CN107937826B - 在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢 - Google Patents

在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种不锈钢，其在高温环境下具有优异的抗拉强度、疲劳强度和耐氧化性。根据本发明的示例实施例，在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢包括：按重量％，C：0.01％至0.2％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：12.0％至30.0％，V：0.01％至0.5％，Nb：0.01％至0.5％，Al：0.1％至4.0％，Co：0.01％至5.0％，Mo：0.01％至4.0％，W：0.01％至4.0％，B：0.001％至0.15％，Ni：5.0％至20.0％，剩余部分为Fe和其它不可避免的杂质。

Description

在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢
技术领域
本发明涉及一种在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢，并且更特别地，涉及一种在高温环境中具有优异的抗拉强度、疲劳强度和耐氧化性的不锈钢。
背景技术
随着化石燃料储备达到其自然限度，由于国际油价的高度变化性导致对提高车辆的燃料效率的兴趣日益增长。
作为响应，已经研究了用于提高车辆燃料效率的各种技术。用于提高燃料效率的一种可接受的方法是减少车辆重量。
除了提高燃料效率以外，也已经针对各种应用研究了用于减少车辆重量的技术。例如，已经开发了用于在提高发动机输出的同时减小车辆的尺寸的技术。然而，在这些应用中，在较小的发动机中废气的温度随着增加的发动机输出而升高，导致在排气线路中的部件的耐久性减弱。
为了处理这个问题，已经引进使用不锈钢的排气线路的修改，但是传统的不锈钢在车辆排气线路的高温环境中具有不足的强度和耐氧化性。
已经进行尝试以通过在不锈钢的表面上形成涂层来处理使用不锈钢的缺点，但是导致在制造成本上的不期望的增加。
发明内容
本公开已经考虑在相关技术中出现的上述问题。本公开提供一种在高温环境中具有优异的抗拉强度、疲劳强度和耐氧化性的不锈钢，其通过优化合金的成分以在结构内生成稳定的复合碳化物和复合硼化物来制作。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，改进的不锈钢包括具有以下成分的合金：按重量％(wt％)，C：0.01％至0.2％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：12.0％至30.0％，V：0.01％至0.5％，Nb：0.01％至0.5％，Al：0.1％至4.0％，Co：0.01％至5.0％，Mo：0.01％至4.0％，W：0.01％至4.0％，B：0.001％至0.15％，Ni：5.0％至20.0％，合金的剩余物包括Fe和少量的杂质。
不锈钢的结构可以包括作为复合碳化物的NbC和(Cr,Mo)23C6以及作为复合硼化物的(Cr,Fe)2B。
不锈钢的结构可以进一步包括作为复合硼化物的(Mo,Cr,W)2B和(Mo,W)3B2的至少一种。
在示例实施例中，复合碳化物的尺寸等于或小于50nm。
在又一示例实施例中，不锈钢在室温以上的温度下可以具有以下特性：大于或等于250Mpa的抗拉强度，大于或等于95Mpa的疲劳强度，以及小于或等于0.9g/m2的氧化权重。
改进的不锈钢可以具有大于或等于710Mpa的室温抗拉强度和大于或等于50％的A5伸长率。
附图说明
从以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其它的目的、特征和优点，其中：
图1是示出示例实施例和比较示例实施例的组分的表；
图2是示出图1中描述的示例实施例和比较示例实施例的物理性质和性能的表；
图3是示出根据示例实施例改进的不锈钢根据温度的相变的曲线图；
图4a和图4b是示出对于传统不锈钢(SUS310)的碳化物的摩尔分数和尺寸随退火时间变化的曲线图；
图5a和图5b是示出对于本公开的改进的不锈钢的示例实施例的复合碳化物的摩尔分数和尺寸随退火时间变化的曲线图；
图6是示出传统不锈钢(SUS304)的氧化性质的图片；以及
图7是示出本公开的改进的不锈钢的示例实施例的氧化性质的图片。
具体实施方式
在下文中，参照附图详细描述示例实施例。然而，本发明不限于以下公开的示例性实施例，而是可以各种不同的形式实施。提供这些示例实施例仅为了使本发明的公开彻底并且允许本领域的技术人员了解本公开的范围。
