ДУПЛЕКСНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОЙ СТАЛИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК C22C38/44 C21D6/00 

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к дуплексной нержавеющей стали. В частности, настоящее изобретение относится к дуплексной нержавеющей стали, которая может представлять собой экономичную альтернативу некоторым известным сортам дуплексной нержавеющей стали, одновременно обеспечивая улучшенную коррозионную стойкость по сравнению с определенными сортами аустенитной нержавеющей стали, такими как аустенитная нержавеющая сталь сортов 304, 316 и 317 по классификации AISI (Американский институт черной металлургии). Настоящее изобретение также относится к способу получения дуплексной нержавеющей стали по изобретению. Дуплексная нержавеющая сталь находит применение, например, в коррозионных средах и может быть изготовлена в виде промышленных изделий, таких как, например, лента, пруток, плита, лист, отливка, трубопровод или труба.

Уровень техники

Сорта дуплексной нержавеющей стали представляют собой сплавы, имеющие микроструктуру, состоящую из смеси аустенитной и ферритной фаз. В целом, они проявляют определенные характеристики обеих фаз наряду с относительно более высокой прочностью и пластичностью. Были предложены различные сорта дуплексной нержавеющей стали, некоторые из которых описаны в патентах США №№3650709, 4340432, 4798635, 4828630, 5238508, 5298093, 5624504 и 6096441.

Первые дуплексные сплавы проявляли умеренную стойкость к общей коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением (от англ. "chloride stress corrosion cracking" или «chloride SCC»), т.е. растрескиванию от коррозии под действием хлорида при механическом напряжении, однако испытывали существенную потерю свойств при использовании в состоянии после сварки. В настоящее время один из наиболее широко используемых сортов дуплексной нержавеющей стали второго поколения доступен под товарным знаком AL 2205 (UNS S31803 и/или S32205) от Allegheny Ludlum Corporation, Питсбург, Пенсильвания, США. Дуплексная нержавеющая сталь представляет собой номинальный сплав, содержащий 22% хрома, 5,5% никеля, 3% молибдена и 0,16% азота, и обеспечивает коррозионную стойкость во многих средах, превышающую стойкость аустенитной нержавеющей стали сортов 304, 316 и 317 по AISI (если не указано иначе, все процентные величины в данном описании представляют собой массовые проценты от общей массы сплава). Сплав AL 2205, представляющий собой дуплексную нержавеющую сталь с увеличенным содержанием азота, который придает металлургические преимущества с точки зрения улучшения коррозионных характеристик и свойств в состоянии после сварки, также имеет предел текучести, более чем вдвое превышающий предел текучести известных сортов аустенитной нержавеющей стали. Такую дуплексную нержавеющую сталь зачастую используют в виде сварного трубопровода или трубчатых деталей, а также в виде формованного и сваренного листового проката в тех средах, где важна стойкость к общей коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением. Повышенная прочность дает возможность уменьшить толщину стенок труб и снизить повреждения при транспортировке.

Как указано выше, сплав AL 2205 широко используется конечными потребителями труб и трубопроводов, особенно в качестве дешевой замены нержавеющей стали сорта 316 при опасности SSC-растрескивания. Это в основном происходит благодаря тому, что сплав AL 2205 более стоек к щелевой коррозии, чем сорта 316 и 317 аустенитной нержавеющей стали. Такая высокая стойкость к щелевой коррозии под действием хлорид-ионов проиллюстрирована в представленной ниже таблице 1, показывающей результаты испытаний с помощью методики G48B ASTM (Американское общество по испытанию материалов) с применением 10%-ного раствора хлорида железа (III). Указанный 10%-ый раствор хлорида железа (III) приведен в расчете на гексагидрат и эквивалентен приблизительно 6%-му по массе раствору безводного хлорида железа(III).

Таблица 1Данные по щелевой коррозии под воздействием 10%-го хлорида железа(III)СплавТемпература начала щелевой коррозииСорт 316 27°F (-3°C)Сорт 317 35°F (2°C)AL 2205 68°F (20°C)

