Mn при высоких температурах имеется тенденция образования γ-фазы, что ухудшает термостойкость. По этой причине содержание Mn в изобретении равно 1,0 мас.% или меньше. Предпочтительное содержание Mn равно 0,7 мас.% или меньше.
Р: 0,040 мас.% или меньше
Р является вредным элементом, который снижает ударную вязкость, и вследствие этого содержание Р преимущественно снижают как можно ниже. По этой причине содержание Р в изобретении равно 0,040 мас.% или меньше. Предпочтительное содержание Р равно 0,030 мас.% или меньше.
S: 0,010 мас.% или меньше
Поскольку S является вредным элементом, который уменьшает относительное удлинение и величину r, отрицательно влияет на формуемость и снижает стойкость к коррозии, что является одним из основных свойств нержавеющей стали, содержание S преимущественно снижают как можно ниже. По этой причине содержание S в изобретении равно 0,010 мас.% или меньше. Предпочтительное содержание S равно 0,005 мас.% или меньше.
Cr: от 16 до 23 мас.%
Cr является важным элементом, способным повышать стойкость к коррозии и стойкость к окислению, которые являются отличительными характеристиками нержавеющей стали. Однако, если содержание Cr меньше 16 мас.%, достаточная стойкость к окислению не достигается. В то же время Cr является элементом, который упрочняет сталь, как твердый раствор при комнатной температуре, повышает твердость стали и уменьшает пластичность стали. В частности, когда Cr добавляют в количестве, превышающем 23 мас.%, вредные эффекты становятся заметными. По этой причине верхний предел содержания Cr равен 23 мас.%. Таким образом, содержание Cr лежит в пределах от 16 до 23 мас.%. Более предпочтительны пределы содержания Cr от 16 до 20 мас.%.
N: 0,015 мас.% или меньше
N является элементом, который уменьшает ударную вязкость и ухудшает формуемость стали. Если N добавляют в количестве, превышающем 0,015 мас.%, уменьшение ударной вязкости становится заметным. По этой причине содержание N равно 0,015 мас.% или меньше. С целью сохранения ударной вязкости и формуемости содержание N понижают как можно ниже и предпочтительно, чтобы содержание N было ниже 0,010 мас.%.
Nb: от 0,3 до 0,65 мас.%
Nb является элементом, который обладает способностью образования нитрида углерода из С и N в результате фиксации, повышения стойкости к коррозии или улучшения формуемости, или повышения стойкости к коррозии межзеренной границы зоны сварки, и повышения высокотемпературной прочности для улучшения стойкости к тепловой усталости. Такие эффекты наблюдают при добавлении Nb в количестве 0,3 мас.% или более. В то же время, если N добавляют в количестве, превышающем 0,65 мас.%, появляется тенденция к выделению фазы Лавеса, что ускоряет охрупчивание. По этой причине содержание N лежит в пределах от 0,3 до 0,65 мас.%. Предпочтительны пределы содержания N от 0,4 до 0,55 мас.%.
Ti: 0,15 мас.% или меньше
Ti подобно Nb обладает способностью фиксации С и N для повышения стойкости к коррозии или улучшения формуемости, или повышения стойкости к коррозии межзеренной границы зоны сварки. Однако такие эффекты насыщаются в компонентной системе изобретения, содержащей Nb, если содержание Ti превышает 0,15 мас.% и сталь затвердевает в результате затвердевания твердого раствора. По этой причине верхний предел содержания Ti в изобретении равен 0,15 мас.%.
Ti является элементом, который не является необходимым в качестве улучшающей добавки в изобретении. Однако Ti более эффективно по сравнению с Nb связывается с N с вероятностью образования TiN. Крупный TiN, по-видимому, служит причиной развития трещин с уменьшением ударной вязкости горячекатаного листа. По этой причине, если необходима повышенная ударная вязкость, содержание Ti следует ограничивать до 0,01 мас.% или меньше.
Мо: 0,1 мас.% или меньше
Мо является дорогостоящим элементом и потому в качестве улучшающей добавки для достижения цели изобретения не добавляется. Однако иногда при использования в качестве сырья металлолома из последнего поступает 0,1 мас.% или меньше Мо. По этой причине содержание Мо равно 0,1 мас.% или меньше.
