МАЛОЛЕГИРОВАННАЯ АУСТЕНИТНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
LOW-ALLOYED AUSTENITIC STAINLESS STEEL

ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка претендует на приоритет в соответствии с § 120 Раздела 35 Кодекса законов США как частичное продолжение ожидающей принятия решения Заявки на Патент США, серийный №12/034,183, зарегистрированной 20 февраля 2008 года.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Представленное раскрытие предмета настоящего изобретения касается аустенитной нержавеющей стали. В частности, данное описание предмета настоящего изобретения касается эффективного по стоимости состава стабилизированной аустенитной нержавеющей стали, имеющей, среди прочего, низкое содержание Ni, не превышающее содержание дополнительно вводимого Мо, высокое значение предела текучести и по меньшей мере сравнимую коррозионную стойкость и высокие температурные свойства, характерные для таких содержащих большое количество Ni аустенитных сплавов, как, например, сплав Т-321 (UNS S32100).
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Аустенитные нержавеющие стали демонстрируют сочетание очень затребованных характеристик, определяющих их использование в широком диапазоне промышленных применений. Основой состава этих сталей служит Fe, который балансируется путем введения таких аустенитных добавок и стабилизирующих элементов, как Ni, Мn и N, позволяющих выполнять введение таких содействующих образованию феррита элементов, как Сr и Мо, которые улучшают коррозионную стойкость сплава при одновременной поддержке его аустенитной структуры при комнатной температуре. Аустенитная структура обеспечивает наличие у стали очень желательных механических свойств, в частности, прочности, пластичности и способности к формовке.
Характерным примером аустенитной нержавеющей стали служит нержавеющая сталь типа 316 по стандарту AISI (США) (UNS S31600), содержащая 16-18% Сr, 10-14% Ni и 2-3% Мо в сплаве. Диапазоны содержания образующих этот сплав ингредиентов поддерживаются в оговоренных пределах с целью обеспечения стабильной аустенитной структуры. Специалистам понятно, что, например, введение Ni, Мn, Сu и N способствует стабилизации аустенитной структуры. Однако увеличение стоимости из-за содержания Ni и Мо приводит к необходимости использования эффективных по стоимости альтернатив стали S31600, которые бы обеспечивали высокую коррозионную стойкость и способность к формовке.
Другой альтернативой служит сталь типа 216 (UNS S21600), описанная в Патенте США №3171738. S21600 содержит 17,5-22% Сr, 5-7% Ni, 7,5-9% Мn и 2-3% Мо. Хотя S21600 и содержит меньше Ni и больше Мn по сравнению с вариантом S31600, однако прочностные и коррозионно-стойкие характеристики S21600 намного превышают аналогичные характеристики S31600. Однако, как и в случае двухфазных сплавов, способность к формовке у S21600 не такая большая, как у S31600. Кроме того, так как S21600 содержит то же самое количество Мо, что и S31600, то отсутствует экономия по стоимости за счет присутствия Мо.
Также существует вариант сплава S31600, главным образом предназначенный для использования при высоких температурах. Этот сплав обозначается как тип 316Ti (UNS S31635). Существенное различие между S31600 и S31635 заключается в присутствии небольшой добавки титана, согласованной с присутствующим в стали количеством С и N. Полученная в результате сталь S31635 менее склонна к образованию вредных соединений карбидов хрома при повышенных температурах и при сварке - к явлению, известному как сенсибилизация. Такие добавки также способствуют улучшению свойств стали при повышенных температурах из-за действия эффектов ее упрочнения при образовании первичных и вторичных карбидов. Оговариваемый диапазон содержания титана в S31635 задается следующим уравнением:
[5 × (% С+% N)]≤Ti≤0,70%.
Однако в S31635 используется дорогостоящее сырье.
Еще одним примером аустенитной нержавеющей стали служит нержавеющая сталь типа 321 (UNS S32100), включающая, в весовых процентах, 17,00-19,00% Сr, 9,00-12,00% Ni, до 2,00% Мn, до 0,08% С, до 0,75% Si, [5 × (%С+%N)]≤Ti≤0,70%, до 0,045% Р, до 0,030% S, до 0,10% N и сбалансированное количество Fe. Сплав типа 321 стабилизирован для предотвращения образования карбида Сr путем добавления титана, сбалансированного с количеством присутствующего в стали С и N. Хотя сплав типа 321 не предусматривает преднамеренное введение Мо, он включает значительное количество входящих в сплав дорогостоящих элементов.
Другие примеры сплавов включают многочисленные нержавеющие стали, в которых для поддержания аустенитной структуры Ni заменяется Мn, как это практикуется в стали типа 201 (UNS S20100) и других сталях аналогичного типа. Однако сохраняется потребность в корозионно-стойкой недорогой альтернативе для высоколегированной аустенитной нержавеющей стали, такой как сплав типа 321, которая бы по меньшей мере обеспечивала сравнимые характеристики по прочности и твердости со сплавом типа 321.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Итак, соответствующий раскрытию настоящего изобретения сплав представляет собой отсутствующее в настоящее время на рынке решение для состава сплава стабилизированной аустенитной нержавеющей стали, демонстрирующий характеристики по коррозионной стойкости, прочности и твердости, по меньшей мере, сравнимые с аустенитной нержавеющей сталью типа 321, и обеспечивающий при этом значительную экономию стоимости сырья по сравнению со сплавом типа 321. Итак, настоящий сплав представляет собой стабилизированную аустенитную нержавеющую сталь, содержащую контролируемые количества карбидообразующих элементов для улучшения коррозионной стойкости и характеристик при повышенных температурах. Настоящий сплав также содержит комбинированные количества Мn, Сu и N, достаточные для улучшения демонстрируемых сплавом определенных свойств с целью получения по меньшей мере характеристик, аналогичных характеристикам сплавов с более высоким содержанием Ni, но при значительно меньшей стоимости сырья.
