CN103060718B - 含有稳定元素的低镍奥氏体不锈钢 - Google Patents

含有稳定元素的低镍奥氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

奥氏体不锈钢组合物，其含有较低的镍和钼含量，并显示出与某些镍钼含量较高的合金相当的耐腐蚀性、耐高温形变性和可成形性。该奥氏体不锈钢的一些实施方式含有，以重量%计，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，铁和杂质。此外，该奥氏体不锈钢的一些实施方式可以含有0.5≤(Mo+W/2)≤5.0和/或1.0≤(Ni+Co)≤8.0。

Description

含有稳定元素的低镍奥氏体不锈钢
此案是申请日为2008年2月20日、中国申请号为200880121553.5（国际申请号为PCT/US2008/054396）、发明名称为“含有稳定元素的低镍奥氏体不锈钢”的发明申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.§119(e)要求2007年12月20日提交的同时待审的美国临时专利申请序列号61/015,264的优先权。
背景技术
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢。具体地，本发明涉及成本效益好的稳定的奥氏体不锈钢组合物，其具有低含量的镍和钼，相比于高镍合金具有改进的高温特性和至少相当的耐腐蚀性和可成形性。
背景技术的描述
奥氏体不锈钢具有高期望的性质的组合，其使得它们可用于广泛的工业应用。这些钢具有基本组成的铁，并通过添加奥氏体促进元素和稳定元素如镍、锰和氮而平衡，从而可以在添加铁素体促进元素如铬和钼(其增强了耐腐蚀性)的同时在室温保持奥氏体结构。奥氏体结构使钢具有高度可取的机械特性，特别是韧性、延展性和可成形性。
奥氏体不锈钢的一个具体实例为AISI Type316不锈钢(UNS S31600)，其为含16-18%铬、10-14%镍和2-3%钼的合金。该合金中合金成分的范围为保持在规定的范围以保持稳定的奥氏体结构。本领域技术人员应理解，镍、锰、铜和氮含量，例如，影响奥氏体结构的稳定性。然而，镍和钼的成本升高已造成需要代替S31600的成本效益好的替代品，该替代品仍具有高耐腐蚀性和良好的可成形性。
另一合金替代品为Grade216(UNS S21600)，其描述于美国专利号3,171,738中。S21600包含17.5-22%铬、5-7%镍、7.5-9%锰和2-3%钼。尽管S21600为S31600的低含量镍、高含量锰的变体，但S21600的强度和耐腐蚀性比S31600高得多。然而，作为二相合金，S21600的可成形性不像S31600那样好。而且，因为S21600含有与S31600相同量的钼，所以并没有节省钼的成本。
还存在主要在高温下使用的S31600的变体。该合金名称为Type316Ti(UNS S31635)。S31600和S31635的重要差异为存在少量的钛以平衡钢中存在碳和氮的量。所得的钢，S31635，更不易于有害地形成高温下的碳化铬以及焊接期间的称为敏化(sensitization)的现象。这种添加也可以由于初生和次生碳化物形成的增强作用而增强高温特性。S31635中的钛的具体范围根据下列方程给出：
[5x(%C+%N)]≤Ti≤0.70%
但是S31635使用了昂贵的原料。
其它合金的实例包括多种不锈钢，其中镍被锰代替以保持奥氏体结构，如实践中的Type201钢(UNS S20100)和类似的级别。但是，需要能够制备具有与S31635类似的改善的高温特性和与S31600相似的耐腐蚀性和可成形性的组合的合金，其同时包含较少量的镍和钼以使得成本效益好。尤其是，需要该合金不像二相合金那样，而是具有与标准奥氏体不锈钢相当的温度应用范围，例如从深冷温度至最多1300°F。
因此，本发明提供一种目前市场上没有的方案(solution)，其为可成形的稳定的奥氏体不锈钢合金组合物，该组合物具有与S31600和S31635相当的耐腐蚀性特性和改进的高温特性，同时节省了原料成本。因此，本发明为稳定的奥氏体合金，其使用控制水平的碳化物形成元素以改进高温特性。该奥氏体合金以这样一种方式使用元素Mn、Cu和N的组合替代Ni和Mo，从而制备具有与高镍钼合金类似的特性但具有明显较低的原料成本的合金。任选地，元素W和Co可独立或组合地使用以分别代替元素Mo和Ni。
发明概述
本发明为奥氏体不锈钢，其使用碳化物形成元素和较廉价的元素，如锰、铜和氮作为更昂贵的元素镍和钼的替代物。结果为成本较低的合金，其与更昂贵的合金(如S31600和S31635)相比具有改进的高温特性和至少相当的耐腐蚀性和可成形性。该合金是轻型标准(light gauge)，并且具有清晰的显微组织(clean microstructure)与相当精细的颗粒用于可成形性。
