含有穩定元素的低鎳奧氏體不鏽鋼的製作方法

2023-07-27 14:21:46 1

專利名稱：含有穩定元素的低鎳奧氏體不鏽鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及奧氏體不鏽鋼。具體地，本發明涉及成本效益好的穩定的奧氏體不鏽 鋼組合物，其具有低含量的鎳和鉬，相比於高鎳合金具有改進的高溫特性和至少相當的耐 腐蝕性和可成形性。
背景技術：
的描述奧氏體不鏽鋼具有高期望的性質的組合，其使得它們可用於廣泛的工業應用。這 些鋼具有基本組成的鐵，並通過添加奧氏體促進元素和穩定元素如鎳、錳和氮而平衡，從而 可以在添加鐵素體促進元素如鉻和鉬(其增強了耐腐蝕性)的同時在室溫保持奧氏體結 構。奧氏體結構使鋼具有高度可取的機械特性，特別是韌性、延展性和可成形性。奧氏體不鏽鋼的一個具體實例為AISI Type 316不鏽鋼(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範圍為保持在規定的範圍以 保持穩定的奧氏體結構。本領域技術人員應理解，鎳、錳、銅和氮含量，例如，影響奧氏體結 構的穩定性。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)，其描述於美國專利號3，171，738中。 S21600 包含 17. 5-22%鉻、5-7%鎳、7. 5-9%錳和 2-3%鉬。儘管 S21600 為 S31600 的低含 量鎳、高含量錳的變體，但S21600的強度和耐腐蝕性比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， 所以並沒有節省鉬的成本。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，更不易於有害地形成高溫下的碳化鉻以及焊接期間的稱為敏化 (sensitization)的現象。這種添加也可以由於初生和次生碳化物形成的增強作用而增強 高溫特性。S31635中的鈦的具體範圍根據下列方程給出[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鏽鋼，其中鎳被錳代替以保持奧氏體結構，如實踐中 的Type 201鋼(UNS S20100)和類似的級別。但是，需要能夠製備具有與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，而是具有與標準奧氏
4體不鏽鋼相當的溫度應用範圍，例如從深冷溫度至最多1300° F。因此，本發明提供一種目前市場上沒有的方案(solution)，其為可成形的穩定的 奧氏體不鏽鋼合金組合物，該組合物具有與S31600和S31635相當的耐腐蝕性特性和改進 的高溫特性，同時節省了原料成本。因此，本發明為穩定的奧氏體合金，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，從而製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。發明概述本發明為奧氏體不鏽鋼，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)相比具有改進的高溫特性和至少相當的耐腐蝕性和可成形性。該合金是輕型標 準(light gauge)，並且具有清晰的顯微組織(clean microstructure)與相當精細的顆粒 用於可成形性。本發明的一個實施方案為奧氏體不鏽鋼，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。該 奧氏體不鏽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 鏽鋼的某些實施方式可包含鈷，使得1.0 < (Ni+Co) <8.0。該奧氏體不鏽鋼的某些實施方 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。本發明的另一實施方案是這樣的奧氏體不鏽鋼，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。該奧氏體不鏽鋼的某些實施方式可以包 含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <2.3。該奧氏體不鏽鋼的某些實施方式可以包含鈷，使得 1.0 ^ (Ni+Co) <8.0。該奧氏體不鏽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。在本發明的一個備選實施方式中，奧氏體不鏽鋼包含，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。該奧氏體 不鏽鋼的某些實施方式可以包含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <4.0。該奧氏體不鏽鋼的某些 實施方式可以包含鈷，使得4.0 < (Ni+Co) <7.5。該奧氏體不鏽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。本發明的奧氏體不鏽鋼具有的PREw值大於約22，鐵素體數小於約10，且MD3tl值小 於約20 0C ο製備該不鏽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製備板材或卷材，冷軋卷材至規定厚 度，並退火且酸浸該材料。也可以使用其它製備本發明材料的方法，包括在真空或特殊的 氣氛下熔化和/或再熔，鑄造成形，或製備壓實為扁錠或型鋼的粉末。根據本發明的合金可在多種應用中使用。根據一個實例，本發明的合金可包含在適用於低溫或深冷環境使用的製品中。