Соответствующий раскрытию настоящего изобретения сплав представляет собой аустенитную нержавеющую сталь, в которой используется комбинация Мn, Сu и N в качестве замены более дорогостоящего элемента Ni. В результате получен сплав, имеющий значительно меньшую стоимость и по меньшей мере сравнимую способность к формовке, коррозионную стойкость и прочностные характеристики при повышенных температурах по сравнению, например, со сталью типа 321. Варианты реализации сплава, соответствующего раскрытию настоящего изобретения, могут производиться с малым сечением и иметь четкую микроструктуру с относительно небольшой зернистостью для улучшения способности к формовке.
Вариант воплощения сплава, соответствующего раскрытию настоящего изобретения, направлен на получение аустенитной нержавеющей стали, содержащей, в массовых процентах, до 0,20 углерода (С), от 2,0 до 9,0 марганца (Мn), до 2,0 кремния (Si), от 15,0 до 23,0 хрома (Сr), от 1,0 до 9,5 никеля (Ni), до 3,0 молибдена (Мо), до 3,0 меди (Сu), от 0,05 до 0,35 азота (N), (7,5(% С))≤(% ниобия+ % титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония)≤1,5, железо (Fe) и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01% бора (В). Некоторые реализации настоящего изобретения могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия, или могут включать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(%С)).
Другой вариант воплощения настоящего изобретения направлен на получение аустенитной нержавеющей стали, содержащей в своем составе, в массовых процентах, до 0,10 С, от 2,0 до 8,0 Мn, до 1,00 Si, от 16,0 до 22,0 Сr, от 1,0 до 7,0 Ni, от 0,10 до 2,0 Мо, до 1,00 Сu, от 0,08 до 0,30 N, (7,5(%С))≤(% ниобия+ % титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония)≤1,5, до 0,040 фосфора (Р), до 0,030 серы (S), Fe и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01% В. Определенные варианты воплощения могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия, или могут содержать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(%С)).
Альтернативный вариант воплощения настоящего изобретения направлен на получение аустенитной нержавеющей стали, содержащей в своем составе, в весовых процентах, до 0,08 С, от 3,5 до 6,5 Мn, до 1,00 Si, от 17,0 до 21,0 Сr, от 3,0 до 6,0 Ni, от 0,1 до 1,0 Мо, до 1,0 Сu, от 0,08 до 0,30 N, (7,5(% С))≤(% ниобия+ % титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония ≤ 1,0, до 0,035 Р, до 0,005 S, Fe и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01%В. Определенные варианты воплощения могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия, или могут содержать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(% С)).
N
30
В определенных вариантах воплощения аустенитной нержавеющей стали, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, одно или большее количество значений PRE превышает 18, ферритное число меньше 12 и значение MD меньше 34°С.
Один из способов производства аустенитной нержавеющей стали в соответствии с раскрытием настоящего изобретения заключается в плавлении шихты в электрической дуговой печи, очистке продукта путем аргонокислородного обезуглероживания (АОД), осуществления литья в формы или непрерывного получения слябов, повторном разогреве форм или слябов и горячей прокатке материала для получения листа или рулонов, холодной прокатке рулонов для получения заданной толщины проката, отжиге и травлении материала. Могут также использоваться и другие способы производства изобретенного материала, включающие плавление и/или повторное плавление в вакууме или в особой атмосфере, литье в формы или производство порошка, который затем уплотняется с образованием слябов или форм.
Аустенитная нержавеющая сталь, соответствующая раскрытию настоящего изобретения, может использоваться в различных применениях. В соответствии с одним примером сплавы, отвечающие раскрытию настоящего изобретения, могут включаться в число изделий, приспособленных для использования при низких температурах или в криогенной среде. Дополнительными не ограничивающими примерами изделий, которые могут изготавливаться из настоящего сплава или его содержать, могут служить гибкие соединители для автомобильной промышленности и для других применений, гофрированные трубы, гибкие трубы, цилиндрические части дымовых труб и футеровки дымовых труб.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем описании, за исключением рабочих примеров или там, где указывается иное, все числа, выражающие величины или характеристики ингредиентов или изделий, условия обработки и подобные значения, следует понимать как подлежащие во всех случаях модификации с использованием термина "примерно". Итак, если не указано противоположное, любые приводимые в последующем описании числовые параметры являются приближенными и могут изменяться в соответствии с требуемыми характеристиками продукции и используемыми в соответствии с настоящим изобретением способами ее производства. По меньшей мере, и без стремления к ограничению использования в рамках патентной формулы, каждый числовой параметр должен истолковываться с учетом количества представленных значащих цифр и выполнения обычного округления. Все указываемые числовые диапазоны включают все входящие в них поддиапазоны. Например, подразумевается, что диапазон "от 1 до 10" включает все поддиапазоны между указанным минимальным значением 1 (и включительно с ним) и указанным максимальным значением 10.
