專利名稱：含有穩(wěn)定元素的低鎳奧氏體不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及奧氏體不銹鋼。具體地，本發(fā)明涉及成本效益好的穩(wěn)定的奧氏體不銹 鋼組合物，其具有低含量的鎳和鉬，相比于高鎳合金具有改進(jìn)的高溫特性和至少相當(dāng)?shù)哪?腐蝕性和可成形性。
背景技術(shù)：
的描述奧氏體不銹鋼具有高期望的性質(zhì)的組合，其使得它們可用于廣泛的工業(yè)應(yīng)用。這 些鋼具有基本組成的鐵，并通過添加奧氏體促進(jìn)元素和穩(wěn)定元素如鎳、錳和氮而平衡，從而 可以在添加鐵素體促進(jìn)元素如鉻和鉬(其增強(qiáng)了耐腐蝕性)的同時在室溫保持奧氏體結(jié) 構(gòu)。奧氏體結(jié)構(gòu)使鋼具有高度可取的機(jī)械特性，特別是韌性、延展性和可成形性。奧氏體不銹鋼的一個具體實例為AISI Type 316不銹鋼(UNS S31600)，其為含 16-18%鉻、10-14%鎳和2-3%鉬的合金。該合金中合金成分的范圍為保持在規(guī)定的范圍以 保持穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，鎳、錳、銅和氮含量，例如，影響奧氏體結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，鎳和鉬的成本升高已造成需要代替S31600的成本效益好的替代品，該 替代品仍具有高耐腐蝕性和良好的可成形性。另一合金替代品為Grade 216 (UNS S21600)，其描述于美國專利號3，171，738中。 S21600 包含 17. 5-22%鉻、5-7%鎳、7. 5-9%錳和 2-3%鉬。盡管 S21600 為 S31600 的低含 量鎳、高含量錳的變體，但S21600的強(qiáng)度和耐腐蝕性比S31600高得多。然而，作為二相合 金，S21600的可成形性不像S31600那樣好。而且，因為S21600含有與S31600相同量的鉬， 所以并沒有節(jié)省鉬的成本。還存在主要在高溫下使用的S31600的變體。該合金名稱為Type 316Ti(UNS S31635)。S31600和S31635的重要差異為存在少量的鈦以平衡鋼中存在碳和氮的 量。所得的鋼，S31635，更不易于有害地形成高溫下的碳化鉻以及焊接期間的稱為敏化 (sensitization)的現(xiàn)象。這種添加也可以由于初生和次生碳化物形成的增強(qiáng)作用而增強(qiáng) 高溫特性。S31635中的鈦的具體范圍根據(jù)下列方程給出[5x(% C+% N)] ^ Ti ^ 0. 70%但是S31635使用了昂貴的原料。其它合金的實例包括多種不銹鋼，其中鎳被錳代替以保持奧氏體結(jié)構(gòu)，如實踐中 的Type 201鋼(UNS S20100)和類似的級別。但是，需要能夠制備具有與S31635類似的改 善的高溫特性和與S31600相似的耐腐蝕性和可成形性的組合的合金，其同時包含較少量 的鎳和鉬以使得成本效益好。尤其是，需要該合金不像二相合金那樣，而是具有與標(biāo)準(zhǔn)奧氏
4體不銹鋼相當(dāng)?shù)臏囟葢?yīng)用范圍，例如從深冷溫度至最多1300° F。因此，本發(fā)明提供一種目前市場上沒有的方案(solution)，其為可成形的穩(wěn)定的 奧氏體不銹鋼合金組合物，該組合物具有與S31600和S31635相當(dāng)?shù)哪透g性特性和改進(jìn) 的高溫特性，同時節(jié)省了原料成本。因此，本發(fā)明為穩(wěn)定的奧氏體合金，其使用控制水平的 碳化物形成元素以改進(jìn)高溫特性。該奧氏體合金以這樣一種方式使用元素MruCu和N的組 合替代M和Mo，從而制備具有與高鎳鉬合金類似的特性但具有明顯較低的原料成本的合 金。任選地，元素W和Co可獨立或組合地使用以分別代替元素Mo和Ni。發(fā)明概述本發(fā)明為奧氏體不銹鋼，其使用碳化物形成元素和較廉價的元素，如錳、銅和氮作 為更昂貴的元素鎳和鉬的替代物。結(jié)果為成本較低的合金，其與更昂貴的合金(如S31600 和S31635)相比具有改進(jìn)的高溫特性和至少相當(dāng)?shù)哪透g性和可成形性。該合金是輕型標(biāo) 準(zhǔn)(light gauge)，并且具有清晰的顯微組織(clean microstructure)與相當(dāng)精細(xì)的顆粒 用于可成形性。本發(fā)明的一個實施方案為奧氏體不銹鋼，其包含，以重量％計，至多0.20C，