可從本發明合金製備的或包含本發明合金的制 品的其它非限制性實例為汽車或其他應用的撓性連接器(flexible connector)、波紋管 (bellows)、撓性管、煙囪內襯和煙道襯塊(flue liner)。發明詳述在本說明書和權利要求中，除了在操作實施例中或另有所述外，所有表示成分和 產物、加工條件等的量或特徵的數值應理解為在所有情況下被術語「約」修飾。因此，除非另 有相反描述，在以下說明書和所附權利要求所述的任何數字參數為近似值，其可根據人們 在根據本發明的產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 物的使用限制為權利要求的範圍，各數字參數應至少根據報告的有效位數和通過運用普通 的捨入技術而解釋。本發明的奧氏體不鏽鋼將在以下詳述。在以下說明中，「 ％ 」表示「重 量％ 」，除非另有所述。本發明涉及奧氏體不鏽鋼。特別是，本發明涉及穩定的奧氏體不鏽鋼組合物，其具 有與S31635等至少相當的耐腐蝕性和可成形性以及改進的高溫特性。該奧氏體不鏽鋼組 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.OCo，鐵和雜質。該奧氏體不鏽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，奧氏體不鏽鋼組合物可以包含，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，使得 0. 5 ^ (Mo+ff/2)彡5. 0和1. 0彡(Ni+Co)彡8. 0。該奧氏體不鏽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。本發明的另一實施方案是這樣的奧氏體不鏽鋼，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。該奧氏體不鏽鋼的某些實施方式可以包 含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <2.3。該奧氏體不鏽鋼的某些實施方式可以包含鈷，使得 1.0 ^ (Ni+Co) ^ 8. 0。該奧氏體不鏽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。在本發明的一個備選實施方式中，奧氏體不鏽鋼包含，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。該奧氏體 不鏽鋼的某些實施方式可以包含鎢，使得0.5 < (Mo+ff/2) <4.0。該奧氏體不鏽鋼的某些 實施方式可以包含鈷，使得4.0 < (Ni+Co) <7.5。該奧氏體不鏽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用於穩定奧氏體相且抑制變形誘導的馬氏體轉化。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，本發明的奧氏體不鏽鋼具有 至多0.20% C。在本發明一個實施方案中，C含量可為0. 10%或更少。或者，C含量可為
60. 08%或更少，或可為0. 03%或更少。Si:至多 2.0%具有大於的2% Si促進脆化相(embrittling phase)如σ的形成，且降低氮在合 金中的溶解性。Si還穩定鐵素體相，大於2% Si需要添加奧氏體穩定劑以保持奧氏體相。 因此，本發明的奧氏體不鏽鋼具有至多2.0% Si。在本發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性，並協助合金中的相平衡。在 一些實施方案中，添加的Si的作用通過將Si含量調節為0. 5-1. 0%而平衡。Mn: 2.0-9.0%Mn穩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含量不小於2.0%。錳和氮都為更貴的元素鎳的有效替代物。然而，具有大於 9. 0%的Mn在某些環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(如大於9. 0% )的不鏽鋼脫碳，所以高含量的Mn明顯增加製備該材料的加工成本。因 此，為了合適地平衡本發明奧氏體不鏽鋼的耐腐蝕性、相平衡、延展性和其他機械性能，將 Mn含量設定為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%關於鐵素體和馬氏體形成需要至少的Ni以穩定奧氏體相。Ni還用於增強韌 性和可成形性。然而，由於鎳相對高的成本，期望保持鎳含量儘可能低。儘管Mn和N可以 部分地替代Ni，但是高水平的Mn和N將會導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。本發明者發現除了其它限 定範圍的元素外可使用1.0-7.0%範圍的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，本發明的奧氏體不鏽鋼具有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鏽鋼賦予耐腐蝕性。Cr還用於穩定 關於馬氏體轉化的奧氏體相。需要至少16% Cr以提供足夠的耐腐蝕性。另一方面，因為 Cr為強力的鐵素體穩定劑，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。具有多於23%的Cr還使得形成不希望的相(如ο)的可能 性更大。因此，本發明的奧氏體不鏽鋼具有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包含在本發明合金中作為奧氏體穩定元素Ni和耐腐蝕性增強元素Mo的部分替 代。N還改進了合金強度。