Теперь приведем подробное описание вариантов воплощения аустенитной нержавеющей стали, соответствующих раскрытию настоящего изобретения. В приведенном ниже описании "%" или "процент" относится к массовым процентам, если не оговорено другое. Настоящее описание относится к аустенитной нержавеющей стали, демонстрирующей по меньшей мере сравнимую со сплавом типа 321 коррозионную стойкость, прочностные характеристики при повышенных температурах и способность к формовке, а также более низкую стоимость сырья. В состав аустенитной нержавеющей стали может входить, в массовых процентах, до 0,20 С, от 2,0 до 9,0 Мn, до 2,0 Si, от 15,0 до 23,0 Сr, от 1,0 до 9,5 Ni, до 3,0 Мо, до 3,0 Сu, от 0,05 до 0,35 N, (7,5(% С))≤(% ниобия+ % титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония)≤1,5, Fe и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01 В. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия или могут содержать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(%С)).
Другой вариант воплощения настоящего изобретения представляет собой аустенитную нержавеющую сталь, содержащую, в массовых %, до 0,10 С, от 2,0 до 8,0 Мn, до 1,00 Si, от 16,0 до 22,0 Сr, от 1,0 до 7,0 Ni, от 0,10 до 2,0 Мо, до 1,00 Сu, от 0,08 до 0,30 N, (7,5(% С))<(% ниобия+ % титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония)≤1,5, до 0,040 Р, до 0,030 Si, Fe и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01 В. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия или могут содержать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(% С)).
Альтернативный вариант воплощения настоящего изобретения, направлен на получение аустенитной нержавеющей стали, содержащей, в весовых процентах, до 0,08 С, от 3,5 до 6,5 Мn, до 1,00 Si, от 17,0 до 21,0 Сr, от 3,0 до 6,0 Ni, от 0,5 до 1,0 Мо, до 1,0 Сu, от 0,08 до 0,30 N, (7,5(% С))≤(% ниобия+% титана+ % ванадия+ % тантала+ % циркония)≤1,0, до 0,035 Р, до 0,005 S, Fe и случайные загрязнения. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать до 0,01 В. Определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали могут содержать по меньшей мере 0,1% ниобия или могут содержать ниобий в концентрации, по меньшей мере равной (7,5(%С)).
С: до 0,20%
С выполняет стабилизацию аустенитной фазы и ингибирует вызываемое деформациями мартенситное преобразование. Однако С также увеличивает вероятность образования карбидов Сr, особенно во время сварки, которые уменьшают коррозионную стойкость и прочность сплава. Итак, в соответствии с настоящим изобретением аустенитная нержавеющая сталь содержит в своем составе до 0,20% С. В варианте воплощения изобретения содержание С может составлять 0,10% или меньшее значение. В альтернативных воплощениях содержание С может составлять 0,08% или меньшее значение, 0,03% или меньшее значение, или 0,02% или меньшее значение.
Si: до 2,0%
Наличие более 2% Si способствует образованию хрупких фаз, таких как сигма-фаза, и уменьшает растворимость в сплаве азота (N). Si также стабилизирует ферритную фазу, а наличие более 2% Si требует введения дополнительных аустенитных стабилизаторов для поддержания аустенитной фазы. Итак, в определенных вариантах воплощения аустенитной нержавеющей стали, соответствующих настоящему изобретению, содержится до 2,0% Si. В варианте воплощения настоящего изобретения содержание Si может составлять 1,0% или меньшее значение. Si помогает сводить к минимуму реакцию определенных образующих сплав элементов на ниобий и способствует достижению баланса фаз в сплаве. В определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, влияние добавления Si балансируется путем регулировки его содержания до получения 0,5-1,0% Si. В других вариантах воплощения настоящего изобретения влияние добавления Si балансируется путем регулировки его содержания до получения 0,1-0,4% Si. В качестве альтернативы в определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, содержание Si может составлять 0,5% или меньшее значение, 0,4% или меньшее значение, или 0,3% или меньшее значение.
Мn: 2,0-9,0%
Мn стабилизирует аустенитную фазу и обычно увеличивает растворимость N, способствующего образованию сплава элемента. Для успешного осуществления такого влияния требуется, чтобы содержание Мn было не меньше 2,0%. Мn и N служат эффективными заменителями более дорогого элемента Ni. Однако введение более 9,0% Мn приводит к ухудшению в определенных средах работоспособности и коррозионной стойкости материала. Кроме того, из-за сложности выполнения обезуглероживания нержавеющей стали с высоким содержанием Мn, превышающим 9,0%, такие высокие уровни Мn приводят к значительному росту производственных расходов при производстве такого материала. Итак, для достижения правильного баланса коррозионной стойкости, фазового баланса, пластичности и других механических характеристик в аустенитной нержавеющей стали, соответствующих настоящему изобретению, уровень Мn устанавливается на значение 2,0-9,0%. В определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, содержание Мn может составлять 2,0-8,0%, 3,5-7,0% или 7%.