2.0-9. OMn,至多 2. OSi，16. 0-23. OCr, 1. 0-7. ONi，至多 3. OMo,至多 3. OCu, 0. 05-0. 35N, (7. 5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5，至多 4. 0W，至多 0. 01B，至多 1. OCo，鐵和雜質(zhì)。該 奧氏體不銹鋼的某些非限制性實施方式包含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <5.0。該奧氏體不 銹鋼的某些實施方式可包含鈷，使得1.0 < (Ni+Co) <8.0。該奧氏體不銹鋼的某些實施方 式可以包含至少0. 的鈮，或可以包含濃度為至少(7.5(%C))的鈮。本發(fā)明的另一實施方案是這樣的奧氏體不銹鋼，其包含，以重量％計，至多 0. 10C,2. 0-8. OMn,至多 1. 00Si，16. 0-22. OCr，1. 0-7. ONi，0. 40-2. 0Mo，至多 1· 00Cu， 0. 08-0. 30N, (7. 5( % C)) ^ (Nb+Ti+V+Ta+Zr) ( 1. 5,0. 05-0. 60W,至多 1. OCo,至多 0.040P，至多0.030S，和至多0.008B，鐵和雜質(zhì)。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包 含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <2.3。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包含鈷，使得 1.0 ^ (Ni+Co) <8.0。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包含至少0. 的鈮，或可以 包括濃度為至少(7. C))的鈮。在本發(fā)明的一個備選實施方式中，奧氏體不銹鋼包含，以重量％計，至多0.08C，
3.5-6. 5Mn,至多 1. 00Si，17. 0-21. OCr，0. 5_2· 0Mo，4. 0-6. 5Ni，0. 08-0. 30N，(7. 5 ( % C)) ( (Nb+Ti+V+Ta+Zr) ( 1. 0，至多 1. OCu，至多 0. 050P，至多 0. 03S，鐵和雜質(zhì)。該奧氏體 不銹鋼的某些實施方式可以包含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <4.0。該奧氏體不銹鋼的某些 實施方式可以包含鈷，使得4.0 < (Ni+Co) <7.5。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包 含至少0. 的鈮，或可以包括濃度為至少(7. C))的鈮。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有的PREw值大于約22，鐵素體數(shù)小于約10，且MD3tl值小 于約20 0C ο制備該不銹鋼的一種方法為在電弧爐中熔化，在AOD中精煉，鑄造為錠(ingot) 或連鑄扁錠(slab)，再加熱該錠或扁錠且將其熱軋以制備板材或卷材，冷軋卷材至規(guī)定厚 度，并退火且酸浸該材料。也可以使用其它制備本發(fā)明材料的方法，包括在真空或特殊的 氣氛下熔化和/或再熔，鑄造成形，或制備壓實為扁錠或型鋼的粉末。根據(jù)本發(fā)明的合金可在多種應(yīng)用中使用。根據(jù)一個實例，本發(fā)明的合金可包含在適用于低溫或深冷環(huán)境使用的制品中?？蓮谋景l(fā)明合金制備的或包含本發(fā)明合金的制 品的其它非限制性實例為汽車或其他應(yīng)用的撓性連接器(flexible connector)、波紋管 (bellows)、撓性管、煙囪內(nèi)襯和煙道襯塊(flue liner)。發(fā)明詳述在本說明書和權(quán)利要求中，除了在操作實施例中或另有所述外，所有表示成分和 產(chǎn)物、加工條件等的量或特征的數(shù)值應(yīng)理解為在所有情況下被術(shù)語“約”修飾。因此，除非另 有相反描述，在以下說明書和所附權(quán)利要求所述的任何數(shù)字參數(shù)為近似值，其可根據(jù)人們 在根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)物和方法中需要獲得的所需特性而改變。至少，且不是為了嘗試將等價 物的使用限制為權(quán)利要求的范圍，各數(shù)字參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)報告的有效位數(shù)和通過運(yùn)用普通 的舍入技術(shù)而解釋。本發(fā)明的奧氏體不銹鋼將在以下詳述。在以下說明中，“ ％ ”表示“重 量％ ”，除非另有所述。本發(fā)明涉及奧氏體不銹鋼。特別是，本發(fā)明涉及穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼組合物，其具 有與S31635等至少相當(dāng)?shù)哪透g性和可成形性以及改進(jìn)的高溫特性。該奧氏體不銹鋼組 合物可包含，以重量％計,至多 0. 20C，2. 0-9. OMn，至多 2. OSi, 16. 0-23. OCr, 1. 0-7. ONi，至 多 3. 0Mo，至多 3. 0Cu，0. 05-0. 35N，(7. 5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5，至多 4. 0W，至 多0.01B，至多l(xiāng).OCo，鐵和雜質(zhì)。