W: 0,1 мас.% или меньше
W является дорогостоящим элементом подобно Мо и потому не добавляется в качестве улучшающей добавки для целей изобретения. Однако иногда при использования в качестве сырья металлолома из последнего поступает 0,1 мас.% W или меньше. По этой причине содержание W равно 0,1 мас.% или меньше.
Cu: от 1,0 to 2,5 мас.%
Cu является элементом, который очень эффективен для повышения стойкости к тепловой усталости. Как следует из фиг.3, для получения стойкости к тепловой усталости равной или большей, чем у стали SUS444, необходимо добавлять Cu в количестве 1,0 мас.% или более. Однако, если Cu добавляется в количестве, превышающем 2,5 мас.%, во время охлаждения после термообработки выделяется ε-Cu, что приводит к твердению стали, легко приводящему к охрупчиванию во время работы. Более важно, что добавление Cu повышает стойкость стали к тепловой усталости, но снижает стойкость самой стали к окислению и обычно уменьшает ее термостойкость. Причина этого до сих пор полностью не выяснена. Однако предполагают, что Cu концентрируется в слое с удаленным Cr непосредственно под образующейся окалиной, препятствуя тем самым обратной диффузии Cr, который является элементом, который улучшает стойкость к окислению, присущую нержавеющей стали. По этой причине содержание Cu лежит в пределах от 1,0 до 2,5 мас.%. Более предпочтительны пределы содержания Cu от 1,1 до 1,8 мас.%.
Al: 0,2 до 1,5 мас.%
Al является обязательным элементом для улучшения стойкости к окислению стали с добавкой Cu, как это показано на фиг.4. В частности, с целью получения стойкости к окислению равной или более высокой, чем у стали SUS444, что является целью изобретения, Al необходимо добавлять в количестве 0,2 мас.% или более. В то же время, если Al добавляется в количестве, превышающем 1,5 мас.%, сталь твердеет, в результате чего ухудшается обрабатываемость. По этой причине верхний предел равен 1,5 мас.%, а содержание Al соответственно лежит в пределах от 0,2 до 1,5 мас.%. При использовании Al при повышенных температурах ее содержание преимущественно лежит в пределах от 0,3 до 1,0 мас.%.
Al является также элементом, который растворяется при высоких температурах и отверждает сталь за счет твердения твердого раствора. В частности, эффект повышения прочности стали при температурах, превышающих 800°С, является большим. Однако, как это описано выше, если добавленное количество Si недостаточно, поступающие в сталь газовые компоненты и Al связываются друг с другом и вследствие этого Al не действует эффективным образом в качестве элемента, упрочняющего твердый раствор. Таким образом, для того чтобы развить описанный выше эффект Al в атмосфере водяных паров, Si преимущественно добавляют в количестве 0,4 мас.% или более.
В дополнение к указанным выше незаменимым ингредиентам ферритная нержавеющая сталь изобретения может также содержать один, два или более элементов, выбранных из В, РЗМ, Zr, V, Co и Ni в следующих пределах.
В: 0,003 мас.% или меньше
В является элементом, способным улучшать обрабатываемость, в частности вторичную обрабатываемость. Этот эффект заметен, если В добавляют в количестве 0,0005 мас.% или более. Однако добавление В в количестве, превышающем 0,003 мас.%, приводит к образованию BN и ухудшает обрабатываемость. По этой причине в случае добавления В добавляемое количество его равно 0,003 мас.% или меньше. Более предпочтительно, когда добавляемое количество В лежит в пределах от 0,0005 до 0,002 мас.%.
РЗМ: 0,08 мас.% или меньше, Zr: 0,5 мас.% или меньше
Каждый из РЗМ (редкоземельных металлов) и Zr являются элементами, которые повышают стойкость к окислению. Для того, чтобы получить эффект каждый из РЗМ и Zr добавляют преимущественно в количестве от 0,01 мас.% или более и от 0,05 мас.% или более, соответственно. Однако добавление РЗМ в количестве, превышающем 0,08 мас.%, приводит к охрупчиванию стали, а добавление Zr в количестве, превышающем 0,50 мас.%, приводит к выделению интерметаллического соединения Zr, которое является причиной охрупчивания стали. По этой причине РЗМ добавляют в количестве 0,08 мас.% или меньше, a Zr добавляют в количестве 0,5 мас.% или меньше
V: 0,5 мас.% или меньше
V является элементом, способным улучшать обрабатываемость. В частности, чтобы получить эффект повышения стойкости к окислению, V добавляют преимущественно в количестве 0,15 мас.% или более. Однако, если V добавляется избыточно в количестве, превышающем 0,5 мас.%, выделяется крупный V(C, N), ухудшающий качество поверхности стального листа. По этой причине V добавляют преимущественно в количестве 0,50 мас.% или меньше и, более предпочтительно, в количестве от 0,15 до 0,4 мас.%.