Однако в некоторых видах применения высокая коррозионная стойкость (и другие свойства) сплава AL 2205 могут оказаться выше требуемых свойств. В некоторых видах применения при опасности коррозионного растрескивания, несмотря на то, что сплав AL 2205 обеспечивает приемлемое техническое решение, он может оказаться неэкономичным сплавом при замене стали сорта 304, 316 или 317. Более высокая стоимость сплава AL 2205 вызвана прежде всего содержанием таких легирующих элементов, как никель (номинально 5,5%) и молибден (номинально 3%). Таким образом, желательно получение свариваемой, формуемой дуплексной нержавеющей стали, имеющей более высокую коррозионную стойкость, чем сорта 304, 316 или 317 аустенитной нержавеющей стали, и более низкую себестоимость производства, чем обычно применяемая дуплексная нержавеющая сталь AL 2205.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к дуплексной нержавеющей стали, содержащей до 0,06% углерода; от 15 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 3,75% марганца; от 0,14 до 0,35% азота; до 2% кремния; от более 1,4 до менее 2,5% молибдена; до менее 0,5% меди; до менее 0,2% кобальта; до 0,05% фосфора; до 0,005% серы; от 0,001 до 0,0035% бора; а также железо и случайные примеси. Такая дуплексная нержавеющая сталь представляет собой свариваемую, формуемую сталь, имеющую более высокую коррозионную стойкость, чем сорта 304, 316 или 317 аустенитной нержавеющей стали.

В соответствии с одним из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, дуплексная нержавеющая сталь может содержать до 0,03% углерода; от 19,5 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 2% марганца; от 0,14 до 0,20% азота; до 1% кремния; от 1,5 до 2,0% молибдена; до 0,4% меди; до 0,03% фосфора; 0,001% серы; и от 0,0015 до 0,0030% бора; а также железо и случайные примеси.

Дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с настоящим изобретением может также состоять по существу из до 0,03% углерода; от 19,5 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 2% марганца; от 0,14 до 0,20% азота; до 1% кремния; от 1,5 до 2,0% молибдена; до 0,4% меди; до 0,03% фосфора; 0,001% серы; и от 0,0015 до 0,0030% бора; а также железа и случайных примесей.

Настоящее изобретение также относится к промышленным изделиям, таким как, например, ленты, прутки, плиты, листы, отливки, трубы или трубопроводы, изготовленным из дуплексной нержавеющей стали в соответствии с данным изобретением или включающим в себя такую сталь. Изделия, изготовленные из сортов дуплексной нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением, могут оказаться особенно предпочтительными при использовании в хлоридсодержащих средах.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения дуплексной нержавеющей стали. Согласно способу в соответствии с данным изобретением получают дуплексную нержавеющую сталь, содержащую до 0,06% углерода; от 15 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 3,75% марганца; от 0,14 до 0,35% азота; до 2% кремния; от более 1,4 до менее 2,5% молибдена; до менее 0,5% меди; до менее 0,2% кобальта; до 0,05% фосфора; до 0,005% серы; от 0,001 до 0,0035% бора; а также железо и случайные примеси. Данную сталь термически обрабатывают (отжигают) на твердый раствор и охлаждают. Затем сталь может быть подвергнута дальнейшей обработке до промышленного изделия, либо ей может быть придана любая другая желательная форма.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к дуплексной нержавеющей стали, содержащей до 0,06% углерода; от 15 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 3,75% марганца; от 0,14 до 0,35% азота; до 2% кремния; от более 1,4 до менее 2,5% молибдена; до менее 0,5% меди; до менее 0,2% кобальта; до 0,05% фосфора; до 0,005% серы; от 0,001 до 0,0035% бора; а также железо и случайные примеси. Указанная дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит каждую из аустенитной и ферритной фаз в количестве от 20 до 80 об.% в отожженном состоянии. Дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с данным изобретением представляет собой свариваемый, формуемый материал, имеющий более высокую коррозионную стойкость, чем сорта 304, 316 или 317 аустенитной нержавеющей стали.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения дуплексная нержавеющая сталь может содержать до 0,03% углерода; от 19,5 до менее 21% хрома, предпочтительнее от 15 до 20,5%; от более 3 до 3,5% никеля; до 2% марганца; от 0,14 до 0,20% азота; до 1% кремния; от 1,5 до 2,0% молибдена; до 0,4% меди; менее 0,2% кобальта; до 0,03% фосфора; и от 0,0015 до 0,0030% бора; а также железо и случайные примеси. Указанные интервалы особенно хорошо подходят для использования стали в виде труб, которым необходимы как формуемость, так и прочность, при сохранении требуемых уровней коррозионной стойкости. Дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя различные другие легирующие добавки и присадки, известные в данной области техники. Таким образом, получение дуплексной нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением может оказаться менее дорогостоящим, чем в случае обычно используемой дуплексной нержавеющей стали AL 2205, благодаря более низкому содержанию легирующих добавок, особенно никеля и молибдена. Тем не менее, дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает наличие устойчивой аустенитной фазы (по отношению к образуемому в результате деформации мартенситу) и желаемый уровень коррозионной стойкости. В нижеследующей таблице приведено сравнение содержания никеля и молибдена в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения со сплавом AL 2205.