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包含至少0. 的 鈮，或可以包含濃度為至少(7.5(%C))的鈮。在一個備選實施方式中，奧氏體不銹鋼組合物可以包含，以重量％計，至 多 0. 20C，2. 0-9. OMn，至多 2. OSi，16. 0-23. OCr，1. 0-7. ONi，至多 3. 0Mo，至多 3. OCu， 0. 05-0. 35Ν, (7. 5( % C)) ( (Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5，至多 0· 01B，鎢，鐵和雜質(zhì)，使得 0. 5 ^ (Mo+ff/2)彡5. 0和1. 0彡(Ni+Co)彡8. 0。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包 含至少0. 的鈮，或可以包含濃度為至少(7. C))的鈮。本發(fā)明的另一實施方案是這樣的奧氏體不銹鋼，其包含，以重量％計，至多 0. 10C,2. 0-8. OMn,至多 1. 00Si，16. 0-22. OCr，1. 0-7. ONi，0. 40-2. 0Mo，至多 1· 00Cu， 0. 08-0. 30N, (7. 5( % C)) ^ (Nb+Ti+V+Ta+Zr) ( 1. 5,0. 05-0. 60W,至多 1. OCo,至多 0.040P，至多0.030S，和至多0.008B，鐵和雜質(zhì)。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包 含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <2.3。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包含鈷，使得 1.0 ^ (Ni+Co) ^ 8. 0。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包含至少0. 的鈮，或可以 包括濃度為至少(7. C))的鈮。在本發(fā)明的一個備選實施方式中，奧氏體不銹鋼包含，以重量％計，至多0.08C， 3. 5-6. 5Mn,至多 1. 00Si，17. 0-21. OCr，0. 5_2· 0Mo，4. 0-6. 5Ni，0. 08-0. 30N，(7. 5 ( % C)) ( (Nb+Ti+V+Ta+Zr) ( 1. 0，至多 1. OCu，至多 0. 050P，至多 0. 03S，鐵和雜質(zhì)。該奧氏體 不銹鋼的某些實施方式可以包含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <4.0。該奧氏體不銹鋼的某些 實施方式可以包含鈷，使得4.0 < (Ni+Co) <7.5。該奧氏體不銹鋼的某些實施方式可以包 含至少0. 的鈮，或可以包括濃度為至少(7. C))的鈮。C:至多 0.20%C用于穩(wěn)定奧氏體相且抑制變形誘導(dǎo)的馬氏體轉(zhuǎn)化。然而C也增加形成碳化鉻 的可能性，尤其在焊接過程中，其降低耐腐蝕性和韌性。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有 至多0.20% C。在本發(fā)明一個實施方案中，C含量可為0. 10%或更少?；蛘?，C含量可為
60. 08%或更少，或可為0. 03%或更少。Si:至多 2.0%具有大于的2% Si促進(jìn)脆化相(embrittling phase)如σ的形成，且降低氮在合 金中的溶解性。Si還穩(wěn)定鐵素體相，大于2% Si需要添加奧氏體穩(wěn)定劑以保持奧氏體相。 因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有至多2.0% Si。在本發(fā)明的一個實施方案中，Si含量可 為1.0%或更少。Si幫助最小化某些合金元素與鈮的反應(yīng)性，并協(xié)助合金中的相平衡。在 一些實施方案中，添加的Si的作用通過將Si含量調(diào)節(jié)為0. 5-1. 0%而平衡。Mn: 2.0-9.0%Mn穩(wěn)定奧氏體相且通常增加氮(有益的合金元素)的溶解性。為充分得到這些效 果，需要Mn含量不小于2.0%。錳和氮都為更貴的元素鎳的有效替代物。然而，具有大于 9. 0%的Mn在某些環(huán)境降低材料的可加工性和其耐腐蝕性。而且，因為難以對具有高含量 Μη(如大于9. 0% )的不銹鋼脫碳，所以高含量的Mn明顯增加制備該材料的加工成本。因 此，為了合適地平衡本發(fā)明奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性、相平衡、延展性和其他機(jī)械性能，將 Mn含量設(shè)定為2. 0-9. 0%。在一個實施方案中，Mn含量可為2. 0-8. 0%，或可為3. 5-6. 5%0Ni: 1.0-7.0%關(guān)于鐵素體和馬氏體形成需要至少的Ni以穩(wěn)定奧氏體相。Ni還用于增強(qiáng)韌 性和可成形性。然而，由于鎳相對高的成本，期望保持鎳含量盡可能低。