Ni: 1,0-9,5%
Авторы настоящего изобретения стремились ограничить содержание Ni в сплаве при обеспечении его приемлемых характеристик. Для стабилизации аустенитной фазы в отношении образования феррита и мартенсита требуется присутствие по меньшей мере 1% Ni. Ni также способствует улучшению прочности и способности к формовке. Однако из-за относительно высокой стоимости Ni желательно сохранять его содержание на минимально возможном уровне. Хотя частичной заменой для Ni могут служить Мn и N, однако большое их содержание может приводить к недопустимо большим уровням твердости, уменьшающим способность к формовке. Поэтому сплав должен включать минимальную концентрацию Ni для обеспечения приемлемой способности к формовке. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что для получения сплава с такой же или лучшей коррозионной стойкостью и способностью к формовке, как у сплавов с высоким содержанием Ni, вдобавок к другим определенным количественным диапазонам для других элементов может также использоваться Ni в диапазоне 1,0-9,5%. Итак, в соответствии с настоящим изобретением аустенитная нержавеющая сталь содержит в своем составе 1,0-9,5% Ni. В варианте воплощения содержание Ni может составлять 2,0-6,5% или 3,0-6,0%.
Сr: 15,0-23,0%
Сr добавляется для сообщения нержавеющим сталям коррозионной стойкости путем образования пассивной пленки на поверхности сплава. Сr также влияет на стабилизацию аустенитной фазы в отношении мартенситного превращения. Для обеспечения соответствующей коррозионной стойкости требуется наличие по меньшей мере 15% Сr. С другой стороны, так как Сr служит мощным стабилизатором феррита, то при превышении содержания Сr 23% требуется введение более дорогих образующих сплав элементов, таких как Ni или кобальт, для сохранения приемлемого низкого содержания феррита. Наличие более 23% Сr также приводит к повышению вероятности образования таких нежелательных фаз, как сигма-фаза. Итак, в соответствии с настоящим изобретением аустенитная нержавеющая сталь содержит в своем составе 15,0-23,0% Сr. В варианте воплощения содержание Сr может составлять 16,0-22,0%, или в качестве альтернативы содержание Сr может составлять 17,0-21,0%.
N: 0,05-0,35%
N включается в настоящий сплав в качестве частичной замены аустенитного стабилизирующего элемента Ni и элемента улучшения коррозионной стойкости молибдена (Мо). N также улучшает прочность сплава. Для обеспечения прочности и коррозионной стойкости, а также стабилизации аустенитной фазы требуется наличие по меньшей мере 0,05% N. Добавление более 0,35% N может приводить к чрезмерному увеличению растворимости N при плавлении и сварке с возникновением пористости из-за наличия пузырьков N. Даже если предельное значение растворимости не превышается, при содержании N более 0,35% увеличивается склонность к осаждению нитридных частиц, что приводит к ухудшению коррозионной стойкости и прочности материала. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что содержание N до 0,35% совместимо с возможным содержанием Nb в сплаве без быстрого образования проблемного уровня карбонитрида ниобия. Итак, в соответствии с настоящим изобретением аустенитная нержавеющая сталь содержит в своем составе 0,05-0,35% N. В варианте воплощения содержание N может составлять 0,08-0,30%, или в качестве альтернативы содержание N может составлять 0,05-0,2%.
Мо: до 3,0%
Авторы настоящего изобретения стремились ограничить содержание Мо в сплаве при обеспечении приемлемых характеристик. Мо эффективно воздействует на стабилизацию пассивной оксидной пленки, образующейся на поверхности нержавеющей стали и защищающей от точечной коррозии и воздействия хлоридов. В определенных вариантах воплощения содержание Мо может составлять 0,1-3,0%, что вполне достаточно для обеспечения требуемой коррозионной стойкости в сочетании с соответствующим содержанием Сr и N. Содержание Мо, превышающее 3,0%, приводит к ухудшению работоспособности в горячих условиях из-за увеличения до потенциально нежелательных уровней фракции феррита. Высокое содержание Мо также увеличивает вероятность образования нежелательных интерметаллических фаз, таких как сигма-фаза. Кроме того, Мо представляет собой дорогостоящий образующий сплав элемент. Итак, соответствующий настоящему изобретению состав аустенитной нержавеющей стали содержит до 3,0% Мо. В определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, Мо в состав сплава намеренно не включается. В других вариантах воплощения настоящего изобретения содержание Мо может составлять 0,1-1,0%, или содержание Мо может составлять 0,5-1,0%.
В: до 0,01%
В соответствующий настоящему изобретению сплав для улучшения работоспособности в горячих условиях и качества поверхности нержавеющей стали в качестве опции могут вноситься маленькие, порядка 0,0005%. добавки В. Однако добавка более 0,01% В ухудшает коррозионную стойкость и работоспособность сплава. Итак, определенные варианты воплощения аустенитной нержавеющей стали, соответствующие раскрытию настоящего изобретения, могут содержать до 0,01% В. В варианте воплощения содержание В может составлять до 0,008%, или содержание В может составлять до 0,005%. В другом варианте воплощения содержание В может составлять 0,001-0,003%
Сu: до 3,0%
Сu представляет собой аустенитный стабилизатор и может использоваться для замены части Ni в данном сплаве. Она также улучшает коррозионную стойкость в восстановительных средах и улучшает способность к формовке путем уменьшения энергии дефектов упаковки. Однако введение более 3% Сu приводит к уменьшению работоспособности аустенитных нержавеющих сталей в горячих условиях. Итак, соответствующий настоящему изобретению состав аустенитной нержавеющей стали содержит до 3,0% Сu. В варианте воплощения содержание Сu может составлять до 1,0%. В другом варианте воплощения содержание Сu может составлять 0,4-0,8%.