Таблица 2Количество элементов Ni и Мо (в мас.%)СплавВарианты дуплексного сплава в соответствии с настоящим изобретениемAL 2205NiОт более 3,0 до менее 4,05,5% номинальноМоОт 1,5 до 2,03% номинально

Несмотря на более низкий уровень содержания никеля и молибдена по сравнению со сплавом AL 2205, оцененные варианты дуплексной нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением имеют точечную/щелевую коррозионную стойкость, которая существенно выше указанной стойкости у сортов 304, 316 и 317 аустенитной нержавеющей стали. Как известно в данной области техники, сорта 316 и 317 нержавеющей стали более стойки к точечной/щелевой коррозии, чем сорт 304 нержавеющей стали.

В качестве примера настоящего изобретения авторы данного изобретения получили плавку дуплексной нержавеющей стали, содержащей 0,018% углерода, 0,46% марганца, 0,022% фосфора, 0,0034% серы, 0,45% кремния, 20,18% хрома, 3,24% никеля, 1,84% молибдена, 0,21% меди, 0,166% азота и 0,0016% бора (далее обозначена как «Пример 1»). Как проиллюстрировано ниже, данный вариант дуплексной нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением проявляет существенно большую стойкость к точечной (питтинговой) коррозии, чем сорта 316 и 317 аустенитной нержавеющей стали, в то же время имея, благодаря пониженному содержанию никеля и молибдена, более низкую себестоимость производства по сравнению с AL 2205 (табл.3).

Таблица 3Стойкость к точечной коррозииСплавКритическая температура точечной коррозии («СРТ»)Сорт 316 нержавеющей стали59°F (15,0°C)Сорт 317 нержавеющей стали66°F (18,9°C)Пример 188,3°F (31,3°C)

Критическая температура точечной (питтинговой) коррозии (от англ. «Critical Pitting Temperature», СРТ) сортов 316 и 317 аустенитной нержавеющей стали была получена на основе методики G-48A ASTM. В соответствии с данной методикой образец материала погружают в химический стакан, содержащий 6%-ый раствор хлорида железа (III) на 72 часа при желаемой температуре, а затем исследуют на признаки точечной коррозии. Повторяя данное испытание при повышающихся температурах, можно определить температуру, при которой начинается точечная коррозия. СРТ в примере 1 определяли по методике G150 ASTM. В соответствии с данной методикой ту же самую величину, т.е. СРТ, определенную по методике G-48A ASTM, определяют путем помещения образца материала в электрохимическую ячейку, содержащую 1-молярный раствор хлорида натрия (приблизительно 5,8 мас.%), и поляризации до потенциала +700 мВ относительно стандартного каломельного электрода (от англ. SCE). Температуру раствора повышают со скоростью 1°С в минуту, контролируя коррозионный ток. При определенной температуре величина тока резко повышается и превышает порог, составляющий 100 микроампер на квадратный сантиметр. Такую температуру регистрируют как СРТ-температуру. Затем точечную коррозию на образце подтверждают визуально.

Кроме того, авторы в рамках настоящего изобретения также разработали другую дуплексную нержавеющую сталь, содержащую, мас.%: 0,021% углерода, 0,50% марганца, 0,022% фосфора, 0,0014% серы, 0,44% кремния, 20,25% хрома, 3,27% никеля, 1,80% молибдена, 0,21% меди, 0,167% азота и 0,0016% бора (далее обозначена как «Пример 2»), получили ее и определили различные механические свойства данной стали. Результаты представлены ниже в табл.4. Как и ожидалось, механические свойства стали из примера 2 превышают минимальные требования спецификации А240 ASTM для сплава AL 2205. Более того, несмотря на то, что предел текучести и предел прочности на растяжение в примере 2 оказались ниже, чем у сплава AL 2205, все же они являются сравнимыми. Однако важно, что указанные величины существенно превышают минимальные требования к прочности согласно спецификации А240 ASTM для сортов 304, 316 и 317 аустенитной нержавеющей стали.

Таблица 4Механические свойстваСтандарт или сплавУсловный предел текучести при остаточной деформации 0,2%Предел прочности на растяжениеУдлиненияМинимальные требования к нержавеющей стали сорта 304 по А240 ASTM300007500040,0Минимальные требования к нержавеющей стали сорта 316 по А240 ASTM300007500040,0Минимальные требования к нержавеющей стали сорта 317 по А240 ASTM300007500035,0Минимальные требования к дуплексной нержавеющей стали сорта AL 2205 по А240 ASTM650009000025Нержавеющая сталь AL 22058500012500030Пример 28350011400037

Таким образом, дуплексная нержавеющая сталь в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить более дешевую альтернативу по отношению к сплаву AL 2205. Как показано в примерах 1 и 2 данного изобретения, варианты дуплексной нержавеющей стали по изобретению имеют механические свойства, сравнимые со сплавом AL 2205, наряду с существенно более высокой стойкостью к точечной/щелевой коррозии по сравнению с сортами 316 и 317 нержавеющей стали.