本发明的一个实施方案为奥氏体不锈钢，其包含，以重量%计，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，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5，至多4.0W，至多0.01B，至多1.0Co，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些非限制性实施方式包含钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤5.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可包含钴，使得1.0≤(Ni+Co)≤8.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包含浓度为至少(7.5(%C))的铌。
本发明的另一实施方案是这样的奥氏体不锈钢，其包含，以重量%计，至多0.10C，2.0-8.0Mn，至多1.00Si，16.0-22.0Cr，1.0-7.0Ni，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1.0Co，至多0.040P，至多0.030S，和至多0.008B，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤2.3。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钴，使得1.0≤(Ni+Co)≤8.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包括浓度为至少(7.5(%C))的铌。
在本发明的一个备选实施方式中，奥氏体不锈钢包含，以重量%计，至多0.08C，3.5-6.5Mn，至多1.00Si，17.0-21.0Cr，0.5-2.0Mo，4.0-6.5Ni，0.08-0.30N，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.0，至多1.0Cu，至多0.050P，至多0.03S，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤4.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钴，使得4.0≤(Ni+Co)≤7.5。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包括浓度为至少(7.5(%C))的铌。
本发明的奥氏体不锈钢具有的PREW值大于约22，铁素体数小于约10，且MD30值小于约20℃。
制备该不锈钢的一种方法为：在电弧炉中熔化，在AOD中精炼，铸造为锭(ingot)或连铸扁锭(slab)，再加热该锭或扁锭且将其热轧以制备板材或卷材，冷轧卷材至规定厚度，并退火且酸浸该材料。也可以使用其它制备本发明材料的方法，包括：在真空或特殊的气氛下熔化和/或再熔，铸造成形，或制备压实为扁锭或型钢的粉末。
根据本发明的合金可在多种应用中使用。根据一个实例，本发明的合金可包含在适用于低温或深冷环境使用的制品中。可从本发明合金制备的或包含本发明合金的制品的其它非限制性实例为汽车或其他应用的挠性连接器(flexible connector)、波纹管(bellows)、挠性管、烟囱内衬和烟道衬块(flueliner)。
发明详述
在本说明书和权利要求中，除了在操作实施例中或另有所述外，所有表示成分和产物、加工条件等的量或特征的数值应理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非另有相反描述，在以下说明书和所附权利要求所述的任何数字参数为近似值，其可根据人们在根据本发明的产物和方法中需要获得的所需特性而改变。至少，且不是为了尝试将等价物的使用限制为权利要求的范围，各数字参数应至少根据报告的有效位数和通过运用普通的舍入技术而解释。本发明的奥氏体不锈钢将在以下详述。在以下说明中，“%”表示“重量%”，除非另有所述。
本发明涉及奥氏体不锈钢。特别是，本发明涉及稳定的奥氏体不锈钢组合物，其具有与S31635等至少相当的耐腐蚀性和可成形性以及改进的高温特性。该奥氏体不锈钢组合物可包含，以重量%计，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，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5，至多4.0W，至多0.01B，至多1.0Co，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包含浓度为至少(7.5(%C))的铌。