W: до 4,0%
W действует аналогично молибдену в направлении улучшения стойкости к точечной и щелевой хлоридной коррозии. W также может уменьшать склонность к образованию сигма-фазы в случае его использования для замены молибдена. Однако добавление более 4% W может уменьшать работоспособность сплава в горячих условиях. Итак, соответствующий настоящему изобретению состав аустенитной нержавеющей стали содержит до 4,0% W. В варианте воплощения содержание W может составлять 0,05-0,60%.
1,0≤(Ni+Со)≤9,5
Никель и кобальт влияют на стабилизацию аустенитной фазы в отношении образования феррита. Для стабилизации требуется наличие по меньшей мере 1% (Ni+Со) в присутствии таких стабилизирующих феррит элементов, как Сr и Мо, которые могут добавляться для обеспечения надлежащей коррозионной стойкости. Однако Ni и Со представляют собой дорогостоящие элементы, поэтому желательно сохранять содержание (Ni+Со) на уровне менее 9,5%. В варианте воплощения содержание (Ni+Со) может составлять более 4,0%, но менее 7,5%.
(7,5(%С))≤(% Nb+%Ti+%V+%Та+% Zr)≤1,5
Ниобий (Nb) реагирует с С и в меньшей степени с N, образуя карбиды и карбонитриды в форме небольших частиц. Эти частицы эффективно предотвращают образование вредных карбидов хрома во время работы при повышенных температурах и во время сварки, что улучшает коррозионную стойкость материала. Эти частицы во время производства с использованием эффективной тепловой обработки могут также улучшать прочность сплава при повышенных температурах и сопротивление ползучести. Минимальное добавление (7,5 × %С) обеспечивает наличие одного атома Nb на каждый атом С, растворенный в металле. Более высокие уровни Nb будут расходоваться на связывание полезного N, поэтому желательно сохранять содержание Nb на уровне менее 1,5%. Другие элементы, образующие стабилизирующие карбиды, включают, но не ограничиваясь, титан (Ti), ванадий (V), тантал (Та) и цирконий (Zr), могут добавляться для замены ниобия (Nb). Однако такая замена более сильно реагирует с N, чем Nb, и по этой причине следует осуществлять соответствующий контроль для обеспечения такого полезного эффекта, как улучшение свариваемости. Авторы настоящего изобретения определили, что сумма массовых процентов для Nb, Ti, V, Та и Zr должна поддерживаться в диапазоне от (7,5(%С)) до 1,5%. Иначе говоря, (7,5(%С))≤(%Nb+%Ti+%V+%Та+%Zr)≤1,5%. В определенных вариантах воплощения (7,5(%С))≤(%Nb+%Ti+%V+%Та+%Zr)≤1,0%. В определенных предпочтительных вариантах воплощения сплав содержит по меньшей мере 0,1% Nb, и сумма массовых процентов для Nb, Ti, V, Та, и Zr находится в диапазоне от (7,5(%С)) до 1,5% или 1,0%. В определенных вариантах воплощения Ti, V, Та и Zr представлены только как случайные загрязнения или поддерживаются на практически минимальном уровне. В определенных вариантах воплощения настоящего изобретения для оптимизации свойств коррозионной стойкости, обеспечения прочности при повышенных температурах, сопротивления ползучести и свариваемости сплава определенные варианты воплощения сплава содержат Nb в количестве по меньшей мере (7,5(%С)), a Ti, V, Та и Zr представлены только как случайные загрязнения. В определенных вариантах воплощения содержание Ti может составлять меньше 0,01%. Также в определенных вариантах воплощения содержание Ti может составлять 0,001-0,005%. Авторы настоящего изобретения определили, что содержание Nb до 1,5% совместимо с содержанием в сплаве N в количестве 0,05-0,35%% в том, что их сочетание не приводит к быстрому осаждению карбонитрида ниобия (Nb), которое бы недопустимо ухудшило сопротивление ползучести.
В определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, балансирование соответствующей настоящему изобретению стабилизированной аустенитной нержавеющей стали включает присутствие Fe и неизбежных загрязнений, таких как Р и S. Неизбежные загрязнения главным образом сохраняются на наименьшем практически и экономически достижимом уровне, что вполне понятно для специалистов.
Элементы, образующие очень стабильные нитриды, такие как А1, должны поддерживаться на низком уровне.
30
Соответствующие настоящему изобретению стабилизированные аустенитные нержавеющие стали также могут определяться уравнениями, количественно выражающими их свойства, включающие, например, числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии, ферритное число и температуру MD.
N
N
N
Числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии (PRE) дает относительную оценку ожидаемой стойкости сплава к точечной коррозии в содержащей хлориды среде. Чем выше значение PRE, тем лучше ожидаемая коррозионная стойкость сплава. Значение PRE может быть вычислено по следующей формуле:
N
PRE=%Сr+3,3 (%Мо)+16 (%N)
В качестве альтернативы к приведенной выше формуле может быть добавлена составляющая 1,65 (%W) для учета присутствия в сплаве вольфрама. Вольфрам улучшает стойкость к точечной коррозии нержавеющей стали и обладает половиной эффективности по весу для молибдена. Когда при вычислении учитывается вольфрам, то числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии обозначается как PREw и вычисляется по следующей формуле:
W
PRE=%Сr+3,3 (%Мо)+1,65(%W)+16 (%N)
N
N
N
N
Соответствующий настоящему изобретению сплав имеет значение PRE, превышающее 18. В определенных вариантах воплощения значение PRE может составлять 18-24. В определенных вариантах воплощения значение PRE может составлять 18-22. В определенных вариантах воплощения значение PRE может составлять 20-22.