盡管Mn和N可以 部分地替代Ni，但是高水平的Mn和N將會導(dǎo)致不可接受程度的加工硬化、可成形性降低。 因此，該合金必須含有最小濃度的Ni以提供可接受的可成形性。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)除了其它限 定范圍的元素外可使用1.0-7.0%范圍的M以獲得具有與高鎳合金一樣好或更好的耐腐 蝕性和可成形性的合金。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有1.0-7.0% Ni。在一個實施方 案中，Ni含量可為4. 0-6. 5% οCr 16. 0-23. 0%添加Cr以通過在合金表面形成鈍化膜而向不銹鋼賦予耐腐蝕性。Cr還用于穩(wěn)定 關(guān)于馬氏體轉(zhuǎn)化的奧氏體相。需要至少16% Cr以提供足夠的耐腐蝕性。另一方面，因為 Cr為強(qiáng)力的鐵素體穩(wěn)定劑，超過23%的Cr含量需要添加更昂貴的合金元素，如鎳或鈷，以 保持鐵素體含量可接受地低。具有多于23%的Cr還使得形成不希望的相(如ο)的可能 性更大。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有16.0-23.0% Cr。在一個實施方案中，Cr含量 可為 16. 0-22. 0%，或可為 17. 0-21. 0%。N 0. 05-0. 35%N包含在本發(fā)明合金中作為奧氏體穩(wěn)定元素Ni和耐腐蝕性增強(qiáng)元素Mo的部分替 代。N還改進(jìn)了合金強(qiáng)度。需要至少0.05% N以為了強(qiáng)度和耐腐蝕性和穩(wěn)定奧氏體相。添 加多于0. 35% N會超過熔化和焊接過程中N的溶解度，其因氮氣氣泡而導(dǎo)致多孔性。即使 沒有超過溶解限度，大于0. 35 %的N含量增加氮化物顆粒沉淀的傾向，其降低耐腐蝕性和 韌性。本發(fā)明者已經(jīng)確定至多0. 35%的N含量與合金中的Nb水平是相容的，并不形成問題 濃度的碳氮化鈮析出物。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼具有0.05-0. 35% N。在一個實施方 案中，N含量可為0. 08-0. 30%。Mo:至多 3.0%本發(fā)明者想要限制合金的Mo含量同時保持可接受的性質(zhì)。Mo可有效地穩(wěn)定形成在不銹鋼表面的鈍化氧化物膜并防止氯化物作用產(chǎn)生的點腐蝕。為獲得這些效果，本發(fā)明 中Mo可添加至多3. 0%的量。由于其成本，Mo含量可為0. 5-2. 0%，其與適當(dāng)量的鉻和氮 一起足以提供所需的耐腐蝕性。超過3. 0%的Mo含量通過將固化鐵素體的含量增加至潛在 有害的水平而引起熱加工性的惡化。高M(jìn)o含量還增加形成有害的金屬間相(如ο相)的 可能。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼組合物具有至多3.0% Mo。在一個實施方案中，Mo含 量可為約0. 40-2. 0 %，或可為0. 50-2. 0 %。Co:至多 1.0%Co用作鎳的替代物以穩(wěn)定奧氏體相。添加鈷也增加材料的強(qiáng)度。鈷的上限優(yōu)選為 1. 0%。B:至多 0.01%可添加低至0. 0005%的B以改善不銹鋼的熱加工性和表面質(zhì)量。然而，添加多于 0. 01%會降低合金的耐腐蝕性和可加工性。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼組合物具有至多 0.01% B。在一個實施方案中，B含量可為至多0.008%，或可為至多0.005%。Cu:至多 3.0%Cu為奧氏體穩(wěn)定劑且可用于代替該合金中的部分鎳。其還在還原環(huán)境中改善耐腐 蝕性和通過降低堆垛層錯能(stacking fault energy)改善可成形性。然而，已顯示添加 多于3%的Cu降低奧氏體不銹鋼的熱加工性。因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼組合物具有至 多3.0% Cu。在一個實施方案中，Cu含量可為至多1.0%。W:至多 4.0%W在改善對氯化物點腐蝕和縫隙腐蝕的抵抗方面提供與鉬類似的作用。W當(dāng)代替 鉬時也可降低σ相形成的傾向。然而，添加多于4%會降低合金的熱加工性。因此，本發(fā)明 的奧氏體不銹鋼組合物具有至多4. 0% W。在一個實施方案中，W含量可為0. 05-0. 60%。0. 5 彡(Mo+ff/2)彡 5. 0鉬和鎢都可穩(wěn)定形成在不銹鋼表面的鈍化氧化物膜和防止氯化物作用引起的點 腐蝕。因為W在增加耐腐蝕性方面效果(按重量)大約是Mo的一半，需要(Mo+W/2)的組 合>0.5%以提供所需的耐腐蝕性。然而，具有太多的Mo增加形成金屬間相的可能，且太多 的W降低材料的熱加工性。因此，(Mo+W/2)的組合優(yōu)選小于5%。在一個實施方式中，可以 存在鉬和鎢，使得 0. 5 ^ (Mo+ff/2) ^ 2. 3,或者使得 0. 5 ^ (Mo+ff/2) ^ 4. O01.0^ (Ni+Co) ^ 8. 