在一个备选实施方式中，奥氏体不锈钢组合物可以包含，以重量%计，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，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5，至多0.01B，钨，铁和杂质，使得0.5≤(Mo+W/2)≤5.0和1.0≤(Ni+Co)≤8.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包含浓度为至少(7.5(%C))的铌。
本发明的另一实施方案是这样的奥氏体不锈钢，其包含，以重量%计，至多0.10C，2.0-8.0Mn，至多1.00Si，16.0-22.0Cr，1.0-7.0Ni，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1.0Co，至多0.040P，至多0.030S，和至多0.008B，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤2.3。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钴，使得1.0≤(Ni+Co)≤8.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包括浓度为至少(7.5(%C))的铌。
在本发明的一个备选实施方式中，奥氏体不锈钢包含，以重量%计，至多0.08C，3.5-6.5Mn，至多1.00Si，17.0-21.0Cr，0.5-2.0Mo，4.0-6.5Ni，0.08-0.30N，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.0，至多1.0Cu，至多0.050P，至多0.03S，铁和杂质。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤4.0。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含钴，使得4.0≤(Ni+Co)≤7.5。该奥氏体不锈钢的某些实施方式可以包含至少0.1%的铌，或可以包括浓度为至少(7.5(%C))的铌。
C:至多0.20%
C用于稳定奥氏体相且抑制变形诱导的马氏体转化。然而C也增加形成碳化铬的可能性，尤其在焊接过程中，其降低耐腐蚀性和韧性。因此，本发明的奥氏体不锈钢具有至多0.20%C。在本发明一个实施方案中，C含量可为0.10%或更少。或者，C含量可为0.08%或更少，或可为0.03%或更少。
Si:至多2.0%
具有大于的2%Si促进脆化相(embrittling phase)如σ的形成，且降低氮在合金中的溶解性。Si还稳定铁素体相，大于2%Si需要添加奥氏体稳定剂以保持奥氏体相。因此，本发明的奥氏体不锈钢具有至多2.0%Si。在本发明的一个实施方案中，Si含量可为1.0%或更少。Si帮助最小化某些合金元素与铌的反应性，并协助合金中的相平衡。在一些实施方案中，添加的Si的作用通过将Si含量调节为0.5-1.0%而平衡。
Mn:2.0-9.0%
Mn稳定奥氏体相且通常增加氮(有益的合金元素)的溶解性。为充分得到这些效果，需要Mn含量不小于2.0%。锰和氮都为更贵的元素镍的有效替代物。然而，具有大于9.0%的Mn在某些环境降低材料的可加工性和其耐腐蚀性。而且，因为难以对具有高含量Mn(如大于9.0%)的不锈钢脱碳，所以高含量的Mn明显增加制备该材料的加工成本。因此，为了合适地平衡本发明奥氏体不锈钢的耐腐蚀性、相平衡、延展性和其他机械性能，将Mn含量设定为2.0-9.0%。在一个实施方案中，Mn含量可为2.0-8.0%，或可为3.5-6.5%。
Ni:1.0-7.0%
关于铁素体和马氏体形成需要至少1%的Ni以稳定奥氏体相。Ni还用于增强韧性和可成形性。然而，由于镍相对高的成本，期望保持镍含量尽可能低。尽管Mn和N可以部分地替代Ni，但是高水平的Mn和N将会导致不可接受程度的加工硬化、可成形性降低。因此，该合金必须含有最小浓度的Ni以提供可接受的可成形性。本发明者发现除了其它限定范围的元素外可使用1.0-7.0%范围的Ni以获得具有与高镍合金一样好或更好的耐腐蚀性和可成形性的合金。因此，本发明的奥氏体不锈钢具有1.0-7.0%Ni。在一个实施方案中，Ni含量可为4.0-6.5%。
Cr:16.0-23.0%
