ФЕРРИТНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ С ПРЕВОСХОДНОЙ ЖАРОСТОЙКОСТЬЮ И ВЯЗКОСТЬЮ
FERRITIC STAINLESS STEEL WITH EXCELLENT HEAT RESISTANCE AND VISCOSITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к Cr-содержащей стали, и в частности относится к ферритной нержавеющей стали, обладающей жаростойкостью (сопротивлением термической усталости и сопротивлением окислению) и имеющей превосходную вязкость, которая может применяться для изготовления элементов выхлопной системы, которые эксплуатируются под воздействием высокотемпературных окружающих сред, т.е., для изготовления выхлопных труб автомобилей и мотоциклов, выходных трактов картеров гидротрансформаторов и тепловых электростанций и т.п.
Уровень техники
Детали выхлопной системы, которые эксплуатируются под воздействием сред выхлопной системы автомобилей, например коллекторы, выхлопные трубы, корпуса конвертеров и глушители, должны обладать превосходным сопротивлением термической усталости и сопротивлением окислению (в дальнейшем, оба свойства вместе называются «жаростойкостью»). В условиях, когда требуется высокая жаростойкость, в настоящее время широко используются Cr-содержащие стали, включающие Nb и Si, например сталь типа 429 (14Cr-0,9Si-0,4Nb). Однако сопротивление термической усталости стали типа 429 стало недостаточным, поскольку при улучшении рабочих характеристик двигателя температура выхлопного газа поднимается до температур свыше 900°C.
Для решения этой проблемы, например, была разработана Cr-содержащая сталь, которая обладает повышенной жаропрочностью, благодаря введению в ее состав Nb и Mo, т.е., сталь SUS444 (19Cr-0,5Nb-2Mo) в соответствии со стандартом JIS G4305 и ферритная нержавеющая сталь, включающая Nb, Mo и W (например, см. публикацию не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2004-018921). Однако, поскольку в настоящее время редкие металлы, такие как Мо и W, значительно возросли в цене, потребовалась разработка сталей, обладающих жаростойкостью, эквивалентной жаростойкости сталей, содержащих Mo, W или аналогичные элементы, при использовании недорогих исходных материалов.
Например, в документе WO 2003/004714 описывается ферритная нержавеющая сталь, используемая для изготовления деталей контура выхлопного газа автомобиля, в состав которой не входят дорогие элементы, такие как Mo и W, при этом в сталь, содержащую Cr: от 10 до 20 мас.%, введены следующие легирующие элементы, обеспечивающие превосходную жаростойкость: Nb: 0,50 мас.% или менее, Cu: от 0,8 до 2,0 мас.% и V: от 0,03 до 0,20 мас.%; в публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2006-117985 описывается ферритная нержавеющую сталь, обладающая превосходным сопротивлением термической усталости, при этом, в сталь, содержащую Cr от 10 до 20 мас.%, добавлены: Ti: от 0,05 до 0,30 мас.%, Nb: от 0,10 до 0,60 мас.%, Cu: от 0,8 до 2,0 мас.% и В: от 0,0005 до 0,02 мас.%; в публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2000-297355 описывается ферритная нержавеющая сталь для выхлопной системы автомобиля, при этом в сталь, содержащую Cr от 15 до 25 мас.%, добавлено: Cu: от 1 до 3 мас.%. Эти все стали характеризуются тем, что при введении в состав стали Cu сопротивление термической усталости возрастает.
Однако согласно исследованиям, проведенным авторами настоящего изобретения, было установлено, что добавка Cu в соответствии с технологией, описанной в вышеупомянутых патентных документах, повышает сопротивление термической усталости, но снижает сопротивление окислению стали и, в целом, жаростойкость стали ухудшается. Кроме того, сталь SUS444 содержит Cr в количестве, превышающем его содержание в стали типа 429, и также содержит большое количество Mo. Так или иначе, остается проблема, состоящая в том, что вязкость материала основы является низкой.
Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать ферритную нержавеющую сталь, которая обладает превосходным сопротивлением термической усталости и превосходным сопротивлением окислению, а также обладает вязкостью, эквивалентной или превышающей вязкость стали типа 429, не содержащую дорогие элементы, такие как Mo и W, при разработке технологии изготовления которой может быть предотвращено снижение сопротивления окислению, вызванное добавкой Cu. В настоящем изобретении термин «превосходное сопротивление термической усталости и сопротивление окислению» означает, что имеются характеристики, которые являются эквивалентными или превышают характеристики стали SUS444 и, в частности, что сопротивление окислению при температуре 950°C и сопротивление термической усталости при циклической термической нагрузке в диапазоне температур от 100°C до 850°C являются эквивалентными или превышают указанные характеристики стали SUS444. Кроме того, термин «вязкость, которая является эквивалентной вязкости стали типа 429», означает, что отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома листа холоднокатаной стали толщиной 2 мм эквивалентно этому показателю стали типа 429 при испытании на ударную вязкость по Шарпи при температуре -40°C.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается ферритная нержавеющая сталь, включающая: C: 0,015 мас.% или менее, Si: 0,5 мас.% или менее, Mn: 0,5 мас.% или менее, P: 0,04 мас.% или менее, S: 0,006 мас.% или менее, Cr: от 16 до 20 мас.%, N: 0,015 мас.% или менее, Nb: от 0,3 до 0,55 мас.%, Ti: 0,01 мас.% или менее, Mo: 0,1 мас.% или менее, W: 0,1 мас.% или менее, Cu: от 1,0 до 2,5 мас.%, Al: от 0,2 до 1,2 мас.% и остальное Fe и неизбежные примеси.