0鎳和鈷都用來穩(wěn)定關(guān)于鐵素體形成的奧氏體相。需要至少的(Ni+Co)以在鐵 素體穩(wěn)定元素如Cr和Mo的存在下穩(wěn)定奧氏體相，必須添加該鐵素體穩(wěn)定元素如鉻和鉬以 保證適當(dāng)?shù)哪透g性。然而，Ni和Co都是昂貴的元素，因此期望保持(Ni+Co)含量小于 8%。在一個實施方式中，(Ni+Co)的含量可以大于4.0%，但是小于7.5%。(7. 5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5Nb與碳反應(yīng)，并與更低程度的氮反應(yīng)，形成了小顆粒形式的碳化物和碳氮化 物。這些顆粒有效地防止在高溫操作期間和在焊接期間形成有害的碳化鉻，這改進(jìn)了 室溫耐腐蝕性。這些顆粒，當(dāng)使用有效的熱處理制備時，還能夠改進(jìn)高溫強(qiáng)度和抗蠕變 性。最小添加量(7.5X % C)向每個溶解在金屬中的C原子提供一個Nb原子。較高 水平的Nb會消耗有利的N，因此期望保持Nb含量小于1. 5 %?？梢约尤肫渌纬煞€(wěn)定
8碳化物的元素，包括但不限于Ti、V、Ta和&，來代替鈮。但是，這些代替物與N的反 應(yīng)比Nb更強(qiáng)烈，因此控制以提供有利的作用，例如改進(jìn)的可焊接性。本發(fā)明者已經(jīng)確 定，Nb、Ti、V、Ta和&的重量百分比的總和應(yīng)當(dāng)保持在(7.5(%C))至多1.5%的范 圍。換句話說，(7.5(%C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡1.5%。在某些實施方式中，(7.5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡1.0%。在某些優(yōu)選的實施方式中，該合金含有至少0. 1 % Nb， 并且Nb、Ti、V、Ta和Zr的重量百分比的總和在(7. 5(% C))至多1. 5%或1. 0%的范圍內(nèi)。 在某些實施方式中，Ti、V、Ta和&僅作為偶存雜質(zhì)存在，或者保持在實際上盡可能低的程 度。在某些實施方式中，為了優(yōu)化合金的室溫耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和可焊接性，該 合金的某些實施方式含有的Nb含量為至少(7. C))，Ti、V、Ta和&僅作為偶存雜質(zhì)存 在。本發(fā)明者已經(jīng)確定至多1. 5%的Nb含量與合金的0. 05-0. 35%的N含量是相容的，因 為該組合沒有導(dǎo)致不可接受地降低抗蠕變性的碳氮化鈮析出物水平。本發(fā)明的穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼的余量包括鐵和不可避免的雜質(zhì)，如磷和硫。優(yōu)選 將不可避免的雜質(zhì)保持為最低可實現(xiàn)和符合經(jīng)濟(jì)利益的水平，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。形成非常穩(wěn)定的氮化物的元素，如Al，應(yīng)當(dāng)保持在低水平上。本發(fā)明的穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼也可通過定量表達(dá)它們具有的特性的方程而限定， 所述特性包括例如抗點蝕當(dāng)量數(shù)(pitting resistance equivalencenumber)、鐵素體數(shù) (ferrite number)禾口 MD30^U度?？裹c蝕當(dāng)量數(shù)(PREn)提供在含氯化物環(huán)境中合金預(yù)期的抗點腐蝕性的相對等級。 PREn越高，合金預(yù)期的耐腐蝕性越好。PREn可通過下式計算PREn = % Cr+3. 3(% Mo)+16(% N)或者，可將1. 65(% W)的因子添加至上式以考慮在合金中存在的鎢。鎢改善不銹 鋼的抗點蝕性且效果按重量為約鉬的一半。當(dāng)鎢包含在計算中時，抗點蝕當(dāng)量數(shù)被指定為 PREw，其通過下式計算PREff = % Cr+3. 3(% Mo)+l. 65(% ff)+16(% N)鎢在本發(fā)明的合金中與鉬的作用類似。因此，鎢可以作為鉬的替代物添加以提供 增加的抗點蝕性。根據(jù)該方程，對于去除的每百分比的鉬應(yīng)添加兩倍的重量百分比的鎢以 保持相同的抗點蝕性。本發(fā)明的合金具有的PREw值大于22，優(yōu)選高達(dá)30。本發(fā)明的合金還可通過其鐵素體數(shù)限定。正的鐵素體數(shù)通常與鐵素體的存在相關(guān) 聯(lián)，鐵素體的存在改善合金的固化特性且有助于抑制熱加工和焊接操作中合金的熱裂。在 初始固化的顯微組織中需要少量的鐵素體以保持良好的鑄造性和防止焊接中的熱裂。另一 方面，太多的鐵素體會在使用中導(dǎo)致問題，包括但不限于，顯微組織不穩(wěn)定性，有限的延展 性，且削弱的高溫機(jī)械特性。該鐵素體數(shù)可使用以下方程計算FN = 3. 