添加Cr以通过在合金表面形成钝化膜而向不锈钢赋予耐腐蚀性。Cr还用于稳定关于马氏体转化的奥氏体相。需要至少16%Cr以提供足够的耐腐蚀性。另一方面，因为Cr为强力的铁素体稳定剂，超过23%的Cr含量需要添加更昂贵的合金元素，如镍或钴，以保持铁素体含量可接受地低。具有多于23%的Cr还使得形成不希望的相(如σ)的可能性更大。因此，本发明的奥氏体不锈钢具有16.0-23.0%Cr。在一个实施方案中，Cr含量可为16.0-22.0%，或可为17.0-21.0%。
N:0.05-0.35%
N包含在本发明合金中作为奥氏体稳定元素Ni和耐腐蚀性增强元素Mo的部分替代。N还改进了合金强度。需要至少0.05%N以为了强度和耐腐蚀性和稳定奥氏体相。添加多于0.35%N会超过熔化和焊接过程中N的溶解度，其因氮气气泡而导致多孔性。即使没有超过溶解限度，大于0.35%的N含量增加氮化物颗粒沉淀的倾向，其降低耐腐蚀性和韧性。本发明者已经确定至多0.35%的N含量与合金中的Nb水平是相容的，并不形成问题浓度的碳氮化铌析出物。因此，本发明的奥氏体不锈钢具有0.05-0.35%N。在一个实施方案中，N含量可为0.08-0.30%。
Mo:至多3.0%
本发明者想要限制合金的Mo含量同时保持可接受的性质。Mo可有效地稳定形成在不锈钢表面的钝化氧化物膜并防止氯化物作用产生的点腐蚀。为获得这些效果，本发明中Mo可添加至多3.0%的量。由于其成本，Mo含量可为0.5-2.0％，其与适当量的铬和氮一起足以提供所需的耐腐蚀性。超过3.0%的Mo含量通过将固化铁素体的含量增加至潜在有害的水平而引起热加工性的恶化。高Mo含量还增加形成有害的金属间相(如σ相)的可能。因此，本发明的奥氏体不锈钢组合物具有至多3.0%Mo。在一个实施方案中，Mo含量可为约0.40-2.0%，或可为0.50-2.0%。
Co:至多1.0%
Co用作镍的替代物以稳定奥氏体相。添加钴也增加材料的强度。钴的上限优选为1.0%。
B:至多0.01%
可添加低至0.0005%的B以改善不锈钢的热加工性和表面质量。然而，添加多于0.01%会降低合金的耐腐蚀性和可加工性。因此，本发明的奥氏体不锈钢组合物具有至多0.01%B。在一个实施方案中，B含量可为至多0.008%，或可为至多0.005%。
Cu:至多3.0%
Cu为奥氏体稳定剂且可用于代替该合金中的部分镍。其还在还原环境中改善耐腐蚀性和通过降低堆垛层错能(stacking fault energy)改善可成形性。然而，已显示添加多于3%的Cu降低奥氏体不锈钢的热加工性。因此，本发明的奥氏体不锈钢组合物具有至多3.0%Cu。在一个实施方案中，Cu含量可为至多1.0%。
W:至多4.0%
W在改善对氯化物点腐蚀和缝隙腐蚀的抵抗方面提供与钼类似的作用。W当代替钼时也可降低σ相形成的倾向。然而，添加多于4%会降低合金的热加工性。因此，本发明的奥氏体不锈钢组合物具有至多4.0%W。在一个实施方案中，W含量可为0.05-0.60%。
0.5≤(Mo+W/2)≤5.0
钼和钨都可稳定形成在不锈钢表面的钝化氧化物膜和防止氯化物作用引起的点腐蚀。因为W在增加耐腐蚀性方面效果(按重量)大约是Mo的一半，需要(Mo+W/2)的组合>0.5%以提供所需的耐腐蚀性。然而，具有太多的Mo增加形成金属间相的可能，且太多的W降低材料的热加工性。因此，(Mo+W/2)的组合优选小于5%。在一个实施方式中，可以存在钼和钨，使得0.5≤(Mo+W/2)≤2.3，或者使得0.5≤(Mo+W/2)≤4.0。
1.0≤(Ni+Co)≤8.0
镍和钴都用来稳定关于铁素体形成的奥氏体相。需要至少1%的(Ni+Co)以在铁素体稳定元素如Cr和Mo的存在下稳定奥氏体相，必须添加该铁素体稳定元素如铬和钼以保证适当的耐腐蚀性。然而，Ni和Co都是昂贵的元素，因此期望保持(Ni+Co)含量小于8%。在一个实施方式中，(Ni+Co)的含量可以大于4.0％，但是小于7.5%。
(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5
Nb与碳反应，并与更低程度的氮反应，形成了小颗粒形式的碳化物和碳氮化物。这些颗粒有效地防止在高温操作期间和在焊接期间形成有害的碳化铬，这改进了室温耐腐蚀性。这些颗粒，当使用有效的热处理制备时，还能够改进高温强度和抗蠕变性。最小添加量(7.5×%C)向每个溶解在金属中的C原子提供一个Nb原子。较高水平的Nb会消耗有利的N，因此期望保持Nb含量小于1.5%。可以加入其他形成稳定碳化物的元素，包括但不限于Ti、V、Ta和Zr，来代替铌。但是，这些代替物与N的反应比Nb更强烈，因此控制以提供有利的作用，例如改进的可焊接性。本发明者已经确定，Nb、Ti、V、Ta和Zr的重量百分比的总和应当保持在(7.5(%C))至多1.5%的范围。换句话说，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.5%。在某些实施方式中，(7.5(%C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.0%。在某些优选的实施方式中，该合金含有至少0.1%Nb，并且Nb、Ti、V、Ta和Zr的重量百分比的总和在(7.5(%C))至多1.5%或1.0%的范围内。在某些实施方式中，Ti、V、Ta和Zr仅作为偶存杂质存在，或者保持在实际上尽可能低的程度。在某些实施方式中，为了优化合金的室温耐腐蚀性、高温强度、抗蠕变性和可焊接性，该合金的某些实施方式含有的Nb含量为至少(7.5(%C))，Ti、V、Ta和Zr仅作为偶存杂质存在。本发明者已经确定至多1.5%的Nb含量与合金的0.05-0.35%的N含量是相容的，因为该组合没有导致不可接受地降低抗蠕变性的碳氮化铌析出物水平。