Кроме того, в дополнение к вышеупомянутому составу компонентов, ферритная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению может включать один или несколько элементов, выбранных от группы, состоящей из: B: 0,003 мас.% или менее, РЗМ: 0,08 мас.% или менее, Zr: 0,5 мас.% или менее, V: 0,5 мас.% или менее, Co: 0,5 мас.% или менее и Ni: 0,5 мас.% или менее.
Согласно настоящему изобретению, ферритная нержавеющая сталь, которая обладает жаростойкостью (сопротивлением термической усталости и сопротивлением окислению), эквивалентной или превышающей жаростойкость стали SUS444, а также обладающая вязкостью, эквивалентной или превышающей вязкость стали типа 429 (ссылка на сталь №29, химический состав которой представлен в таблице 1), является недорогой, так как не содержит дорогие элементы Мо или W. В связи с этим, сталь согласно настоящему изобретению, соответственно, может использоваться для изготовления деталей выхлопной системы автомобиля.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид образца для испытания на термическую усталость.
Фиг.2 - диаграмма, показывающая температурные условия и условия заневоливания при испытании на термическую усталость.
Фиг.3 - график, показывающий влияние содержания Cu на сопротивление термической усталости.
Фиг.4 - график, показывающий влияние содержания Al на сопротивление окислению (прирост массы при окислении).
Фиг.5 - график, показывающий влияние содержания Al на сопротивление окислению (количество отслоившейся окалины).
Фиг.6 - график, показывающий влияние содержания Si на сопротивление окислению (количество отслоившейся окалины).
Фиг.7 - график, показывающий влияние содержания Mn на вязкость (отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома).
Фиг.8 - график, показывающий влияние содержания Al на вязкость (отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома).
Фиг.9 - график, показывающий влияние содержания Ti на вязкость (отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома).
Осуществление изобретения
Авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования для разработки ферритной нержавеющей стали, обладающей превосходным сопротивлением термической усталости и превосходной коррозионной стойкостью, а также превосходной вязкостью, без введения дорогих элементов, таких как Mo или W, при этом в стали предотвращается снижение коррозионной стойкости, вызванной добавкой Cu, что является проблемой при обычной технологии. В результате, было установлено, что может быть обеспечена высокая жаропрочность в широком диапазоне температур, и сопротивление термической усталости может быть повышено при совместной добавке Nb в диапазоне от 0,3 до 0,55 мас.% и Cu в диапазоне от 1,0 до 2,5 мас.%; и что снижение коррозионной стойкости, связанное с добавкой Cu, может быть предотвращено посредством введения Al в количестве от 0,2 мас.% или более; и что, поэтому, жаростойкость (сопротивление термической усталости и сопротивление окислению), эквивалентная или превышающая жаропрочность стали SUS444, может быть получена регулировкой количества Nb, Cu, и Al в соответствующих упомянутых выше диапазонах. Кроме того, было установлено, что стойкость к отслаиванию окалины при циклическом испытании на окисление сталей, содержащих Cu и Al, может быть улучшена при оптимизации добавляемого количества Si (0,5 мас.% или менее); и что вязкость может быть повышена до уровня, эквивалентного или превышающего уровень вязкости стали типа 429, при оптимизации добавляемого количества Mn, Al и Ti (Mn: 0,5 мас.% или менее, Al: 1,2 мас.% или менее, Ti: 0,01 мас.% или менее). Тем самым, было осуществлено настоящее изобретение.
Прежде всего, будут описаны основные эксперименты, которые позволили разработать настоящее изобретение.
Были приготовлены стали путем добавления различного количества Cu к основе, имеющей в своем составе компоненты: C: от 0,005 до 0,007 мас.%, N: от 0,004 до 0,006 мас.%, Si: 0,3 мас.%, Mn: 0,2 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,45 мас.% и Al: 0,35 мас.%, из которых в лабораторных условиях были отлиты 50 кг стальные слитки. Стальные слитки нагревали до температуры 1170°C и затем подвергали горячей прокатке для получения листовых заготовок толщиной 30 мм и шириной 150 мм. Затем из листовых заготовок ковали прутки с поперечным сечением 35×35 мм. Прутки отжигали при температуре 1030°C и затем подвергали механической обработке, чтобы изготовить образцы для испытания на термическую усталость, имеющие размеры, показанные на фиг.1. Затем, как показано на фиг.2, образцы подвергали циклической температурной обработке, при которой циклически проводили нагрев до температуры 850°C и охлаждение до температуры 100°C, при степени заневоливания 0,35, и проводили измерения для определения долговечности образцов при испытании на термическую усталость. К тому же, долговечность при испытании на термическую усталость определялась как наименьшее количество циклов до достижения напряжения (рассчитанного при делении нагрузки, измеренной при температуре 100°C, на поперечное сечение нагреваемого параллельного участка испытываемого образца, показанного на фиг. 1), которое начинает непрерывно уменьшаться по отношению к напряжению предыдущего цикла. Этот показатель эквивалентен количеству циклов до появления трещины в испытываемом образце. Для сравнения, сталь SUS444 (сталь, содержащая Cr: 18 мас.%, Mo: 2 мас.% и Nb: 0,5 мас.%), была подвергнута тому же самому испытанию.