34(Cr+1. 5Si+Mo+2Ti+0. 5Cb)_2· 46(Ni+30N+30C+0. 5Μη+0. 5Cu)-28. 6本發(fā)明合金具有的鐵素體數(shù)為至多10，優(yōu)選為正數(shù)，更優(yōu)選約3至5。合金的MD3tl溫度定義為以下溫度，在該溫度30 %的冷變形將導(dǎo)致50 %的奧氏體轉(zhuǎn) 化為馬氏體。MD3tl溫度越低，該材料對馬氏體轉(zhuǎn)化越具有抗性。對馬氏體形成的抗性導(dǎo)致 加工硬化速率降低，其使得可成形性好，尤其在拉伸應(yīng)用中。MD3tl根據(jù)以下方程計算MD30 (°C ) = 413-462 (C+N) -9. 2 (Si) -8. 1 (Mn)-13. 7 (Cr) -9. 5 (Ni)-17. 1 (Cu)-18. 5 (Mo)
本發(fā)明合金具有的MD3tl溫度小于20°C，優(yōu)選小于約-10°C。 實施例表1包括本發(fā)明合金1-5和對比合金S31600、S31635、S21600和S20100的組成和
計算參數(shù)值。將本發(fā)明合金1-5在實驗室規(guī)模的真空爐中熔化且倒入50-lb錠中。將這些錠再 加熱且熱軋以制備約0.250"厚的材料。將該材料退火、鼓風(fēng)和浸酸。該該材料的一些冷軋 成0. 100"厚，且剩余的冷軋成0.050或0.040"厚。將該冷軋的材料退火和酸浸。對比合 金S31600、S31635、S21600和S20100為可商購的，且這些合金所示的數(shù)據(jù)從公開的文獻(xiàn)獲 取或從最近為商業(yè)規(guī)模制備的材料的測試得到。各合金的PREw計算值示于表1中。使用上述討論的方程，預(yù)期PREw大于24.0的 合金將比對比合金S31635材料具有更好的抗氯化物點腐蝕性，而具有較低PREw的那些將 更易于發(fā)生點腐蝕。也已計算表1中各合金的鐵素體數(shù)。本發(fā)明合金1-5的各鐵素體數(shù)在小于10的 優(yōu)選范圍內(nèi)。也計算了表1中合金的MD3tl值。根據(jù)該計算，本發(fā)明的合金1-5，特別是本發(fā)明合 金4和5，顯示與對比合金S31600和S31635具有類似的對馬氏體形成的抗性。表 1 表1還顯示原料成本指數(shù)(RMCI)，其將各合金的材料成本與對比合金S31635進(jìn)行 了比較。該RMCI通過以下計算，將原料Fe，Cr，Mn，Ni，Mo，W和Co于2007年10月的平均 成本乘以包含在合金中的各元素的百分比，并除以在對比合金S31635中原料的成本。如計 算值所示，本發(fā)明合金1-5具有的RMCI小于0. 65，其意味著包含在其中的原料成本小于對 比合金S31635成本的65%?？梢灾苽渚哂信c對比合金S31635相似的性質(zhì)且原料成本顯著 較低的材料，這是出人意料的且不能從現(xiàn)有技術(shù)預(yù)期。已經(jīng)測量本發(fā)明合金1-5的機(jī)械性能并且與商購的對比合金S31600、S31635、 S21600和S20100進(jìn)行比較。測量的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、經(jīng)2-英寸量規(guī)長度(gage length) 的百分比伸長率和Olsen杯(cup)高度示于表1中。該拉伸試驗對0. 100"量規(guī)材料進(jìn)行， 該Charpy測試對0. 197"厚的樣品進(jìn)行，且該Olsen杯測試對0. 040-至0. 050-英寸厚的 材料進(jìn)行。所有測試在室溫進(jìn)行。表1中數(shù)據(jù)的單位如下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，ksi ；伸 長率，百分比；Olsen杯高度，英寸。從數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的合金，特別是本發(fā)明合金4 和5，顯示與商購的S31635材料具有相當(dāng)?shù)男再|(zhì)。但是本發(fā)明合金含有比對比合金S31635 中少于一半濃度的鎳和顯著少的鉬。顯著低濃度的昂貴合金元素鎳和鉬，使得本發(fā)明合金 4和5的RMCI值比對比合金S31635少至少40%。盡管它們顯著減少了鎳和鉬的水平，但 是本發(fā)明合金4和5具有奧氏體顯微組織，并顯示出比對比合金S31635顯著更好的屈服和 抗拉強(qiáng)度。這些新的合金的潛在應(yīng)用是眾多的。如以上描述和證明，本文所述的奧氏體不銹 鋼組合物能在許多應(yīng)用中替代S31600和特別是S31635。此外，由于鎳和鉬的成本高，將 S31600和S31635替換為本發(fā)明的合金組合物將顯著地節(jié)省成本。另一益處為，因為這些合 金是完全奧氏體的，它們不會易于在零下的溫度經(jīng)歷急劇的延展性-脆性轉(zhuǎn)變(DBT)或在 升高溫度下的885° F脆變。因此，不像二相合金，它們可在高于650° F的溫度使用且為 低溫和深冷應(yīng)用的最佳候選材料。