Соответствующий настоящему изобретению сплав также может определяться своим ферритным числом. Положительное ферритное число обычно соответствует присутствию феррита, улучшающего кристаллические свойства сплава и способствующего устранению горячего растрескивания сплава во время работы в горячих условиях и при сварке. Поэтому желательно присутствие небольшого количества феррита в исходной затвердевшей структуре для обеспечения хороших литейных качеств и предотвращения горячего растрескивания при сварке. С другой стороны, слишком большое количество феррита приводит к возникновению при эксплуатации проблем, включая, но не ограничиваясь, нестабильность микроструктуры, уменьшение пластичности и ухудшение механических свойств при высоких температурах. Ферритное число можно вычислить с использованием следующего уравнения:
FN=3,34(Сr+l,5Si+Мо+2Ti+0,5Cb) - 2,46 (Ni+30N+30С+0,5Mn+0,5Cu)-28,6
Соответствующий настоящему изобретению сплав имеет ферритное число до 12, и предпочтительно, чтобы оно было положительным. В определенных вариантах воплощения, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, ферритное число может превышать установленный диапазон от 0 до 10 или может составлять от 1 до 4.
30
30
30
Температура MD сплава определяется как температура, при которой холодная 30% деформация приводит к преобразованию 50% аустенита в мартенсит. Чем ниже значение температуры MD, тем большая стойкость материала к образованию мартенсита. Стойкость к образованию мартенсита ведет к уменьшению рабочей скорости упрочнения, что приводит к улучшению способности к формовке, особенно при прокатывании. MDвычисляется в соответствии со следующим уравнением:
30
MD (°С)=413 - 462(C+N) - 9,2(Si) - 8,l(Mn) - 13,7(Сr) - 9,5(Ni) - 17,l(Cu) - 18,5(Mo)
30
30
30
Соответствующий настоящему изобретению сплав имеет температуру MD менее 34°С, лучше, чтобы она была меньше 10°С. В определенных вариантах воплощения температура MD может быть меньше -10°С. В определенных вариантах воплощения температура MDможет быть меньше -20°С.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
В Таблице 1 приведены составы и вычисленные значения параметров для экспериментальных сплавов 1-5 и сплавов для сравнения S31600, S31635, S21600 и S20100.
Экспериментальные сплавы 1-5 были выплавлены в лабораторной вакуумной печи и разлиты в 15,24-метровые литейные формы. Эти формы затем подвергались повторному нагреву и горячей прокатке для получения материала толщиной примерно 6,35 мм. Этот материал отжигался, очищался и протравливался. Некоторое количество данного материала подвергалось холодной прокатке до получения толщины порядка 2,54 мм, а остальная часть подвергалось холодной прокатке до получения толщины порядка 1,27 или 1,16 мм. Холоднокатаный материал отжигался и протравливался. Сплавы для сравнения S31600, S31635, S21600 и S20100 при проведении испытаний имелись на рынке, и представленные для них данные брались из опубликованной литературы или измерялись при проведении испытаний материала, выпущенного для продажи на рынке.
W
W
W
В Таблице 1 приводятся вычисленные значения PRE для каждого сплава. Используя приведенное выше уравнение, ожидалось, что сплавы со значением PRE, превышающим 24,0, будут обладать лучшей стойкостью к хлоридной точечной коррозии, чем сплав для сравнения S31635, а имеющие меньшее значение PRE будут более легко подвергаться воздействию точечной коррозии.
В Таблице 1 также вычислено ферритное число для каждого сплава. Ферритное число для каждого экспериментального сплава 1-5 меньше 10.
30
В Таблице 1 также вычислены значения MD для сплавов. В соответствии с вычислениями экспериментальные сплавы 1-5, и особенно экспериментальные сплавы 4 и 5, должны демонстрировать устойчивость к образованию мартенситов, аналогичную используемым для сравнения сплавам S31600 и S31635.
Таблица 1
Экспериментальные сплавы
Сплавы для сравнения
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
Мn
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
Сr
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
Мо
1,47
1,47
1,47
1,00
1,1
2,1
2,11
2,5
0,26
Сu
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
Р
0,011
0,012
0,012
0,014
0,014
0,03
0,031
0,03
0,03
S
0,0010
0,0012
0,0012
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
0,0019
0,0018
0,0016
0,0022
0,0022
0,0025
0,0025
0,0025
0,0005
Fe
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Nb
0,710
0,498
0,288
0,500
0,26
0,35
0,02
0,10
0,10
Со
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
PRE<sub>W</sub>
22,9
23,4
23,1
23,6
24,7
24,0
24,0
33,9
19,7
MD<sub>30</sub>
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 разрыв
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
ОСH
0,42
0,39
0,40
0,41
0,43
0,45
-
-
-
В Таблице 1 также приводится индекс стоимости сырья (RMCI), сравниваемый для каждого сплава с аналогичным индексом сплава для сравнения S31635. Значение RMCI вычислялось путем умножения средней стоимости на октябрь 2007 года сырья для Fe, Сr, Мn, Ni, Мо, W и Со на процент содержания каждого элемента в сплаве и деления на стоимость сырья для элементов, содержащихся в сплаве для сравнения S31635. Как видно из приведенных вычисленных значений, каждый из экспериментальных сплавов 1-5 имеет RMCI меньше 0,65, что означает, что, основываясь на ценах на октябрь 2007 года, стоимость содержащихся в них сырьевых материалов меньше 65% от стоимости материалов, содержащихся в сплаве для сравнения S31635. То, что материал может быть выполнен с характеристиками, аналогичными сплаву для сравнения S31635, при значительно меньшей стоимости сырья, достаточно удивительно и вначале не ожидалось.