На фиг.3 представлены результаты испытания на термическую усталость. Результаты, представленные на графике подтверждают, что при добавке Cu в сталь в количестве 1,0 мас.% или более долговечность при термической усталости эквивалентна или превышает долговечность при термической усталости (приблизительно 1100 циклов), полученную при испытании стали SUS444, и поэтому для повышения долговечности при термической усталости эффективной является добавка Cu в количестве 1 мас.% или более.
Затем были приготовлены стали путем добавления различного количества Al к основе, имеющей в своем составе компоненты: C: 0,006 мас.%, N: 0,007 мас.%, Mn: 0,2 мас.%, Si: 0,3 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,49 мас.% и Cu: 1,5 мас.%, из которых в лабораторных условиях были отлиты 50 кг стальные слитки. Стальные слитки подвергали горячей прокатке, горячекатаные листы отжигали, подвергали холодной прокатке и окончательно отжигали для формирования холоднокатаных отожженных листов толщиной 2 мм. Полученные таким образом холоднокатаные стальные листы разрезали на испытываемые образцы размером 30×20 мм. Далее, в верхней части каждого испытываемого образца выполняли отверстие диаметром 4 мм. Затем переднюю поверхность и торцевую поверхность каждого образца полировали наждачной бумагой #320 и образец обезжиривали и подвергали испытаниям, указанным ниже.
Испытание при непрерывном окислении на воздухе
2
Испытываемый образец выдерживали в течение 300 часов в воздушной печи, нагретой до температуры 950°C. Затем, вычисляли разность массы испытываемого образца до и после испытания при нагреве для определения прироста массы образца на единицу поверхности (г/м) при окислении.
Испытание при циклическом окислении на воздухе
2
Испытываемый образец подвергали циклической термической обработке на базе 600 циклов, при которой образец нагревали до температуры 950°C в течение 25 мин и охлаждали до температуры 100°C в течение 1 мин на воздухе. Затем определяли количество окалины (г/м), отслоившейся от поверхности испытываемого образца, исходя из разности массы образца до и после испытания. При этом скорость нагрева и скорость охлаждения при испытании составляли 5°C/сек и 1,5°C/сек соответственно.
2
2
На фиг.4 представлены результаты измерения прироста массы при окислении. На фиг.5 представлены результаты измерения количества отслоившейся окалины. Эти результаты подтверждают, что при введении в сталь добавки Al в количестве 0,2 мас.% или более получена коррозионная стойкость стали, эквивалентная или превышающая коррозионную стойкость стали SUS444 (прирост массы при окислении составлял 27 г/м или менее, количество отслоившейся окалины составляло менее 4 г/м).
Затем были приготовлены стали путем добавления различного количества Si к основе, имеющей в своем составе компоненты: C: 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.%, из которых в лабораторных условиях были отлиты 50 кг стальные слитки. Далее, были приготовлены холоднокатаные отожженные листы толщиной 2 мм, как указано выше, которые подвергали указанному выше циклическому испытанию на окисление и измеряли количество отслоившейся окалины. Результаты представлены на фиг.6. Эти результаты подтверждают, что когда содержание Si в стали превышает 0,5%, даже при добавлении Al в соответствующем количестве, наблюдается уменьшение адгезии окалины, в связи с чем, увеличивается количество отслоившейся окалины, и не может быть получена жаростойкость, эквивалентная жаростойкости стали SUS444.
На конечном этапе были приготовлены стали путем добавления различного количества Mn, Al, и Ti к основе, имеющей в своем составе компоненты: C: от 0,006 до 0,007 мас.%, N: от 0,006 до 0,007 мас.%, Si: 0,3 мас.%, Cr: 17 мас.%, Nb: 0,45 мас.% и Cu: 1,5 мас.%, из которых в лабораторных условиях были отлиты 50 кг стальные слитки. Стальные слитки были подвергнуты горячей прокатке, горячекатаные листы отжигали, подвергали холодной прокатке и заключительному отжигу для формирования холоднокатаных отожженных листов толщиной 2 мм. Нестандартные образцы для испытания на ударную вязкость по Шарпи вырезали из холоднокатаных отожженных листов и испытание на ударную вязкость по Шарпи проводили при температуре -40°C, после чего оценивали вязкость стали, исходя из соотношения между измеренной поверхностью хрупкого излома и общей поверхностью излома.
На фиг.7 показано влияние содержания Mn на вязкость стали, когда количество Al и Ti составляет 0,25 мас.% и 0,006 мас.% соответственно; на фиг.8 показано влияние содержания Al на вязкость стали, когда количество Mn и Ti составляет 0,1 мас.% и 0,005 мас.% соответственно; и на фиг.9 показано влияние содержания Ti на вязкость стали, когда количество Al и Mn составляет 0,25 мас.% и 0,1 мас.% соответственно. Эти результаты подтверждают, что для получения вязкости, эквивалентной или превышающей вязкость стали типа 429, необходимо в стали следующее содержание компонентов: Mn: 0,3 мас.% или менее, Al: 1,2 мас.% или менее и Ti: 0,01 мас.% или менее.
Настоящее изобретение было выполнено при дальнейших исследованиях, основываясь на вышеописанных полученных данных.
Далее, будет описан химический состав ферритной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению.