Со: 0,5 мас.% или меньше
Со является элементом, способным улучшать ударную вязкость, и его добавляют преимущественно в количестве 0,02 мас.% или более. Однако Со является дорогостоящим элементом. Даже когда Со добавляется в количестве, превышающем 0,5 мас.%, его эффект насыщается. По этой причине Со добавляют преимущественно в количестве 0,5 мас.% или меньше. Более предпочтительно добавление Со в количестве от 0,02 до 0,2 мас.%.
Ni: 0,5 мас.% или меньше
Ni является элементом, улучшающим ударную вязкость. Чтобы получить этот эффект, Ni добавляют преимущественно в количестве 0,05 мас.% или более. Однако Ni дорог. Кроме того, поскольку Ni является элементом, эффективно образующим γ-фазу, он образует при высоких температурах γ-фазу, понижая тем самым стойкость к окислению. По этой причине Ni добавляют преимущественно в количестве 0,5 мас.% или меньше. Более предпочтительно добавление Со в количестве от 0,05 до 0,4 мас.%.
Ниже описывается способ получения ферритной нержавеющей стали изобретения.
В качестве способа получения нержавеющей стали изобретения преимущественно может быть использован любой без исключения способ производства ферритной нержавеющей стали. Например, способ главным образом включает: выплавку стали в известной плавильной печи типа конвертера или электропечи или, дополнительно, проведение вторичной очистки, такой как очистка в ковше или вакуумная очистка, с целью образования стали, имеющей указанный выше компонентный состав, соответствующий изобретению; формование расплавленной стали в сляб способом непрерывного литья или способом получения слитка с помощью обжимной клети; горячую прокатку полученного продукта с образованием горячекатаного листа; при необходимости отжиг горячекатаного листа; промывку горячекатаного листа кислотой; холодную прокатку продукта; заключительный отжиг продукта; и промывку продукта кислотой, в результате чего получают холоднокатаный отожженный лист. Процесс холодной прокатки может проводиться однократно или два или более раза с промежуточным отжигом, проводимым между операциями холодной прокатки, и при этом каждая операция холодной прокатки, заключительного отжига и кислотной промывки может проводиться неоднократно. Кроме того, в некоторых случаях операция отжига горячекатаного листа может не проводиться. Если необходима блестящая поверхность стального листа, после холодной прокатки или заключительного отжига может проводиться пропуск в дрессировочной клети. Предпочтительно, чтобы температура нагрева сляба перед горячей прокаткой была в пределах от 1000 до 1250°С, температура отжига горячекатаной стали была в пределах от 900 до 1100°С и температура заключительного отжига была в пределах от 900 до 1120°С.
Полученную, как описано выше, ферритную нержавеющую сталь изобретения подвергают резке, гибке, прессованию или подобным операциям в соответствии с применением, формуя тем самым сталь в разные детали выхлопной системы, эксплуатируемые при высокой температуре окружающей среды, такие как выхлопные трубы автомобилей или мотоциклов, или отводы отработанного воздуха корпусов конвертеров или теплоэлектрических установок. Нержавеющая сталь изобретения, используемая для указанных выше деталей, не ограничивается холоднокатаным отожженным листом и может применяться в виде горячекатаного листа или горячекатаного отожженного листа и, кроме того, если этого потребует применение, может быть подвергнута обработке с целью удаления окалины.
Для получения указанных выше деталей каких-либо ограничений на метод сварки не существует, и обычно могут быть использованы дуговая сварка типа МЭГ (металл - инертный газ), МАГ (металл - активный газ) или ВИГ (вольфрам - инертный газ); контактная электросварка типа точечной сварки или шовной сварки; высокочастотная электросварка, высокочастотная индукционная сварка или лазерная сварка.