需要至少0.05% N以為了強度和耐腐蝕性和穩定奧氏體相。添 加多於0. 35% N會超過熔化和焊接過程中N的溶解度，其因氮氣氣泡而導致多孔性。即使 沒有超過溶解限度，大於0. 35 %的N含量增加氮化物顆粒沉澱的傾向，其降低耐腐蝕性和 韌性。本發明者已經確定至多0. 35%的N含量與合金中的Nb水平是相容的，並不形成問題 濃度的碳氮化鈮析出物。因此，本發明的奧氏體不鏽鋼具有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%本發明者想要限制合金的Mo含量同時保持可接受的性質。Mo可有效地穩定形成在不鏽鋼表面的鈍化氧化物膜並防止氯化物作用產生的點腐蝕。為獲得這些效果，本發明 中Mo可添加至多3. 0%的量。由於其成本，Mo含量可為0. 5-2. 0%，其與適當量的鉻和氮 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Mo含量還增加形成有害的金屬間相(如ο相)的 可能。因此，本發明的奧氏體不鏽鋼組合物具有至多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定奧氏體相。添加鈷也增加材料的強度。鈷的上限優選為 1. 0%。B:至多 0.01%可添加低至0. 0005%的B以改善不鏽鋼的熱加工性和表面質量。然而，添加多於 0. 01%會降低合金的耐腐蝕性和可加工性。因此，本發明的奧氏體不鏽鋼組合物具有至多 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為奧氏體穩定劑且可用於代替該合金中的部分鎳。其還在還原環境中改善耐腐 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 多於3%的Cu降低奧氏體不鏽鋼的熱加工性。因此，本發明的奧氏體不鏽鋼組合物具有至 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當代替 鉬時也可降低σ相形成的傾向。然而，添加多於4%會降低合金的熱加工性。因此，本發明 的奧氏體不鏽鋼組合物具有至多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鉬和鎢都可穩定形成在不鏽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)的組合優選小於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鎳和鈷都用來穩定關於鐵素體形成的奧氏體相。需要至少的(Ni+Co)以在鐵 素體穩定元素如Cr和Mo的存在下穩定奧氏體相，必須添加該鐵素體穩定元素如鉻和鉬以 保證適當的耐腐蝕性。然而，Ni和Co都是昂貴的元素，因此期望保持(Ni+Co)含量小於 8%。在一個實施方式中，(Ni+Co)的含量可以大於4.0%，但是小於7.5%。(7. 5(% C))彡(Nb+Ti+V+Ta+Zr)彡 1. 5Nb與碳反應，並與更低程度的氮反應，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，這改進了 室溫耐腐蝕性。這些顆粒，當使用有效的熱處理製備時，還能夠改進高溫強度和抗蠕變 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含量小於1. 5 %。可以加入其他形成穩定
8碳化物的元素，包括但不限於Ti、V、Ta和&，來代替鈮。但是，這些代替物與N的反 應比Nb更強烈，因此控制以提供有利的作用，例如改進的可焊接性。本發明者已經確 定，Nb、Ti、V、Ta和&的重量百分比的總和應當保持在(7.5(%C))至多1.5%的範 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%。在某些優選的實施方式中，該合金含有至少0. 1 % Nb， 並且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%的範圍內。 在某些實施方式中，Ti、V、Ta和&僅作為偶存雜質存在，或者保持在實際上儘可能低的程 度。在某些實施方式中，為了優化合金的室溫耐腐蝕性、高溫強度、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&僅作為偶存雜質存 在。本發明者已經確定至多1. 5%的Nb含量與合金的0. 05-0. 35%的N含量是相容的，因 為該組合沒有導致不可接受地降低抗蠕變性的碳氮化鈮析出物水平。本發明的穩定的奧氏體不鏽鋼的餘量包括鐵和不可避免的雜質，如磷和硫。優選 將不可避免的雜質保持為最低可實現和符合經濟利益的水平，如本領域技術人員所理解。形成非常穩定的氮化物的元素，如Al，應當保持在低水平上。本發明的穩定的奧氏體不鏽鋼也可通過定量表達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量數(pitting resistance equivalencenumber)、鐵素體數 (ferrite number)禾口 MD30^U度。抗點蝕當量數(PREn)提供在含氯化物環境中合金預期的抗點腐蝕性的相對等級。 PREn越高，合金預期的耐腐蝕性越好。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。鎢改善不鏽 鋼的抗點蝕性且效果按重量為約鉬的一半。當鎢包含在計算中時，抗點蝕當量數被指定為 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。根據該方程，對於去除的每百分比的鉬應添加兩倍的重量百分比的鎢以 保持相同的抗點蝕性。本發明的合金具有的PREw值大於22，優選高達30。