С: 0,015 мас.% или менее
C является элементом, эффективным для повышения прочности стали, но при его содержании, превышающем 0,015 мас.%, значительно снижается вязкость и формуемость стали. Поэтому, согласно настоящему изобретению в стали установлено содержание C: 0,015 мас.% или менее. К тому же, с точки зрения обеспечения формуемости, предпочтительным является более низкое содержание C, при этом предпочтительным является содержание C: 0,008 мас.% или менее. С другой стороны, для обеспечения прочности стали, требуемой для изготовления деталей выхлопной системы, предпочтительным является содержание C: 0,001 мас.% или более. В связи с этим более предпочтительное содержание С в стали находится в диапазоне от 0,002 до 0,008 мас.%.
Si: 0,5 мас.% или менее
Si добавляют в качестве раскисляющего элемента. Предпочтительно, добавлять Si в количестве 0,05 мас.% или более. Кроме того, Si обладает эффектом повышения коррозионной стойкости, на которую делается акцент в настоящем изобретении, но этот эффект невысок по сравнению с эффектом, которым обладает Al. С другой стороны, как показано на фиг.6, при добавке Si в избыточном количестве, превышающем 0,5 мас.%, снижается сопротивление к отслаиванию окалины, в результате чего, жаростойкость не может быть эквивалентной или превышающей жаростойкость стали SUS444. В связи с этим в стали верхний предел содержания Si установлен 0,5 мас.%.
Mn: 0,5 мас.% или менее
Mn является элементом, который повышает прочность стали и также обладает раскисляющим эффектом. Предпочтительно, чтобы добавка Mn составляла 0,05 мас.% или более. Однако при избытке содержания Mn имеется тенденция к образованию у фазы при высокой температуре и к уменьшению жаростойкости. Кроме того, как показано на фиг. 7, когда содержание Mn превышает 0,5 мас.%, не достигается вязкость, эквивалентная или превышающая вязкость стали типа 429, и задача настоящего изобретения не может быть достигнута. Поэтому, в стали согласно настоящему изобретению содержание Mn установлено 0,5 мас.% или менее.
Р: 0,04 мас.% или менее
P является вредным элементом, который снижает вязкость, и желательно, чтобы его содержание было низким, насколько это возможно. Поэтому, согласно настоящему изобретению в стали содержание Р установлено 0,04 мас.% или менее, предпочтительно, 0,03 мас.% или менее.
S: 0.006 мас.% или менее
S является вредным элементом, который снижает удлинение и величину R, и неблагоприятно влияет на формуемость, а также снижает коррозионную стойкость, которая является основным свойством нержавеющих сталей. В связи с этим, желательно в стали снизить содержание S, насколько это возможно. Поэтому, согласно настоящему изобретению в стали содержание S установлено 0,006 мас.% или менее и, предпочтительно, 0,003 мас.% или менее.
Cr: от 16 до 20 мас.%
Cr является важным элементом, эффективным для повышения коррозионной стойкости и сопротивления окислению, которые относятся к характерным свойствам нержавеющих сталей, но достаточное сопротивление окислению не может быть достигнуто при содержании в стали Cr менее 16 мас.%. С другой стороны, Cr является элементом, повышающим твердость и снижающим пластичность стали в результате упрочнения твердого раствора стали при комнатной температуре. В частности, при содержании в стали Cr более 20 мас.% становятся существенными вышеупомянутые неблагоприятные эффекты, приводящие к тому, что не могут быть получены обрабатываемость и вязкость, эквивалентные или превышающие указанные характеристики стали типа 429. Поэтому, согласно настоящему изобретению в стали содержание Cr установлено в диапазоне от 16 до 20 мас.%, предпочтительно, в диапазоне от 16 до 19 мас.%.
N: 0,015 мас.% или менее
N является элементом, который снижает вязкость и формуемость стали, и при содержании N, превышающем 0,015 мас.%, эти характеристики существенно ухудшаются. В связи с этим, в стали содержание N установлено 0,015 мас.% или менее. Кроме того, если требуется более высокая вязкость стали, содержание N дополнительно снижают, и оно составляет, предпочтительно, менее 0,010 мас.%.
Nb: от 0,3 до 0,55 мас.%
Nb является элементом, обладающим эффектами повышения коррозионной стойкости, формуемости и стойкости к межкристаллитной коррозии зоны сварного шва, благодаря фиксации формирующихся карбонитридов с C и N, а также повышает сопротивление термической усталости, улучшая жаропрочность. Эти эффекты обнаруживаются, когда в стали содержание Nb составляет 0,3 мас.% или более. С другой стороны, когда в стали содержание Nb превышает 0,55 мас.%, имеется тенденция к выпадению фазы Лавеса, что приводит к снижению вязкости. Поэтому, в стали содержание Nb установлено в диапазоне от 0,3 до 0,55 мас.% и, предпочтительно, установлено в диапазоне от 0,4 до 0,5 мас.%.
Ti: 0,01 мас.% или менее
Ti является элементом, который связывается с N легче, чем Nb, и имеет тенденцию к формированию грубого соединения TiN. Грубое соединение TiN действует как надрез, который существенно снижает вязкость. В частности, как показано на фиг. 9, когда содержание Ti превышает 0,01 мас.%, такие неблагоприятные эффекты становятся существенными. Поэтому, согласно настоящему изобретению в стали содержание Ti установлено 0,01% или менее.