本发明的稳定的奥氏体不锈钢的余量包括铁和不可避免的杂质，如磷和硫。优选将不可避免的杂质保持为最低可实现和符合经济利益的水平，如本领域技术人员所理解。
形成非常稳定的氮化物的元素，如Al，应当保持在低水平上。
本发明的稳定的奥氏体不锈钢也可通过定量表达它们具有的特性的方程而限定，所述特性包括例如抗点蚀当量数(pitting resistance equivalencenumber)、铁素体数(ferrite number)和MD30温度。
抗点蚀当量数(PREN)提供在含氯化物环境中合金预期的抗点腐蚀性的相对等级。PREN越高，合金预期的耐腐蚀性越好。PREN可通过下式计算:
PREN=%Cr+3.3(%Mo)+16(%N)
或者，可将1.65(%W)的因子添加至上式以考虑在合金中存在的钨。钨改善不锈钢的抗点蚀性且效果按重量为约钼的一半。当钨包含在计算中时，抗点蚀当量数被指定为PREW，其通过下式计算:
PREW=%Cr+3.3(%Mo)+1.65(%W)+16(%N)
钨在本发明的合金中与钼的作用类似。因此，钨可以作为钼的替代物添加以提供增加的抗点蚀性。根据该方程，对于去除的每百分比的钼应添加两倍的重量百分比的钨以保持相同的抗点蚀性。本发明的合金具有的PREW值大于22，优选高达30。
本发明的合金还可通过其铁素体数限定。正的铁素体数通常与铁素体的存在相关联，铁素体的存在改善合金的固化特性且有助于抑制热加工和焊接操作中合金的热裂。在初始固化的显微组织中需要少量的铁素体以保持良好的铸造性和防止焊接中的热裂。另一方面，太多的铁素体会在使用中导致问题，包括但不限于，显微组织不稳定性，有限的延展性，且削弱的高温机械特性。该铁素体数可使用以下方程计算:FN=3.34(Cr+1.5Si+Mo+2Ti+0.5Cb)–2.46(Ni+30N+30C+0.5Mn+0.5Cu)–28.6
本发明合金具有的铁素体数为至多10，优选为正数，更优选约3至5。
合金的MD30温度定义为以下温度，在该温度30%的冷变形将导致50%的奥氏体转化为马氏体。MD30温度越低，该材料对马氏体转化越具有抗性。对马氏体形成的抗性导致加工硬化速率降低，其使得可成形性好，尤其在拉伸应用中。MD30根据以下方程计算：MD30(°C)=413-462(C+N)-9.2(Si)-8.1(Mn)-13.7(Cr)-9.5(Ni)-17.1(Cu)-18.5(Mo)
本发明合金具有的MD30温度小于20°C，优选小于约-10°C。
实施例
表1包括本发明合金1-5和对比合金S31600、S31635、S21600和S20100的组成和计算参数值。
将本发明合金1-5在实验室规模的真空炉中熔化且倒入50-lb锭中。将这些锭再加热且热轧以制备约0.250"厚的材料。将该材料退火、鼓风和浸酸。该该材料的一些冷轧成0.100"厚，且剩余的冷轧成0.050或0.040"厚。将该冷轧的材料退火和酸浸。对比合金S31600、S31635、S21600和S20100为可商购的，且这些合金所示的数据从公开的文献获取或从最近为商业规模制备的材料的测试得到。
各合金的PREW计算值示于表1中。使用上述讨论的方程，预期PREW大于24.0的合金将比对比合金S31635材料具有更好的抗氯化物点腐蚀性，而具有较低PREW的那些将更易于发生点腐蚀。
也已计算表1中各合金的铁素体数。本发明合金1-5的各铁素体数在小于10的优选范围内。
也计算了表1中合金的MD30值。根据该计算，本发明的合金1-5，特别是本发明合金4和5，显示与对比合金S31600和S31635具有类似的对马氏体形成的抗性。
表1
表1还显示原料成本指数(RMCI)，其将各合金的材料成本与对比合金S31635进行了比较。该RMCI通过以下计算，将原料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，并除以在对比合金S31635中原料的成本。如计算值所示，本发明合金1-5具有的RMCI小于0.65，其意味着包含在其中的原料成本小于对比合金S31635成本的65%。可以制备具有与对比合金S31635相似的性质且原料成本显著较低的材料，这是出人意料的且不能从现有技术预期。
