用於氫技術的對氫造成的脆化具有高抵抗性的成本降低的鋼的製作方法

2023-10-11 12:13:29 1

用於氫技術的對氫造成的脆化具有高抵抗性的成本降低的鋼的製作方法
【專利摘要】用於氫技術的奧氏體鋼，所述奧氏體鋼具有以下組成：0.01–0.4質量％的碳，≤5質量％的矽，0.3–30質量％的錳，10.5–30質量％的鉻，4–12.5質量％的鎳，≤3質量％的鉬，≤0.2質量％的氮，≤5質量％的鋁，≤5質量％的銅，≤5質量％的鎢，≤0.1質量％的硼，≤3質量％的鈷，≤0.5質量％的鉭，≤2質量％的至少一種以下元素：鈮、鈦、釩、鉿和鋯，≤0.3質量％的至少一種以下元素：釔、鈧、鑭、鈰和釹，剩餘為鐵和由熔煉造成的鋼伴生元素。
【專利說明】用於氫技術的對氫造成的脆化具有高抵抗性的成本降低的 鋼
[0001] 本發明涉及奧氏體耐腐蝕鋼，所述奧氏體耐腐蝕鋼在整個溫度區域（-253-至少 +KKTC )中，特別是在-KKTC和室溫（+25°C )之間對氫造成的脆化具有高抵抗性。所提出 的鋼適合於所有與氫接觸的金屬構件，例如氫氣罐、閥、管道、接頭、軸套、內襯、彈簧、換熱 器或風箱。
[0002] 在較長時間內在氫氣氛下經受到械應力的鋼經受氫脆化。具有高的鎳含量的奧氏 體不鏽鋼（例如材料1.4435, X2CrNiMol8-14-3)是一個例外。在該奧氏體鋼的情況下，至 少12. 5質量％的鎳含量被認為是必要的，用以在-253-至少+KKTC的整個溫度範圍內和 0. 1至IOOMPa的壓力範圍內實現足夠的對氫脆化的抵抗性。然而鎳（以及鑰）是非常昂貴 的合金元素，使得特別是為了例如機動車領域中的罐組件的批量生產缺少廉價的耐氫鋼。
[0003] 因此，本發明的目的在於，提供廉價的鋼，所述鋼在整個溫度範圍內，特別是在室 溫和-KKTC之間的最大氫脆化範圍內抵抗氫引發的脆化，具有耐腐蝕性並且可以良好地熱 成形和冷成形以及焊接。
[0004] 根據本發明，使用具有以下組成的奧氏體鋼實現本發明的目的：
[0005] 0? 01-0. 4質量％，特別是至少0? 05質量％的碳，
[0006] 彡5質量％，特別是0.5-3. 5質量％的矽，
[0007] 0? 3-30質量％，優選4-20質量％，特別是6-15質量％的錳，
[0008] 10. 5-30質量％，優選10. 5-22質量％，特別最高20質量％的鉻，
[0009] 4-12. 5質量％，優選5-10質量％，特別最高9質量％的鎳，
[0010] < 3質量％，特別是最高2. 5質量％的鑰，
[0011] < 〇? 2質量％，特別是< 0? 08質量％的氮，
[0012] 彡5質量％，優選彡1.0質量％，特別是最多0.5質量％的鋁，
[0013] < 5質量％，特別是最小1質量％的銅，
[0014] < 4質量％，優選最高3質量％，特別是0. 5至2. 5質量％的鎢，
[0015] 彡0? 1質量％，優選最多0? 05質量％的硼，
[0016] < 3質量％，特別是< 2. 0質量％的鈷，
[0017] 彡0? 5質量％，特別是彡0? 3質量％的鉭，
[0018] < 2. 0質量％，優選< 1. 5質量％的至少一種以下元素：鈮、鈦、釩、鉿和鋯，
[0019] < 0. 3質量％，優選0. 01-0. 2質量％的至少一種以下元素：紀、鈧、鑭、鋪和釹，
[0020] 剩餘為鐵和由熔煉造成的鋼伴生元素。