Mo: 0,1 мас.% или менее
Mo является дорогим элементом и, исходя из целей настоящего изобретения, специально не добавляется. Однако он может присутствовать в исходных материалах, например, в металлоломе в количестве 0,1 мас.% или менее. Поэтому, содержание Мо установлено 0,1 мас.% или менее.
W: 0,1 мас.% или менее
W является дорогим элементом, подобно Mo, и, исходя из целей настоящего изобретения, специально не добавляется. Однако он может присутствовать в исходных материалах, например, в металлоломе в количестве 0,1 мас.% или менее. Поэтому, содержание W установлено 0,1 мас.% или менее.
Cu: от 1,0 до 2,5 мас.%
Cu является элементом, который весьма эффективен для повышения сопротивления термической усталости. Как показано на фиг.3, для получения сопротивления термической усталости, эквивалентного или превышающего сопротивление термической усталости стали SUS444, необходимое содержание Cu в стали должно составлять 1,0 мас.% или более. Однако, если содержание Cu превышает 2,5 мас.%, то во время охлаждения после термической обработки осаждается фаза ε-Cu, упрочняя сталь и способствуя охрупчиванию во время горячей обработки. Наиважнейшим фактором является то, что наряду с повышением сопротивления термической усталости при введении Cu, сопротивление окислению стали до некоторой степени снижается. Поэтому, жаростойкость стали, в общем, может быть понижена. Причина этого явления не достаточно ясна, но это может происходить в результате того, что Cu сконцентрирована в слое de-Cr чуть ниже образовавшейся окалины, предотвращая повторную диффузию Cr, являющегося элементом, которому свойственно повышать сопротивление окислению нержавеющих сталей. Поэтому, в стали содержание Cu установлено в диапазоне от 1,0 до 2,5 мас.%, предпочтительнее в диапазоне от 1,1 до 1,8 мас.%.
Al: от 0,2 до 1,2 мас.%
Al, как показано на фиг. 4 и 5, является необходимым элементом для повышения сопротивления окислению Cu-содержащей стали. В частности, для того чтобы сопротивление окислению было эквивалентным или превышало сопротивление окислению стали SUS444, что является целью настоящего изобретения, содержание Al в стали должно составлять 0,2 мас.% или более. С другой стороны, как показано в фиг.8, при содержании Al, превышающем 1,2 мас.%, сталь упрочняется, в связи с чем нельзя обеспечить вязкость, эквивалентную или превышающую вязкость стали типа 429. Поэтому, верхний предел содержания Al в стали установлен 1,2 мас.%, и, предпочтительно, содержание Al находится в диапазоне от 0,3 до 1,0 мас.%.
Ферритная нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению может содержать один или несколько элементов, выбранных из группы, включающей: B, РЗМ, Zr, V, Co, и Ni в указанных ниже диапазонах, в дополнение к вышеупомянутым основным компонентам.
B: 0,003 мас.% или менее
В является элементом, эффективным для улучшения обрабатываемости, в частности, вторичной обрабатываемости. Эта важная характеристика может быть получена в стали при содержании B, составляющем 0,0005 мас.% или более, но при содержании выше 0,003 мас.% происходит осаждение BN, что снижает обрабатываемость стали. Поэтому, если В добавляют, то его содержание в стали должно составлять 0,003 мас.% или менее, предпочтительнее, в диапазоне от 0,0005 до 0,002 мас.%.
РЗМ: 0,08 мас.% или менее; Zr: 0,5 мас.% или менее
Как редкоземельный металл (РЗМ), так и Zr являются элементами, повышающими сопротивление окислению и, согласно настоящему изобретению, могут быть добавлены в случае необходимости. Для получения указанного эффекта добавляемое количество указанных элементов должно составлять 0,01 мас.% или более, 0,05 мас.% или более соответственно. Однако добавка РЗМ в количестве, превышающем 0,08 мас.%, приводит к охрупчиванию стали, а добавка Zr в количестве, превышающем 0,5 мас.%, приводит к выпадению интерметаллидов Zr и к охрупчиванию стали. Поэтому, когда в сталь добавляют РЗМ, его содержание должно составлять 0,08 мас.% или менее, и когда в сталь добавляют Zr, его содержание должно составлять 0,5 мас.% или менее.
V: 0,5 мас.% или менее
V является элементом, эффективным для улучшения обрабатываемости и повышения сопротивления окислению. В частности, содержание V в стали, чтобы обеспечить эффект повышения сопротивления окислению, составляет, предпочтительно, 0,15 мас.% или более. Однако, введение излишка V в количестве, которое превышает 0,5 мас.%, приводит к осаждению грубых соединений V (С, N), ухудшающих поверхностные свойства. Поэтому, когда в сталь добавляют V, его содержание составляет, предпочтительно, 0,5 мас.% или менее, предпочтительно, содержание V устанавливают в диапазоне от 0,15 до 0,4 мас.%.
Co: 0,5 мас.% или менее
Co является элементом, эффективным для повышения вязкости, и его содержание, предпочтительно, должно составлять 0,02 мас.% или более. При введении в сталь Co наблюдается насыщение указанного эффекта, когда его содержание превышает 0.5 мас.%, к тому же, Co является дорогим элементом. Поэтому, когда в сталь добавляют Co, его содержание, предпочтительно, составляет 0,5 мас.% или менее, предпочтительнее, содержание Со устанавливают в диапазоне от 0,02 до 0,2 мас.%.