已经测量本发明合金1-5的机械性能并且与商购的对比合金S31600、S31635、S21600和S20100进行比较。测量的屈服强度、抗拉强度、经2-英寸量规长度(gage length)的百分比伸长率和Olsen杯(cup)高度示于表1中。该拉伸试验对0.100"量规材料进行，该Charpy测试对0.197"厚的样品进行，且该Olsen杯测试对0.040-至0.050-英寸厚的材料进行。所有测试在室温进行。表1中数据的单位如下：屈服强度和抗拉强度，ksi；伸长率，百分比；Olsen杯高度，英寸。从数据可以看出，本发明的合金，特别是本发明合金4和5，显示与商购的S31635材料具有相当的性质。但是本发明合金含有比对比合金S31635中少于一半浓度的镍和显著少的钼。显著低浓度的昂贵合金元素镍和钼，使得本发明合金4和5的RMCI值比对比合金S31635少至少40%。尽管它们显著减少了镍和钼的水平，但是本发明合金4和5具有奥氏体显微组织，并显示出比对比合金S31635显著更好的屈服和抗拉强度。
这些新的合金的潜在应用是众多的。如以上描述和证明，本文所述的奥氏体不锈钢组合物能在许多应用中替代S31600和特别是S31635。此外，由于镍和钼的成本高，将S31600和S31635替换为本发明的合金组合物将显著地节省成本。另一益处为，因为这些合金是完全奥氏体的，它们不会易于在零下的温度经历急剧的延展性-脆性转变(DBT)或在升高温度下的885℉脆变。因此，不像二相合金，它们可在高于650℉的温度使用且为低温和深冷应用的最佳候选材料。预期本文所述的合金的耐腐蚀性、可成形性和加工性将非常接近标准奥氏体不锈钢。对于本发明合金会特别有优势的具体制品包括，例如：汽车排气和其他应用的挠性连接器、波纹管、挠性管和烟囱/烟道内衬。本领域技术人员可以容易地使用常规地制造技术从本发明合金制造这些和其他制品。
尽管上述说明书已经必要地提供有限数量的实施方案，本领域相关技术人员将理解可对本文描述和解释的装置和方法以及实施例的其它细节进行各种变化，且所有这些改变将保持在本文所述的发明和所附权利要求的原则和范围内。因此，应理解本发明不限于本文公开或包含的具体实施方案，而是预期涵盖权利要求限定的本发明的原则和范围内的变化。本领域技术人员也应了解可对实施方案进行改变而不偏离其广泛的发明构思。

Claims (41)

1.奥氏体不锈钢，其由以下构成：以重量％计，
至多0.20C，
2.0-5.1Mn，
至多2.0Si，
18.1-23.0Cr，
1.0-7.0Ni，
0.5-2.0Mo，
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，
余量的铁，和
杂质，且
PREW值大于24至多30。
2.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
0.5≤(Mo+W/2)≤5.0。
3.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
0.5≤(Mo+W/2)≤4.0。
4.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
1.0≤(Ni+Co)≤8.0。
5.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
4.0≤(Ni+Co)≤7.5。
6.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
(7.5(％C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.0。
7.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，Nb至少为0.1。
8.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中：
(7.5(％C))≤Nb≤1.5。
9.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，具有的铁素体数小于10。
10.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，具有的铁素体数大于0至多10。
11.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，具有的铁素体数为3～5。
12.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，具有的MD30值小于20℃。
13.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，具有的MD30值小于-10℃。