Пример 1
Каждую из сталей №№1-24, имеющую компонентный состав, приведенный в таблицах 1-1 и 1-2, выплавляют в вакуумной плавильной печи и разливают в 50-кг стальной слиток. Стальной слиток подвергают ковке и после этого разделяют на две равные части. Любую из двух половин стального слитка нагревают до 1170°С и подвергают горячей прокатке, получая горячекатаный лист толщиной 5 мм. Далее горячекатаный лист отжигают при температуре 1020°С, промывают кислотой, подвергают холодной прокатке до степени обжатия 60%, проводят заключительный отжиг при температуре 1030°С, охлаждают со средней скоростью охлаждения 20°С/сек и промывают кислотой, получая холоднокатаный лист толщиной 2 мм. После этого холоднокатаный лист подвергают описанным ниже двум типам испытаний на стойкость к окислению. Для сравнения таким же образом получают холоднокатаные листы стали типа SUS444 и сталей, раскрытых в публикации WO 2003/004714 и в японских не прошедших экспертизу патентных заявках №2006-117985 и 2000-297355, которые приводятся в таблице 1 под номерами 25-28. Эти стали далее подвергают описанным ниже испытанию на непрерывное окисление на воздухе и испытанию на непрерывное окисление в атмосфере паров воды.
Испытание на непрерывное окисление на воздухе
2
Из разных полученных, как описано выше, холоднокатаных отожженных листов вырезают образцы (30 мм × 20 мм). В верхней части каждого образца образуют отверстие диаметром 4 мм. Лицевую и торцевую поверхности полируют наждачной бумагой №320 и обезжиривают. Полученный образец вводят в печь с атмосферным воздухом, нагреваемую до 950°С, и выдерживают в течение 300 час. После испытания измеряют массу образца с целью определения разницы по отношению к предварительно измеренной массе образца перед испытанием и, таким образом, рассчитывают прирост веса за счет окисления (г/м). Каждое испытание проводят дважды и оценивают стойкость к непрерывному окислению на основе среднего значения испытаний.
Испытание на непрерывное окисление в атмосфере паров воды
2
2
2
2
Из разных полученных, как описано выше, холоднокатаных отожженных листов вырезают образцы (30 мм × 20 мм). В верхней части каждого образца образуют отверстие диаметром 4 мм. Лицевую и торцевую поверхности полируют наждачной бумагой №320 и обезжиривают. Образец выдерживают в течение 300 час в печи, нагреваемой до 950°С, атмосфера в которой преобразована в атмосферу с парами воды путем пропускания газа, содержащего 7 об.% СО, 1 об.% О и остальное N, при скорости потока 0,5 л/мин через дистиллированную воду, поддерживаемую при температуре 60°С. После испытания измеряют массу образца с целью определения разницы по сравнению к предварительно измеренной массой образца перед испытанием и, таким образом, рассчитывают прирост веса за счет окисления (г/м). Каждое испытание проводят дважды и оценивают стойкость к непрерывному окислению на основе среднего значения испытаний.
Пример 2
Оставшийся 50-кг стальной слиток, разделенный на две равные части в примере 1, нагревают до 1170°С и подвергают горячей прокатке с образованием листового прутка, имеющего толщину 30 мм и длину 150 мм. После этого листовой пруток подвергают ковке, формуя его в пруток с поперечным сечением 35 мм × 35 мм. Пруток отжигают при температуре 1030°С и затем механически обрабатывают, формуя в образец для испытания на тепловую усталость, имеющий размер, указанный на фиг.1. Затем образец подвергают описанному ниже испытанию на тепловую усталость. Для сравнения изготовляют таким же образом, как описано выше в примере 1, образцы стали в соответствии с публикациями WO 2003/004714 и японских не прошедших экспертизу патентных заявках №2006-117985 и 2000-297355, и стали SUS444, и подвергают их испытанию на тепловую усталость.
Испытание на тепловую усталость
В испытании на тепловую усталость подъем и падение температуры осуществляют между 100 и 850°С при коэффициенте ограничения 0,35, после чего измеряют термоусталостную долговечность. Во время испытания скорость нагрева и скорость охлаждения доводят до 10°С/сек соответственно, время выдержки при 100°С устанавливают равным 2 мин, а время выдержки при 850°С устанавливают равным 5 мин. Термоусталостную долговечность определяют как наименьшее число циклов перед тем, как механическое напряжение, которое рассчитывают делением нагрузки, замеренной при 100°С, на поперечное сечение части образца с установившимся тепловым равновесием, начнет непрерывно уменьшаться по сравнению с напряжением в предшествующем цикле.