Ni: 0,5 мас.% или менее
Ni является элементом, повышающим вязкость. Для получения указанного эффекта содержание Ni, предпочтительно, составляет 0,05 мас.% или более. Однако Ni является дорогим и эффективным формирователем γ-фазы. Соответственно, γ-фаза, сформированная при высокой температуре, снижает сопротивление окислению. Поэтому, когда в сталь добавляют Ni, его содержание составляет, предпочтительно, 0,5 мас.% или менее и, предпочтительнее, содержание Ni устанавливают в диапазоне от 0,05 до 0,4 мас.%.
Далее, будет описан способ производства ферритной нержавеющей стали согласно настоящему изобретению.
Для изготовления нержавеющей стали согласно настоящему изобретению можно использовать любой известный способ производства ферритной нержавеющей стали, который конкретно не ограничен. К примеру, предпочтительно, сталь выплавляют в известной плавильной печи, например, конвертерной печи или электропечи с дополнительным чистовым рафинированием, например, в ковше-печи или проводят вакуумное рафинирование, чтобы сталь имела вышеописанный состав компонентов согласно настоящему изобретению. Затем из расплавленной стали формируют слиток (сляб) при непрерывном литье или отливают слиток с прокаткой на блюминге. Сляб подвергают горячей прокатке с получением горячекатаного листа и, при необходимости, лист подвергают отжигу с получением горячекатаного отожженного листа. Далее горячекатаный лист подвергают обработке, например, травлению, холодной прокатке, окончательному отжигу и декапированию для получения холоднокатаного отожженного листа. Холодную прокатку можно выполнять один раз или дважды, причем с промежуточным отжигом между ними, и каждая стадия холодной прокатки, окончательный отжиг и декапирование могут повторяться. Кроме того, в некоторых случаях отжиг горячекатаного листа может быть опущен. Когда стальной лист должен иметь поверхностный блеск, после холодной прокатки или окончательного отжига может быть выполнена дрессировка. Кроме того, предпочтительно, чтобы температура нагрева сляба перед горячей прокаткой поддерживалась в диапазоне от 1000 до 1250°C, температура отжига горячекатаного листа поддерживалась в диапазоне от 900 до 1100°C и температура окончательного отжига поддерживалась в диапазоне от 900 до 1120°C.
Полученную таким образом ферритную нержавеющую сталь согласно настоящему изобретению затем подвергали необходимой обработке, например, разрезке, гибке, прессованию с целью получения различных типов деталей выхлопной системы, которые используются в высокотемпературных средах, например, выхлопных труб автомобилей и мотоциклов и выходных трактов картеров гидротрансформаторов и тепловых электростанций. Кроме того, нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению, применяемая для изготовления вышеупомянутых деталей, не ограничивается холоднокатаными отожженными листами и для изготовления деталей может использоваться как горячекатаный лист, так и горячекатаный отожженный лист и, кроме того, может использоваться лист после обработки для удаления окалины, если в этом есть необходимость. Кроме того, метод сварки для сборки вышеупомянутых деталей конкретно не ограничен и можно применять, к примеру, обычную дуговую сварку, например, сварку плавящимся электродом в среде инертного газа (MIG), сварку металлическим электродом в среде газа (MAG), или сварку вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG), контактную сварку, например, точечную сварку или шовную роликовую сварку, при этом контактную сварку можно проводить различными способами, применяя, например, высокочастотную контактную сварку, высокочастотную индукционную сварку или лазерную сварку.
Пример 1
Сталь №1-27, имеющая химический состав, представленный в таблице 1, была отлита в слитки в вакуумной плавильной печи для получения 50 кг стальных слитков. Каждый стальной слиток был разделен штамповкой на два стальных слитка. Затем один из этих двух стальных слитков нагревали до температуры 1170°C и далее подвергали горячей прокатке для получения горячекатаного листа толщиной 5 мм. Проводили отжиг горячекатаного листа при температуре 1020°C, травление, холодную прокатку при обжатии 60%, окончательный отжиг при температуре 1030°C, охлаждение со средней скоростью охлаждения 20°C/сек и декапирование для формирования холоднокатаного отожженного листа толщиной 2 мм. Далее полученный лист подвергали испытаниям на сопротивление окислению и на ударную вязкость. К тому же, для сравнения холоднокатаные отожженные листы были изготовлены, как указано выше, из стали SUS444, стали типа 429 и сталей, описанных в документе WO 2003/004714 и публикациях не прошедших экспертизу японских патентных заявок №2006-117985 и №2000-297355, химический состав которых представлен №№ 28-32 в таблице 1, и были подвергнуты тем же самым оценочным испытаниям.
Испытание при непрерывном окислении на воздухе
2
Из различных холоднокатаных отожженных листов вырезали испытываемые образцы размером 30×20 мм, и в верхней части каждого образца выполняли отверстие диаметром 4 мм. Далее переднюю поверхность и торцевую поверхность каждого образца полировали наждачной бумагой #320, образец обезжиривали и затем подвешивали в воздушной печи, нагретой до температуры 950°C, и выдерживали в течение 300 часов. После испытания определяли массу образца и вычисляли разность массы испытываемого образца до и после испытания для определения прироста массы при окислении (г/м). К тому же, испытание выполняли дважды, и для оценки сопротивления окислению при непрерывном окислении использовали среднее значение.