[0021] 根據本發明的鋼可以在添加或不添加鑰的情況下製得。在添加鑰的情況下，鋼的 鑰含量可以為例如0.5至3質量％。鋼還可以在不添加鋁的情況下製得。即，鋼可以包含 至多0.3質量％的鋁作為由熔煉造成的鋼伴生元素。同樣的情況也適用於氮。鋼中也可以 僅包含鑰作為鋼伴生元素。
[0022] 由熔煉造成的鋼伴生元素包括其它常見由生產造成的元素（例如硫和磷）以及其 它非針對性地用於合金的元素。在此優選地，磷含量< 〇. 05質量％,硫含量< 0. 4質量％, 特別是< 0. 04質量％。所有其它由熔煉造成的鋼伴生元素的含量為每種元素最多0. 3質 量％。
[0023] 在微合金元素中，特別相關的是（a)釔、鈧、鑭和（b)鋯和鉿。
[0024] 根據本發明的合金可以具有0.01至0. 2,特別是至多0. 10質量％的釔含量，其中 釔可以完全或部分地被元素鈧、鑭或鈰的一者替代。鉿含量和鋯含量分別為優選〇. 01至 〇. 2,特別是至多0. 10質量％，其中鉿或鋯可以完全或部分地被0. 01至0. 2,特別是至多 0. 10質量％的鈦替代。
[0025] 通過將鎳含量降低至4至12. 5,特別是最高9質量％以及低的鑰含量或完全沒有 鑰含量，根據本發明的合金的成本可以降低。
[0026] 儘管鎳含量的降低和低的鑰含量或完全沒有鑰含量（即不添加鑰），根據本發明 的鋼在氫氣氛中在-253至至少+KKTC的整個溫度範圍和0. 1至IOOMPa的壓力範圍內仍然 具有極好的機械性能。
[0027] 例如，鋼在溶液退火狀態（AT)下在_50°C的測試溫度和40MPa的氫氣壓力下在伸 長速率為5x 10-5 1/s的拉伸試驗中具有至少90%的"面積相對減小"(RAA)或相對斷面收 縮率（=在空氣或氦氣中的斷面收縮率Z/在氫氣中的斷面收縮率Z X 100%)。相應的相 對抗拉強度R_Rm、相對屈服極限R_Rp 0. 2和相對斷裂伸長R_A5同樣為至少90%。此外， 鋼的300至400MPa的高屈服極限具有重要意義。
[0028] 根據本發明的鋼可以溶液退火（AT)。其也可以冷成形，特別是冷拉或冷軋地使用。
[0029] 鋼具有極好的可焊接性和良好的耐腐蝕性。
[0030] 根據本發明的鋼在_253°C至至少+KKTC的整個溫度範圍和0. 1至IOOMPa的壓力 範圍內具有對氫脆化的高抵抗性。
[0031] 因此，根據本發明的鋼是用於氫技術的廉價的耐氫材料。即，鋼可以用於用來生 產、儲存、分配和使用氫的系統的裝置和構件，特別是當裝置或構件與氫接觸時。其特別適 用於管道、調節設備、閥和其它截斷設備、容器、接頭、軸套和內襯、換熱器、壓力傳感器等， 包括這些部件的設備，例如彈簧和風箱。
[0032] 本發明特別涉及用於機動車中的氫技術的鋼。在此，為了儲存氫，可以使用由根據 本發明的鋼製得的（高）壓容器、低溫（高）壓容器或液氫容器。
[0033] 此外所述鋼還適合於機動車技術以外的需要出色的奧氏體穩定性（特別是在冷 成形之後）的應用。
[0034] 具有以下組成（以質量％表示）的以下根據本發明的鋼具有穩定的奧氏體結構：
[0035] 1 號鋼：
[0036] 0.01-0.12% 的 C
[0037] 0.05-0.5%的 Si
[0038] 9-13 % 的 Mn
[0039] 16-20 % 的 Cr
[0040] 6-9 % 的 Ni
[0041] 1-4 % 的 Cu
[0042] 0.01-0.5%的 Al
[0043] 0-0.04%的 B
[0044] 剩餘為鐵和由烙煉造成的鋼伴生元素
[0045] 2 號鋼：
[0046] 0.10-0.20%的 C
[0047] 0.5-3. 5%的 Si