Результаты испытания на непрерывное окисление на воздухе и испытания на непрерывное окисление в атмосфере водяных паров примера 1, а также результаты испытания на стойкость к тепловой усталости примера 2 приведены в таблице 2. Как отчетливо следует из таблицы 2, каждая сталь примеров согласно изобретению обладает стойкостью к окислению и стойкостью к тепловой усталости такими же или более высокими, чем у стали SUS444, и цели изобретения, таким образом, достигнуты. Напротив, стали сравнительных примеров, которые не соответствуют изобретению, не обладают ни высокой стойкостью к окислению, ни стойкостью к тепловой усталости, и, таким образом, цели изобретения при этом не достигаются.
Сталь изобретения может быть преимущественно использована не только в качестве деталей выхлопной системы автомобилей и т.п., но также и в качестве компонентов выхлопных систем теплоэлектрических энергосистем или твердых стальных компонентов для топливных элементов, для которых необходимы те же свойства.
Таблица 1-1
Ст №
Химический компонент (мас.%)
Примечания
С
Si
Mn
Al
Р
S
Cr
Cu
Nb
Ti
Mo
W
N
Прочее
1
0,006
0,19
0,13
0,37
0,032
0,004
17,5
1,35
0,43
0,006
0,02
0,04
0,008
-
Пример изобретения
2
0,005
0,35
0,28
0,51
0,026
0,002
17,3
1,56
0,41
0,002
0,03
0,01
0,007
-
Пример изобретения
3
0,008
0,09
0,63
1,12
0,029
0,003
16,2
1,42
0,46
0,051
0,04
0,01
0,008
-
Пример изобретения
4
0,004
0,45
0,22
0,32
0,033
0,005
19,3
1,92
0,36
0,12
0,02
0,03
0,007
-
Пример изобретения
5
0,011
0,82
0,41
0,72
0,020
0,002
17,1
1,21
0,44
0,009
0,04
0,02
0,004
-
Пример изобретения
6
0,005
0,27
0,33
0,48
0,022
0,001
17,7
1,46
0,48
0,006
0,02
0,01
0,011
-
Пример изобретения
7
0,004
0,19
0,33
0,39
0,029
0,002
21,6
1,77
0,39
0,005
0,01
0,01
0,008
-
Пример изобретения
8
0,007
0,17
0,23
0,47
0,029
0,003
17,2
1,39
0,45
0,004
0,01
0,01
0,008
В/0,0009 V/0,051
Пример изобретения
9
0,006
0,41
0,09
0,66
0,033
0,001
18.2
1,61
0,40
0,09
0,05
0,01
0,009
REM/0,01 Ni/0,33
Пример изобретения
10
0,008
0,37
0,71
0,88
0,018
0,003
17.8
1,28
0,52
0,002
0,01
0,02
0,007
Co/0,04 Zr/0,06
Пример изобретения
11
0,006
0,31
0,35
0Л4
0,030
0,002
17.1
1,46
0,44
0,006
0,01
0,02
0,009
-
Сравнительный пример
12
0,006
0,32
0,55
0,69
0,028
0,003
17.4
0,87
0,51
0,004
0,02
0,01
0,009
-
Сравнительный пример
13
0,007
0,23
0,25
0,47
0,027
0,002
17.6
1,18
0,44
0,003
0,06
0,02
0,008
V:0,18
Пример изобретения
14
0,003
0,09
0,12
0,46
0,025
0,003
17.5
1,26
0,42
0,008
0,05
0,03
0,007
V:0,22
Пример изобретения
15
0,008
0,15
0,39
0,51
0,021
0,001
17.3
1,38
0,48
0,024
0,02
0,06
0,008
V:0,29
Пример изобретения
16
0,006
0,32
0,34
0,46
0,024
0,002
17.7
1,22
0,46
0,005
0,06
0,02
0,005
V:0,38
Пример изобретения
17
0,009
0,18
0,15
0,49
0,027
0,004
17.4
1,48
0,47
0,014
0,04
0,03
0,006
V:0,44
Пример изобретения
18
0,007
0,27
0,15
0,53
0,027
0,003
19.1
1,28
0,45
0,004
0,05
0,02