Испытание при циклическом окислении на воздухе
2
Из различных холоднокатаных отожженных листов вырезали испытываемые образцы размером 30×20 мм, и в верхней части каждого образца выполняли отверстие диаметром 4 мм. Далее переднюю поверхность и торцевую поверхность каждого образца полировали наждачной бумагой #320, образец обезжиривали и затем подвергали испытанию на окисление, при котором на воздухе повторяли нагрев до 950°C и охлаждение до 100°C. Скорость нагрева и скорость охлаждения составляли 5°C/сек и 1,5°C/сек, соответственно, и при температуре 100°C время выдержки составляло 1 мин и при температуре 950°C время выдержки составляло 25 мин, при этом испытание проводили на базе 600 циклов. Для оценки сопротивления окислению при циклическом испытании определяли массу образца после проведения испытания и рассчитывали разность массы до и после испытания, чтобы определить количество отслоившейся окалины (г/м). К тому же, испытание выполняли дважды, и для оценки сопротивления окислению при циклическом испытании использовали среднюю величину.
Испытание на ударную вязкость по Шарпи
Брали различные холоднокатаные отожженные листы и из каждого листа вырезали три испытываемых образцы для испытания на ударную вязкость по Шарпи, на каждом образце выполняли V-образный надрез перпендикулярно направлению прокатки, и указанные образцы подвергали испытанию на ударную вязкость по Шарпи при температуре -40°С. Измеряли отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома этих трех образцов и вычисляли среднее значение для оценки вязкости стали.
Пример 2
Оставшийся из двух стальных слитков, которые были получены при разделении 50 кг стального слитка, как указано в примере 1, нагревали до температуры 1170°C и затем подвергали горячей прокатке для получения листовой заготовки толщиной 30 мм и шириной 150 мм. Затем из листовой заготовки ковали квадратный пруток со стороной 35 мм. Пруток отжигали при температуре 1030°C и затем подвергали механической обработке, чтобы изготовить образец для испытания на термическую усталость, размеры которого приведены на фиг.1. Далее образец подвергали испытанию на термическую усталость, которое описывается ниже. Как и в примере 1, для сравнения аналогичным образом изготавливали образцы из стали SUS444, стали типа 429 и сталей, описанных в документе WO 2003/004714 и в публикациях не прошедших экспертизу японских патентных заявок №2006-117985 и №2000-297355, и проводили испытания на термическую усталость.
Испытание на термическую усталость
При испытании на термическую усталость, циклически проводили нагрев до температуры 850°C и охлаждение до температуры 100°C, при степени заневоливания 0,35, и определяли долговечность при термической усталости. При этом испытании как скорость нагрева, так и скорость охлаждения составляли 10°C/сек, и при температуре 100°C время выдержки составляло 2 мин и при температуре 850°C время выдержки составляло 5 мин. К тому же, долговечность при испытании на термическую усталость определялась как наименьшее количество циклов до достижения напряжения (рассчитанного при делении нагрузки, измеренной при температуре 100°C, на поперечное сечение нагреваемого параллельного участка испытываемого образца), которое начинает непрерывно уменьшаться по отношению к напряжению предыдущего цикла.
Результаты испытания при непрерывном окислении на воздухе, испытания при циклическом окислении на воздухе и испытания на ударную вязкость по Шарпи согласно примеру 1 и результаты испытания на термическую усталость согласно примеру 2 представлены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что все стали, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, обладают сопротивлением окислению и сопротивлением термической усталости, которые эквивалентны или превышают указанные характеристики стали SUS444 и обладают вязкостью, эквивалентной или превышающей вязкость стали типа 429, и поэтому соответствуют цели настоящего изобретения. С другой стороны, любая из сталей в сравнительных примерах, которые находятся вне объема настоящего изобретения, и стали в примерах, изготовленные по известной технологии, описанной в ссылках уровня техники, не являются одновременно превосходными по всем показателям, а именно сопротивлению окислению, сопротивлению термической усталости и вязкости материала основы, и, таким образом, не обладают свойствами, которые соответствуют цели настоящего изобретения.
Сталь согласно настоящему изобретению может, соответственно, применяться не только для изготовления деталей выхлопной системы, например, автомобилей, но также и для изготовления деталей вытяжной системы тепловых энергосистем и деталей топливных батарей твердоокисных топливных элементов, где требуются подобные свойства.