預(yù)期本文所述的合金的耐腐蝕性、可成形性和加工性將 非常接近標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼。對于本發(fā)明合金會特別有優(yōu)勢的具體制品包括，例如汽車排 氣和其他應(yīng)用的撓性連接器、波紋管、撓性管和煙 /煙道內(nèi)襯。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易 地使用常規(guī)地制造技術(shù)從本發(fā)明合金制造這些和其他制品。盡管上述說明書已經(jīng)必要地提供有限數(shù)量的實施方案，本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員將理 解可對本文描述和解釋的裝置和方法以及實施例的其它細(xì)節(jié)進(jìn)行各種變化，且所有這些改 變將保持在本文所述的發(fā)明和所附權(quán)利要求的原則和范圍內(nèi)。因此，應(yīng)理解本發(fā)明不限于 本文公開或包含的具體實施方案，而是預(yù)期涵蓋權(quán)利要求限定的本發(fā)明的原則和范圍內(nèi)的
11變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)了解可對實施方案進(jìn)行改變而不偏離其廣泛的發(fā)明構(gòu)思。
權(quán)利要求
奧氏體不銹鋼，其含有，以重量％計，至多0.20C，2.0 9.0Mn，至多2.0Si，16.0 23.0Cr，1.0 7.0Ni，至多3.0Mo，至多3.0Cu，0.05 0.35N，至多4.0W，(7.5(％C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5，至多0.01B，至多1.0Co，鐵和雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中 0. 5 ≤(Mo+ff/2)≤ 5. 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中0.5 ≤(Mo+ff/2)≤ 4. 0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中1.0 ≤(Ni+Co)≤ 8. 0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中 4. 0 ≤(Ni+Co)≤ 7. 5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的PREw值大于22。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中 (7. 5(% C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤ 1. 0。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有至少0.INb。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其中 (7. 5(% C))≤ Nb ≤ 1. 5。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的PREw值大于22至多30。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的鐵素體數(shù)小于10。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的鐵素體數(shù)大于0至多10。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的鐵素體數(shù)為3 5。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的MD3tl值小于約20°C。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，具有的MD3tl值小于-10°C。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有至多0.IOC0
17.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有0.5-1. OSi。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有2.0-8. OMn。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有3.5-6. 5Mn。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有4.0-6. 5Ni。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有17.0-21. OCr。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有0.4-2. ΟΜο。