[0048] 8-12 % 的 Mn
[0049] 11-15 % 的 Cr
[0050] 6-9 % 的 Ni
[0051] 1-4 % 的 Cu
[0052] 0.5-2. 5%的 W
[0053] 0.01-0.5%的 Al
[0054] 剩餘為鐵和由熔煉造成的鋼伴生元素
[0055] 在此，鋼的S -鐵素體含量小於5體積％，優選甚至不存在S -鐵素體。在溶液退 火狀態（AT)下，在-50°C和40MPa的氫氣氛下以伸長速率為5x 10-5 1/s的拉伸測試中，1 號鋼的屈服極限RpO. 2為200至300MPa，2號鋼的屈服極限RpO. 2為300至400MPa。兩種 鋼的相對斷面收縮率（=在氦氣中的斷面收縮率Z/在氫氣中的斷面收縮率Zx 100% )均 大於85%。
[0056] 由於最多9質量％的相對低的鎳含量和不具有鑰，因此兩種鋼均非常廉價。
[0057] 如在1號鋼的情況下表明，根據本發明的鋼也可以不含鎢。
[0058] 因此，根據本發明的具有穩定的奧氏體結構的鋼是用於氫技術的廉價的耐氫材 料。
[0059] 根據本發明的鋼的以下實施例用於進一步解釋本發明。
[0060]
【權利要求】
1. 用於氫技術的奧氏體鋼，所述奧氏體鋼具有以下組成： 0.01 -0.4質量％的碳， < 5質量％的矽， 0.3-30質量％的錳， 10. 5-30質量％的鉻， 4- 12. 5質量％的鎳， < 2質量％的鑰， < 0. 2質量％的氮， < 5質量％的鋁， < 5質量％的銅， < 4質量％的鶴， < 0. 1質量％的硼， < 5質量％的鈷， 彡0.5質量％的鉭， < 2質量％的至少一種以下元素：鈮、鈦、釩、鉿和鋯， < 0. 3質量％的至少一種以下元素：釔、鈧、鑭、鈰和釹， 剩餘為鐵和由烙煉造成的鋼伴生元素。
2. 根據權利要求1所述的鋼，其特徵在於，鎳含量為最高9質量％。
3. 根據權利要求1或2所述的鋼，其特徵在於，鋁含量為最多0. 5質量％。
4. 根據前述權利要求之一所述的鋼，其特徵在於，鑰含量為< 0.40質量％。
5. 根據前述權利要求之一所述的鋼，其特徵在於，錳含量為4-20質量％。
6. 根據前述權利要求之一所述的合金，其特徵在於，其包含1. 0-4. 0質量％的銅。
7. 根據前述權利要求之一所述的合金，其特徵在於，其包含至多3. 5質量％的鎢。
8. 根據前述權利要求之一所述的合金，其特徵在於，其包含至多0. 04質量％的硼。
9. 根據前述權利要求之一所述的鋼，其特徵在於，其包含0.01 -0.2質量％的釔，其中 釔可以完全或部分被〇. 01至〇. 2質量％的鈧和/或鑭和/或鈰替代。
10. 根據前述權利要求之一所述的鋼，其特徵在於，其包含〇. 01 - 〇. 2質量％的鉿和/ 或鋯，其中鉿或鋯可以完全或部分被〇. 01 - 〇. 2質量％的鈦替代。
11. 根據前述權利要求之一所述的鋼，其特徵在於，其包含至多〇. 3質量％的鉭。
12. 根據前述權利要求之一所述的合金，其特徵在於，其包含至多3. 0質量％的鈷。
13. 根據前述權利要求之一所述的鋼在機動車中的氫技術中的用途。
【文檔編號】C22C38/04GK104302790SQ201380025169
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年5月15日 優先權日:2012年5月16日
【發明者】W·萊斯特納, T·米切爾, W·舍森, M·S·馬丁, S·韋伯, S·雷德納, J·瑙曼 申請人:寶馬股份公司