Таблица 1-1
Сталь №
Химический состав (мас.%)
Примечание
C
Si
Mn
Al
P
S
Cr
Cu
Nb
Ti
Mo
W
N
Другие
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
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
3
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
4
0,008
0,28
0,11
0,44
0,032
0,001
17,4
1,92
0,49
0,001
0,03
0,02
0,005
-
Пример
5
0,005
0,07
0,42
0,84
0,022
0,002
16,3
1,32
0,41
0,003
0,01
0,04
0,006
-
Пример
6
0,003
0,38
0,28
0,61
0,029
0,004
17,8
1?55
0?37
0,004
0?02
0,03
0,007
-
Пример
7
0,006
0,22
0,44
0,47
0,022
0,002
18,2
1,91
0,46
0,007
0,02
0,02
0,007
-
Пример
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
9
0,008
0,39
0,18
0,35
0,026
0,002
17,9
1,42
0,44
0,001
0,03
0,01
0,004
Co/0,13 В/0,0011
Пример
10
0,004
0,27
0,26
0,55
0,031
0,002
17,7
1,39
0,43
0,003
0,02
0,03
0,006
Zr/0,08
Пример
11
0,006
0,29
0,39
0,31
0,027
0,005
18,9
1,46
0,46
0,002
0,04
0,02
0,003
Ni/0,21Zr/0,10
Пример
12
0,008
0,17
0,08
0,41
0,021
0,002
17,4
1,38
0,41
0,003
0,02
0,03
0,004
Co/0,09 РЗМ/0,031
Пример
13
0,006
0,31
0,35
0,14
0,030
0,002
17,1
1,46
0,44
0,006
0,01
0,02
0,009
-
Сравнительный пример
14
0,008
0,23
<u>0,66</u>
<u>1,62</u>
0,028
0,004
17,7
1,61
0,49
0,004
0,05
0,01
0,008
-
Сравнительный пример
15
0,006
0,32
<u>0,55</u>
<u>0,69</u>
0,028
0,003
17,4
<u>0,87</u>
0,51
0,004
0,02
0,01
0,009
-
Сравнительный пример
16
0,011
<u>0,82</u>
0,41
0,72
0,020
0,002
17,1
1,21
0,44
0,009
0,04
0,02
0,004
-
Сравнительный пример
17
0,007
0,34
0,15
<u>1,19</u>
0,029
0,003
17,4
1,58
0,42
<u>0,095</u>
0,03
0,02
0,005
-
Сравнительный пример
18
0,005
0,21
0,37
<u>1,24</u>
0,031
0,002
17,3
1,45
0,44
0,002
0,02
0,04
0,007
-
Сравнительный пример
Таблица 1-2
Сталь №
Химический состав (мас.%)
Примечание
C
Si
Mn
Al
P
S
Cr
Cu
Nb
Ti
Mo
W
N
Другие
19
0,007
<u>0,71</u>
0,11
0,38
0,027
0,001
17,5
1,28
0,48
0,007
0,04
0,02
0,006
-
Сравнительный пример
20
0,008
0,14
<u>0,71</u>
0,47
0,031
0,003
17,1
1,66
0,39
0,003
0,01
0,02
0,007
-
Сравнительный пример
21
0,006
0,33
0,22
0,57
0,025
0,001
18,1
<u>0,72</u>
0,41
0,002
0,05
0,02
0,005
-
Сравнительный пример
22
0,005
0,29
0,28
0,44
0,030
0,002
17,9
1,54
0,44
<u>0,11</u>
0,03
0,03
0,008
-
Сравнительный пример
23
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
24
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
25
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
26
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
27
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
28
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
-
сталь SUS444
29
0,007
0,87
0,33
0,028
0,029
0,004
14,5
0,03
0,45
0,007
0,03
0,02
0,008
-
сталь типа 429
30
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
Ссылочный пример 1
31
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
Ссылочный пример 2
32
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
Ссылочный пример 3
Примечание: Ссылочный пример 1: сталь №3 согласно документу WO 2003/004714
Ссылочный пример 2: сталь №7 согласно публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2006-117985
Ссылочный пример 3: сталь №5 согласно публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2000-297355
Таблица 2
Сталь №
Жаростойкость
Долговечность при термической усталости (циклы)
Отношение поверхности хрупкого излома к общей поверхности излома при -40°C (%)
Примечание
Увеличение массы при окислении (г/м<sup>2</sup>)
Количество отслоившейся окалины (г/м<sup>3</sup>)
1
21
3
1230
<5
Пример
2
20
2
1330
<5
Пример
3
21
2
1300
<5
Пример
4
21
2
1500
<5
Пример
5
17
<0,1
1230
<5
Пример
6
20
1
1320
<5
Пример
7
21
2
1510
<5
Пример
8
21
2
1260
<5
Пример
9
22
3
1280
<5
Пример
10
20
1
1250
<5
Пример
11
22
3
1290
<5
Пример
12
21
2
1250
<5
Пример
13
<u>80</u>
<u>10</u>
1290
<5
Сравнительный пример
14
11
<0,1
1400
50
Сравнительный пример
15
14
1
<u>820</u>
<5
Сравнительный пример
16
18
<u>5</u>
1210
<5
Сравнительный пример
17
15
<0,1
1350
<u>15</u>
Сравнительный пример
18
15
<0,1
1300
<u>15</u>
Сравнительный пример
19
21
<u>10</u>
1210
<5
Сравнительный пример
20
21
2
1380
15
Сравнительный пример
21
20
1
700
<5
Сравнительный пример
22
21
2
1320
<u>20</u>
Сравнительный пример
23
15
1
1200
<5
Пример
24
15
1
1230
<5
Пример
25
14
0,9
1210
<5
Пример
26
15
1
1240
<5
Пример
27
15
1
1210
<5
Пример
28
27
4
1120
<u>10</u>
сталь SUS444
29
<u>51</u>
25
<u>500</u>
<5
сталь типа 429
30
>100
>100
1480
<5
Ссылочный пример 1
31
>100
>100
1240
<10
Ссылочный пример 2
32
>100
>100
1400
<10
Ссылочный пример 3
Примечание: Ссылочный пример 1: сталь №3 согласно документу WO 2003/004714
Ссылочный пример 2: сталь №7 согласно публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки № 2006-117985
Ссылочный пример 3: сталь №5 согласно публикации не прошедшей экспертизу японской патентной заявки №2000-297355