Были измерены механические свойства экспериментальных сплавов 1 - 5 и сопоставлены с аналогичными свойствами сплавов для сравнения S31600, S31635, S21600 и S20100. В Таблице 1 представлены измеренные значения предела текучести, предела прочности на разрыв, относительного удлинения для образца длиной 50,8 мм и глубины лунки при испытаниях по Ольсену. Испытания прочности на разрыв выполнялись на материале толщиной 2,54 мм, испытания по Шарпи выполнялись на образцах толщиной 5,004 мм, а испытания на штампуемость (выдавливанием) по Ольсену выполнялись на образцах толщиной от 1,16 до 1,27 мм. Все испытания производились при комнатной температуре. Используются следующие единицы измерений для приведенных в Таблице 1 данных: по пределу текучести и пределу прочности на разрыв - ksi; по удлинению - проценты; по глубине лунки по Ольсену - дюймы. Как можно видеть из приведенных данных, экспериментальные сплавы 1-5, и в частности экспериментальные сплавы 4 и 5, демонстрируют сопоставимые характеристики с материалом S31635. Экспериментальные сплавы 1-5, однако, содержат меньше половины никеля по концентрации и также значительно меньше молибдена, чем сплав для сравнения S31635. Значительно уменьшена концентрация дорогостоящих образующих сплав элементов никеля и молибдена - такая, что значение RMCI экспериментальных сплавов 4 и 5 по меньшей мере на 40% меньше, чем у сплава для сравнения S31635. Несмотря на существенное уменьшенные количества никеля и молибдена, однако, экспериментальные сплавы 4 и 5 обладают аустенитной микроструктуройи также демонстрируют значительно лучшие значения предела текучести и прочности на разрыв по сравнению со сплавом для сравнения S31635.
Пример 2
В Таблице 2 приведены составы и вычисленные значения параметров для экспериментальных сплавов 6 -10 и сплавов для сравнения S32100 и типа 216Сb. Как видно из Таблицы 2, экспериментальные сплавы 6-10 обычно содержат увеличенные уровни Мn, N и Nb и уменьшенные уровни Ni по сравнению со сплавом для сравнения S32100. Экспериментальные сплавы 6-10 также содержат уменьшенные уровни Мо по сравнению со сплавом для сравнения Т216Сb и экспериментальными сплавами 1-5.
Экспериментальные сплавы 6-10 были выплавлены в лабораторной вакуумной печи и разлиты в 15,24-метровые литейные формы. Эти формы затем подвергались повторному нагреву и горячей прокатке для получения материала толщиной примерно 6,35 мм. Этот материал отжигался, очищался и протравливался. Некоторое количество данного материала подвергалось холодной прокатке до получения толщины порядка 2,54 мм, а остальная часть подвергалась холодной прокатке до получения толщины порядка 1,27 или 1,16 мм. Холоднокатаный материал отжигался и протравливался. Сплав для сравнения S32100 имеется на рынке, и представленные для него данные брались из опубликованной литературы или измерялись при проведении испытаний материала, выпущенного для продажи на рынке. Сплав для сравнения Т216Сb описан в Публикации №2009-0162237 А1 Патента США (Серийный №12/034,183 Заявки на Патент США), и представленные для этого сплава данные измерялись при проведении испытаний материала, произведенного в соответствии с описанием, или брались из опубликованной литературы.
N
N
N
N
В Таблице 2 приводятся вычисленные значения PRE для каждого сплава. Используя приведенное выше уравнение, ожидалось, что сплавы со значением PRE, превышающим 18, будут обладать лучшей стойкостью к хлоридной точечной коррозии, чем сплав для сравнения S32100, а имеющие значение PRE менее 24 будут более легко подвергаться воздействию точечной коррозии по сравнению с материалом сплава для сравнения Т216Сb. Значения PRE для каждого из экспериментальных сплавов 6-10 находились в предпочтительном диапазоне 18-24.
В Таблице 2 также вычислено ферритное число для каждого сплава. Ферритное число для каждого экспериментального сплава 6-10 находится в предпочтительном диапазоне и меньше 12. В соответствии с вычислениями экспериментальные сплавы 8-10 должны демонстрировать улучшенную способность к формовке по сравнению со сплавом для сравнения S32100.
30
В Таблице 2 также вычислены значения MD для сплавов. В соответствии с вычислениями экспериментальные сплавы 6 -10, и особенно экспериментальные сплавы 3 и 5, должны демонстрировать улучшенную устойчивость к образованию мартенситов по сравнению со сплавом для сравнения S32100.