Настоящее изобретение также относится к промышленным изделиям, таким как, например, ленты, прутки, плиты, листы, отливки, трубы или трубопроводы, состоящие из дуплексной нержавеющей стали в соответствии с данным изобретением или включающие в себя такую сталь. В соответствии с указанными вариантами осуществления настоящего изобретения такое промышленное изделие состоит из или включает в себя дуплексную нержавеющую сталь, содержащую, мас.%: до 0,06% углерода; от 15 до 22,5% хрома; от более от 3 до менее 4% никеля; до 3,75% марганца; от 0,14 до 0,35% азота; до 2% кремния; от более 1,4 до менее 2,5% молибдена; до менее 0,5% меди; до менее 0,2% кобальта; до 0,05% фосфора; до 0,005% серы; и от 0,001 до 0,0035% бора; а также железо и случайные примеси. Изделия, изготавливаемые из дуплексной нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением, могут оказаться особенно предпочтительными при использовании в хлоридсодержащих средах.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения дуплексной нержавеющей стали. Согласно способу в соответствии с данным изобретением, получают дуплексную нержавеющую сталь, содержащую до 0,06% углерода; от 15 до 22,5% хрома; от более 3 до менее 4% никеля; до 3,75% марганца; от 0,14 до 0,35% азота; до 2% кремния; от более 1,4 до менее 2,5% молибдена; до менее 0,5% меди; до менее 0,2% кобальта; до 0,05% фосфора; до 0,005% серы; и от 0,001 до 0,0035% бора; а также железо и случайные примеси. В соответствии с данным способом, после получения сталь отжигают на твердый раствор, а затем охлаждают. С применением технологий, известных рядовым специалистам в данной области, сталь может быть подвергнута дополнительной обработке с получением промышленного изделия, например такого, как упомянутые выше, либо ей может быть придана любая другая желательная форма.

Подразумевается, что настоящее описание иллюстрирует аспекты данного изобретения, способствующие его полному пониманию. Определенные аспекты изобретения, очевидные для рядовых специалистов в данной области техники и, вследствие этого, не способствующие более полному пониманию данного изобретения, не были представлены с целью упрощения настоящего описания. Несмотря на то, что данное изобретение описано в связи лишь с некоторыми его вариантами, рядовым специалистам в данной области техники будет понятно после изучения настоящего описания, что возможны многие конкретные варианты осуществления, модификации и изменения данного изобретения. Все подобные варианты и модификации данного изобретения входят в объем настоящего описания и формулы изобретения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к дуплексным нержавеющим сталям, которые могут быть использованы в изделиях, работающих в коррозионных средах. Заявлены дуплексная нержавеющая сталь, способ ее получения и промышленное изделие, выполненное из этой стали. Сталь содержит, мас.%: до 0,06 углерода; от 15 до менее 22,5 хрома; от более от 3 до менее 4 никеля; до 3,75 марганца; от 0,14 до 0,35 азота; до 2 кремния; от более 1,4 до менее 2,5 молибдена; до менее 0,5 меди; до менее 0,2 кобальта; до 0,05 фосфора; до 0,005 серы, от 0,001 до 0,0035 бора, при этом остальное составляют железо и случайные примеси. Промышленным изделием может быть лента, пруток, плита, лист, отливка, труба или трубопровод. Технический результат - повышение коррозионной стойкости, в том числе стойкости при сохранении прочностных свойств. 5 н. и 36 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Дуплексная нержавеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, марганец, азот, кремний, молибден, медь, фосфор, серу, бор, железо и случайные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

УглеродДо 0,06Хром15-22,5НикельОт более 3 до менее 4МарганецДо 3,75Азот0,14-0,35КремнийДо 2МолибденОт более 1,4 до менее 2,5МедьДо менее 0,5КобальтДо менее 0,2ФосфорДо 0,05СераДо 0,005Бор0,001-0,0035Железо и случайные примесиОстальное

УглеродДо 0,06Хром15-22,5НикельОт более 3 до менее 4МарганецДо 3,75Азот0,14-0,35КремнийДо 2МолибденОт более 1,4 до менее 2,5МедьДо менее 0,5КобальтДо менее 0,2ФосфорДо 0,05СераДо 0,005Бор0,001-0,0035Железо и случайные примесиОстальное

УглеродДо 0,03ХромОт 15 до менее 21НикельОт более 3 до менее 4МарганецДо 2Азот0,14-0,20КремнийДо 1Молибден1,5-2,0МедьДо 0,4КобальтМенее 0,2ФосфорДо 0,03Бор0,001-0,0035Железо и случайные примесиОстальное