14.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，C被限定为至多0.10。
15.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，Si被限定为0.5-1.0。
16.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，W被限定为0.05-0.60。
17.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，Mn被限定为3.5-5.1。
18.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，Ni被限定为4.0-6.5。
19.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中，Cr被限定为18.1-21.0。
20.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其由以下构成：以重量％计，
至多0.10C，
2.0-5.1Mn，
至多1.00Si，
18.1-22.0Cr，
1.0-7.0Ni，
0.5-2.0Mo，
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，
余量的铁，和
偶存的杂质，且
其中所述奥氏体不锈钢具有大于24至多30的PREW值。
21.根据权利要求20的奥氏体不锈钢，其中：
0.5≤(Mo+W/2)≤2.3。
22.根据权利要求20的奥氏体不锈钢，其中：
1.0≤(Ni+Co)≤8.0。
23.根据权利要求20的奥氏体不锈钢，其中，Nb至少为0.1。
24.根据权利要求20的奥氏体不锈钢，其中：
(7.5(％C))≤Nb≤1.5。
25.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其由以下构成：以重量％计，
至多0.08C，
3.5-5.1Mn，
至多1.00Si，
18.1-21.0Cr，
0.5-2.0Mo，
4.0-6.5Ni，
0.08-0.30N，
0.05-0.60W，
(7.5(％C))≤(Nb+Ti+V+Ta+Zr)≤1.0，
至多1.0Co，
至多0.050P，
至多0.030S，
至多0.008B，
余量的铁，和
偶存的杂质，且
PREW值大于24至多30。
26.根据权利要求25的奥氏体不锈钢，其中：
0.5≤(Mo+W/2)≤4.0。
27.根据权利要求25的奥氏体不锈钢，其中：
4.0≤(Ni+Co)≤7.5。
28.根据权利要求25的奥氏体不锈钢，其中，Nb至少为0.1。
29.根据权利要求25的奥氏体不锈钢，其中：
(7.5(％C))≤Nb≤1.5。
30.包括奥氏体不锈钢的制品，所述奥氏体不锈钢由以下构成：以重量％计，
至多0.20C，
2.0-5.1Mn，
至多2.0Si，
18.1-23.0Cr，
1.0-7.0Ni，
0.5-2.0Mo，
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，
余量的铁，和
杂质，且
PREW值大于24至多30。
31.根据权利要求30的制品，其中，在所述奥氏体不锈钢中，Nb至少是0.1。
32.根据权利要求30的制品，其中，在所述奥氏体不锈钢中，Nb在(7.5(％C))≤Nb≤1.5的范围内。
33.根据权利要求30的制品，其中所述制品适用于低温环境和深冷环境中的至少一种。
34.根据权利要求30的制品，其中所述制品选自挠性连接器、波纹管、挠性管、烟囱内衬和烟道衬块。
35.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中Si被限定为0.5-2.0。
36.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中N被限定为0.05-0.30。
37.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中所述奥氏体不锈钢具有的屈服强度为约47ksi。
38.根据权利要求30的制品，其中所述奥氏体不锈钢具有的屈服强度为约47ksi。
39.根据权利要求30的制品，其中所述制品为挠性管。
40.根据权利要求1的奥氏体不锈钢，其中所述奥氏体不锈钢具有的屈服强度大于UNS S31635的屈服强度。
41.根据权利要求30的制品，其中所述奥氏体不锈钢具有的屈服强度大于UNS S31635的屈服强度。
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