本發明的合金還可通過其鐵素體數限定。正的鐵素體數通常與鐵素體的存在相關 聯，鐵素體的存在改善合金的固化特性且有助於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致問題，包括但不限於，顯微組織不穩定性，有限的延展 性，且削弱的高溫機械特性。該鐵素體數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本發明合金具有的鐵素體數為至多10，優選為正數，更優選約3至5。合金的MD3tl溫度定義為以下溫度，在該溫度30 %的冷變形將導致50 %的奧氏體轉 化為馬氏體。MD3tl溫度越低，該材料對馬氏體轉化越具有抗性。對馬氏體形成的抗性導致 加工硬化速率降低，其使得可成形性好，尤其在拉伸應用中。MD3tl根據以下方程計算MD30 (°C ) = 413-462 (C+N) -9. 2 (Si) -8. 1 (Mn)-13. 7 (Cr) -9. 5 (Ni)-17. 1 (Cu)-18. 5 (Mo)
本發明合金具有的MD3tl溫度小於20°C，優選小於約-10°C。 實施例表1包括本發明合金1-5和對比合金S31600、S31635、S21600和S20100的組成和
計算參數值。將本發明合金1-5在實驗室規模的真空爐中熔化且倒入50-lb錠中。將這些錠再 加熱且熱軋以製備約0.250"厚的材料。將該材料退火、鼓風和浸酸。該該材料的一些冷軋 成0. 100"厚，且剩餘的冷軋成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據從公開的文獻獲 取或從最近為商業規模製備的材料的測試得到。各合金的PREw計算值示於表1中。使用上述討論的方程，預期PREw大於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 更易於發生點腐蝕。也已計算表1中各合金的鐵素體數。本發明合金1-5的各鐵素體數在小於10的 優選範圍內。也計算了表1中合金的MD3tl值。根據該計算，本發明的合金1-5，特別是本發明合 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(RMCI)，其將各合金的材料成本與對比合金S31635進行 了比較。該RMCI通過以下計算，將原料Fe，Cr，Mn，Ni，Mo，W和Co於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，並除以在對比合金S31635中原料的成本。如計 算值所示，本發明合金1-5具有的RMCI小於0. 65，其意味著包含在其中的原料成本小於對 比合金S31635成本的65%。可以製備具有與對比合金S31635相似的性質且原料成本顯著 較低的材料，這是出人意料的且不能從現有技術預期。已經測量本發明合金1-5的機械性能並且與商購的對比合金S31600、S31635、 S21600和S20100進行比較。測量的屈服強度、抗拉強度、經2-英寸量規長度(gage length) 的百分比伸長率和Olsen杯(cup)高度示於表1中。該拉伸試驗對0. 100"量規材料進行， 該Charpy測試對0. 197"厚的樣品進行，且該Olsen杯測試對0. 040-至0. 050-英寸厚的 材料進行。所有測試在室溫進行。表1中數據的單位如下屈服強度和抗拉強度，ksi ；伸 長率，百分比；Olsen杯高度，英寸。從數據可以看出，本發明的合金，特別是本發明合金4 和5，顯示與商購的S31635材料具有相當的性質。但是本發明合金含有比對比合金S31635 中少於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，使得本發明合金 4和5的RMCI值比對比合金S31635少至少40%。儘管它們顯著減少了鎳和鉬的水平，但 是本發明合金4和5具有奧氏體顯微組織，並顯示出比對比合金S31635顯著更好的屈服和 抗拉強度。這些新的合金的潛在應用是眾多的。如以上描述和證明，本文所述的奧氏體不鏽 鋼組合物能在許多應用中替代S31600和特別是S31635。此外，由於鎳和鉬的成本高，將 S31600和S31635替換為本發明的合金組合物將顯著地節省成本。另一益處為，因為這些合 金是完全奧氏體的，它們不會易於在零下的溫度經歷急劇的延展性-脆性轉變(DBT)或在 升高溫度下的885° F脆變。因此，不像二相合金，它們可在高於650° F的溫度使用且為 低溫和深冷應用的最佳候選材料。預期本文所述的合金的耐腐蝕性、可成形性和加工性將 非常接近標準奧氏體不鏽鋼。對於本發明合金會特別有優勢的具體製品包括，例如汽車排 氣和其他應用的撓性連接器、波紋管、撓性管和煙 /煙道內襯。本領域技術人員可以容易 地使用常規地製造技術從本發明合金製造這些和其他製品。儘管上述說明書已經必要地提供有限數量的實施方案，本領域相關技術人員將理 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節進行各種變化，且所有這些改 變將保持在本文所述的發明和所附權利要求的原則和範圍內。因此，應理解本發明不限於 本文公開或包含的具體實施方案，而是預期涵蓋權利要求限定的本發明的原則和範圍內的
11變化。本領域技術人員也應了解可對實施方案進行改變而不偏離其廣泛的發明構思。
權利要求
奧氏體不鏽鋼，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。
2.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中 0. 5 ≤(Mo+ff/2)≤ 5. 0。
3.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中0.5 ≤(Mo+ff/2)≤ 4. 0。