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，含有0.5-2. ΟΜο。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其含有，以重量％計，至多0.10C,2. 0-8. OMn, 至多 1. OOSi，16. 0-22. OCr, 1. 0-7. ONi, 0. 402. OMo,至多 1. OOCu, 0. 08-0. 30N, (7. 5 ( % C)) ( (Nb+Ti+V+Ta+Zr) < 1. 5，0. 05-0. 60W，至多 1. 0Co，至多 0. 040P，至多 0. 030S，至多 0. 008B，鐵和偶存雜質(zhì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的奧氏體不銹鋼，其中0.5 ≤(Mo+ff/2)≤ 2. 3。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的奧氏體不銹鋼，其中1.0 ≤(Ni+Co)≤8. 0。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的奧氏體不銹鋼，含有至少0.INb。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的奧氏體不銹鋼，其中(7. 5(% C))≤ Nb ≤ 1. 5。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的奧氏體不銹鋼，其含有，以重量％計，至多0.08C, 3.5-6. 5Mn,至多 1.00Si，17.0-21.0Cr，0.5_2· ΟΜο，4.0-6. 5Ni，0. 08-0. 30N，(7. 5 ( % C)) ( (Nb+Ti+V+Ta+Zr) ( 1.0，至多 1. OCu，至多 0. 050P，至多 0. 030S，鐵和偶存雜質(zhì)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的奧氏體不銹鋼，其中0. 5 彡(Mo+ff/2)彡 4. 0。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的奧氏體不銹鋼，其中4. 0 彡(Ni+Co)彡 7. 5。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的奧氏體不銹鋼，含有至少0.INb。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的奧氏體不銹鋼，其中(7. 5(% C))彡 Nb 彡 1. 5。
34.包括奧氏體不銹鋼的制品，所述奧氏體不銹鋼含有，以重量％計，至多0.20C， 2. 0-9. OMn,至多 2. OSi，16. 0-23. OCr, 1. 0-7. ONi，至多 3. OMo,至多 3. OCu,0. 05-0. 35N,至 多 4.0W，(7. 5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5，至多 0· 01B，至多 l.OCo，鐵和雜質(zhì)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的制品，其中所述奧氏體不銹鋼含有至少0.INb。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的制品，其中所述奧氏體不銹鋼含有的Nb在(7.5(% C))彡Nb彡1.5的范圍內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的制品，其中所述制品適用于低溫和深冷環(huán)境中的至少一種。
38.根據(jù)權(quán)利要求34的制品，其中所述制品選自撓性連接器、波紋管、撓性管、煙囪內(nèi) 襯和煙道襯塊。
全文摘要
奧氏體不銹鋼組合物，其含有較低的鎳和鉬含量，并顯示出與某些鎳鉬含量較高的合金相當(dāng)?shù)哪透g性、耐高溫形變性和可成形性。該奧氏體不銹鋼的一些實施方式含有，以重量％計，至多0.20C，2.0-9.0Mn，至多2.0Si，16.0-23.0Cr，1.0-7.0Ni，至多3.0Mo，至多3.0Cu，0.05-0.35N，至多4.0W，(7.5(％C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5，至多0.01B，至多1.0Co，鐵和雜質(zhì)。此外，該奧氏體不銹鋼的一些實施方式可以含有0.5≤(Mo+W/2)≤5.0和/或1.0≤(Ni+Co)≤8.0。
文檔編號C22C38/58GK101903551SQ200880121553
公開日2010年12月1日 申請日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者戴維·S·伯格斯特羅姆, 查爾斯·P·斯廷納, 約翰·F·格拉布, 約翰·J·鄧恩, 詹姆斯·M·拉科斯基 申請人:Ati資產(chǎn)公司