0,007
V:0,20
Пример изобретения
19
0,005
0,03
0,11
0,51
0,024
0,002
18.2
1,19
0,45
0,006
0,05
0,03
0,006
V:0,23
Пример изобретения
Таблица 1-2
Ст №
Химический компонент (мас.%)
Примечания
С
Si
Mn
Al
P
S
Cr
Cu
Nb
Ti
Mo
W
N
Прочее
20
0,007
J),86
0,18
0,25
0,028
0,003
17.4
1,47
0,5
0,006
0,03
0,03
0,006
V:0,04
Пример изобретения
21
0,006
0,45
0,23
0,44
0,033
0,004
17
1,53
0,47
0,004
0,01
0,04
0,005
V:0,08
Пример изобретения
22
0,007
0,73
0,11
0,89
0,025
0,002
17.9
1,71
0,39
0,002
0,01
0,02
0,007
V:0,34
Пример изобретения
23
0,008
0,52
0,21
0,39
0,03
0,004
17.1
1,45
0,48
0,003
0,02
0,02
0,008
V:0,06
Пример изобретения
24
0,008
0,94
0,34
0,65
0,018
0,001
18,5
1,21
0,43
0,007
0,01
0,03
0,006
V:0,19
Пример изобретения
25
0,008
0,31
0,42
0,019
0,031
0,003
18,7
0,02
0,52
0,003
1,87
0,02
0,008
-
SUS444
26
0,008
0,32
0,05
0,01
0,028
0,002
17,02
1,93
0,33
0,002
0,01
0,02
0,010
Ni/0,10 V/0,10
Пример сравнения 1
27
0,009
0,46
0,54
0,002
0,029
0,003
18,90
1,36
0,35
0,08
0,01
0,02
0,007
Ni/0,10 V/0,03 B/0,0030
Пример сравнения 2
28
0,006
0,22
0,05
0,052
0,005
0,0052
18,8
1,65
0,42
0,09
0,02
0,02
0,006
Ni/0,15
Пример сравнения 3
(Примечания) Пример сравнения 1: Сталь №3 изобретения согласно с WO 2003/004714
Пример сравнения 2: Сталь №7 изобретения согласно японской не прошедшей экспертизу патентной заявке №2006-117985
Пример сравнения 3: Сталь №5 изобретения согласно японской не прошедшей экспертизу патентной заявке №2000-297355
Таблица 2
Сталь №
Привес в результате окисления (г/м<sup>2</sup>)
Термоусталостная долговечность (циклы)
Окисление парами воды (г/м<sup>2</sup>)
Примечания
1
21
1230
82
Пример изобретения
2
20
1330
55
Пример изобретения
3
16
1270
>100
Пример изобретения
4
22
1500
49
Пример изобретения
5
18
1210
40
Пример изобретения
6
21
1300
66
Пример изобретения
7
21
1450
80
Пример изобретения
8
21
1260
85
Пример изобретения
9
18
1390
50
Пример изобретения
10
17
1210
53
Пример изобретения
11
80
1290
79
Сравнительный пример
12
14
820
58
Сравнительный пример
13
15
1200
71
Пример изобретения
14
15
1230
>100
Пример изобретения
15
14
1260
79
Пример изобретения
16
14
1210
57
Пример изобретения
17
14
1310
78
Пример изобретения
18
15
1240
56
Пример изобретения
19
15
1210
>100
Пример изобретения
20
25
1300
39
Пример изобретения
21
21
1350
48
Пример изобретения
22
13
1430
34
Пример изобретения
23
22
1280
41
Пример изобретения
24
12
1260
37
Пример изобретения
25
27
1120
51
SUS444
26
>100
1480
>100
Пример сравнения 1
27
>100
1240
>100
Пример сравнения 2
28
>100
1400
>100
Пример сравнения 3
(Примечания)
Пример сравнения 1: Сталь №3 изобретения согласно WO 2003/004714
Пример сравнения 2: Сталь №7 изобретения согласно японской не прошедшей экспертизу патентной заявке №2006-117985
Пример сравнения 2: Сталь №7 изобретения согласно японской не прошедшей экспертизу патентной заявке №2000-297355