Таблица 2
Экспериментальные сплавы
Сплавы для сравнения
6
7
8
9
10
S32100
S32100
Т216Сb
Т216Сb
С
0,017
0,017
0,017
0,019
0,017
0,017
0,017
0,016
0,02
Мn
6,9
6,9
6,9
6,8
4,4
1,8
1,9
4,9
4,86
Si
0,34
0,35
0,34
0,33
0,16
0,55
0,52
0,3
0,36
Сr
18,3
18,2
18,2
16,7
18,2
17,3
18,2
18,2
18,02
Ni
5,0
4,0
3,5
3,0
4,5
9,3
9,4
5,5
5,54
Мо
0,30
0,30
0,30
0,30
0,29
0,35
0,25
1,1
0,92
Сu
0,52
0,52
0,52
0,52
0,62
0,32
0,23
-
-
N
0,051
0,094
0,171
0,149
0,183
0,011
0,011
0,17
0,17
Р
0,020
0,020
0,020
0,021
0,020
0,028
0,027
0,014
0,024
S
0,0019
0,0018
0,0000
0,0000
0,0013
0,0001
0,0008
0,0016
0,0005
В
0,0026
0,0018
0,0025
0,0024
0,0024
-
0,0030
-
-
Fe
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Баланс
Nb
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
0,03
0,00
0,26
0,23
Ti
0,004
0,004
0,004
0,004
0,004
0,187
0,047
-
-
FN
9,1
8,1
3,8
1,5
2,3
6,6
8,2
4,5
3,2
PREN
20,1
20,7
21,9
20,1
22,1
18,7
19,2
24,6
23,8
MD<sub>30</sub>
10,3
0,9
-30,2
5,4
-25,1
-6,1
31,9
-37,3
-34,0
RMCI
0,73
0,65
0,61
0,56
0,68
1,00
0,99
0,86
0,83
Предел текучести
43,4
46,6
50,1
48,3
49,9
33,5
25,6
53,5
65,6
Прочность на разрыв
90,2
93,0
102,7
118,2
104,9
81,5
78,9
106,0
115,6
%Е
48
47
48
48
52
58,5
60
47
52
В Таблице 2 также приводится индекс стоимости сырья (RMCI), сравниваемый для каждого сплава с аналогичным индексом сплава для сравнения S32100. Значение RMCI вычислялось путем умножения средней стоимости на октябрь 2009 года сырья для Fe, Сr, Мn, Ni, Мо, Сr, Nb и Ti на процент содержания каждого элемента в сплаве и деления на стоимость сырья для элементов, содержащихся в сплаве для сравнения S32100. Как видно из приведенных вычисленных значений, каждый из экспериментальных сплавов 6-10 имеет значение RMCI, меньшее или равное 0,73, что означает, что стоимость содержащихся в них сырьевых материалов меньше или равна 73% от стоимости материалов, содержащихся в сплаве для сравнения S32100. То, что материал может быть альтернативой сплаву для сравнения S32100 при значительно меньшей стоимости сырья, достаточно удивительно и неожиданно.
Были измерены механические свойства экспериментальных сплавов 6-10 и сопоставлены с аналогичными свойствами сплавов для сравнения S32100 и Т216Сb. В Таблице 2 представлены измеренные значения предела текучести, предела прочности на разрыв и относительного удлинения для образца длиной 50,8 мм. Испытания прочности на разрыв выполнялись на материале толщиной 2,54 мм. Все испытания производились при комнатной температуре. Используются следующие единицы измерений для приведенных в Таблице 2 данных: по пределу текучести и пределу прочности на разрыв - ksi; по удлинению - проценты. Как можно видеть из приведенных данных, экспериментальные сплавы 6-10 демонстрируют существенно улучшенные значения предела текучести и предела прочности на разрыв по сравнению со сплавом для сравнения S32100, несмотря на значительно уменьшенное содержание Ni. Величина увеличения предела прочности на разрыв по сравнению со сплавом для сравнения S32100 удивляет и не ожидалась исходя из предшествующего опыта. Экспериментальные сплавы также содержат значительно меньше Мо по сравнению со сплавом для сравнения Т216Сb. Значительно уменьшена концентрация дорогостоящих образующих сплав элементов никеля и молибдена - такая, что значение RMCI экспериментальных сплавов 9 и 10 по меньшей мере на 32% меньше значения RMCI у сплава для сравнения S32100.
Новые сплавы обладают значительным потенциалом использования. Как указывалось и доказывалось выше, описанные составы аустенитной нержавеющей стали способны во многих применениях заменять сталь S32100. Кроме того, при переходе с S32100 на изобретенный состав сплава с учетом высокой стоимости Ni будет достигнута значительная экономия по стоимости. Другим преимуществом служит то, что так как предлагаемые сплавы полностью аустенитные, они не подвержены ни резкому переходу в хрупкое состояние (DBT) при субнулевых температурах, ни ломкости при повышенных температурах 474°С. По этой причине, в отличие от двухфазных сплавов, их можно использовать при температурах выше 343°С и они являются основными кандидатами для низкотемпературных и криогенных применений. К характерным изделиям, при производстве которых особенно предпочтительно использовать соответствующие настоящему изобретению сплавы, могут, например, относиться гибкие соединители для автомобильной промышленности и для других применений, гофрированные трубы, гибкие трубы и цилиндрические части дымовых труб/футеровки дымовых труб. Специалисты легко могут наладить выпуск этих и других изделий из сплавов, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, с использованием обычных производственных методов.
Хотя в приведенном выше описании вынужденно представлено только ограниченное количество вариантов воплощения настоящего изобретения, однако для специалистов очевидно, что различные изменения в устройствах, способах и других подробностях приведенных и описанных здесь примеров, которые могут быть выполнены специалистами, будут оставаться в пределах сущности и объема настоящего изобретения, представленного здесь и в формуле изобретения. По этой причине должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми или представленными здесь отдельными его воплощениями, но охватывает модификации, находящиеся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, определенного его формулой. Также специалисты должны понимать, что изменения в приведенных выше вариантах реализации могут осуществляться без отклонения от широкой представленной концепции настоящего изобретения.