4.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中1.0 ≤(Ni+Co)≤ 8. 0。
5.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中 4. 0 ≤(Ni+Co)≤ 7. 5。
6.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的PREw值大於22。
7.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中 (7. 5(% C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤ 1. 0。
8.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有至少0.INb。
9.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，其中 (7. 5(% C))≤ Nb ≤ 1. 5。
10.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的PREw值大於22至多30。
11.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的鐵素體數小於10。
12.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的鐵素體數大於0至多10。
13.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的鐵素體數為3 5。
14.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的MD3tl值小於約20°C。
15.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，具有的MD3tl值小於-10°C。
16.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有至多0.IOC0
17.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有0.5-1. OSi。
18.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有2.0-8. OMn。
19.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有3.5-6. 5Mn。
20.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有4.0-6. 5Ni。
21.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有17.0-21. OCr。
22.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有0.4-2. ΟΜο。
23.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，含有0.5-2. ΟΜο。
24.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，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。
25.根據權利要求24的奧氏體不鏽鋼，其中0.5 ≤(Mo+ff/2)≤ 2. 3。
26.根據權利要求24的奧氏體不鏽鋼，其中1.0 ≤(Ni+Co)≤8. 0。
27.根據權利要求24的奧氏體不鏽鋼，含有至少0.INb。
28.根據權利要求24的奧氏體不鏽鋼，其中(7. 5(% C))≤ Nb ≤ 1. 5。
29.根據權利要求1的奧氏體不鏽鋼，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。
30.根據權利要求29的奧氏體不鏽鋼，其中0. 5 彡(Mo+ff/2)彡 4. 0。
31.根據權利要求29的奧氏體不鏽鋼，其中4. 0 彡(Ni+Co)彡 7. 5。
32.根據權利要求29的奧氏體不鏽鋼，含有至少0.INb。
33.根據權利要求29的奧氏體不鏽鋼，其中(7. 5(% C))彡 Nb 彡 1. 5。
34.包括奧氏體不鏽鋼的製品，所述奧氏體不鏽鋼含有，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。
35.根據權利要求34的製品，其中所述奧氏體不鏽鋼含有至少0.INb。
36.根據權利要求34的製品，其中所述奧氏體不鏽鋼含有的Nb在(7.5(% C))彡Nb彡1.5的範圍內。
37.根據權利要求34的製品，其中所述製品適用於低溫和深冷環境中的至少一種。
38.根據權利要求34的製品，其中所述製品選自撓性連接器、波紋管、撓性管、煙囪內 襯和煙道襯塊。
全文摘要
奧氏體不鏽鋼組合物，其含有較低的鎳和鉬含量，並顯示出與某些鎳鉬含量較高的合金相當的耐腐蝕性、耐高溫形變性和可成形性。該奧氏體不鏽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。此外，該奧氏體不鏽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 優先權日2007年12月20日
發明者戴維·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資產公司