根据本公开的示例实施例在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢可期望用于车辆排气线路，因为其改善诸如在排气线路的高温环境中的高抗拉强度、高疲劳强度以及高耐氧化性的物理性质。这些特性可以通过优化不锈钢的成分来实现。在示例实施例中，改进的不锈钢包括：按重量％，C：0.01％至0.2％，Si：0.1％至1.0％，Mn：0.1％至2.0％，Cr：12.0％至30.0％，V：0.01％至0.5％，Nb：0.01％至0.5％，Al：0.1％至4.0％，Co：0.01％至5.0％，Mo：0.01％至4.0％，W：0.01％至4.0％，B：0.001％至0.15％，Ni：5.0％至20.0％，剩余物包括Fe和少量的杂质。
每个合金组分的范围基于以下所述的性质来选择。在下文中，除非特别指出，否则％表示成分中特定元素的重量％。
碳(C)：0.01％至0.2％
以陈述的范围添加碳(C)用于增大不锈钢的强度和硬度。特别地，形成诸如NbC和(Cr,Mo)23C6的复合碳化物，来提高总体耐腐蚀性和晶界耐腐蚀性。此外，由于在450℃和850℃之间的晶界敏化(grain boundary sensitization)而提高耐氧化性。
当碳C的含量小于0.01％时，生成较少的碳化物并且强度相应地降低。另一方面，当碳(C)的含量超过0.2％时，晶界敏化可能过度地增加。因此，优选将碳(C)的含量限制为0.01％至0.2％的范围。
硅(Si)：0.1％至1.0％
以陈述的范围添加硅(Si)用作脱氧剂并且用于控制伸长率。特别地，以陈述的范围添加硅提高耐氧化性、应力腐蚀开裂(SCC)性质以及可模塑性。
当硅(Si)的含量小于0.1％时，不锈钢的耐氧化性和可模塑性可能降低。另一方面，当硅(Si)的含量超过1.0％时，不锈钢的柔性和可焊性可能降低。因此，优选将硅(Si)的含量限制为0.1％至1.0％的范围。
锰(Mn)：0.1％至2.0％
以陈述的范围添加锰(Mn)用于提高强度。特别地，锰(Mn)提高淬透性、氮(N)溶解度以及屈服强度并且降低不锈钢的冷却速度。
当锰(Mn)的含量小于0.1％时，不锈钢的硬度降低。另一方面，当锰(Mn)的含量超过2.0％时，其降低其它组分的有益效果。因此，优选将锰(Mn)的含量限制为0.1％至2.0％的范围。
铬(Cr)：12.0％至30.0％
以陈述的范围添加铬(Cr)增强改进的不锈钢的耐腐蚀性，并且与镍和锰一起，帮助稳定不锈钢中的奥氏体。特别地，铬Cr用于提高耐腐蚀性、高温强度以及非磁性并且还用作固溶增强剂。
当铬(Cr)的含量小于12.0％时，不锈钢的耐氧化性和结构稳定性可能降低。另一方面，当铬(Cr)的含量超过30.0％时，其降低其它元素的有益效果。因此，优选将铬(Cr)的含量限制为12.0％至30.0％的范围。
钒(V)：0.01％至0.5％
以陈述的范围添加钒(V)用作固溶增强剂并且提供低温段的增加的强度。钒还用于提高不锈钢的淬透性。
当钒(V)的含量小于0.01％时，低温强度和微观结构的精细化可能降低。另一方面，当钒(V)的含量超过0.5％时，铌(Nb)的有益效果可能降低。因此，优选将钒(V)的含量限制为0.01％至0.5％的范围。
铌(Nb)：0.01％至0.5％
以陈述的范围添加铌(Nb)提高耐腐蚀性、晶界耐腐蚀性以及耐热性。特别地，铌提高高温强度、生成具有优异的机械物理性质的γ＇相碳化物，生成铁素体，并且抑制γ相和拉夫斯相(laves phase)的形成。进一步地，当铌(Nb)的含量高时，耐热性也提高。
当铌(Nb)的含量小于0.01％时，不锈钢的低温强度和可焊性可能降低。另一方面，当铌(Nb)的含量超过0.5％时，其降低除碳化铌以外的碳化物的有益效果。因此，优选将铌(Nb)的含量限制为0.01至0.5％的范围。
铝(Al)：0.1％至4.0％
当以陈述的范围添加时，铝(Al)用作固溶增强剂。铝还提供耐氧化性并且提高不锈钢的机械物理性质。
当铝(Al)的含量小于0.1％时，不锈钢的高温强度和结构均匀性可能降低。另一方面，当铝(Al)的含量超过4.0％时，期望的碳化物的生成可能降低。因此，优选将铝(Al)的含量限制为0.1％至4.0％的范围。
钴(Co)：0.01％至5.0％
以陈述的范围添加钴(Co)抑制晶粒在高温下巨大。钴提高蠕变强度和回火物理性质。
当钴(Co)的含量小于0.01％时，防止晶粒在高温下巨大的效果不显著并且蠕变强度降低。另一方面，当钴(Co)的含量超过5.0％时，其降低其它元素的有益效果。因此，优选将钴(Co)的含量限制为0.01％至5.0％的范围。
钼(Mo)：0.01％至4.0％
以陈述的范围添加钼(Mo)提高耐腐蚀性。特别地，钼形成碳化物并且提高机械物理性质、配合阻力(fitting resistance)以及抗裂性。
当钼(Mo)的含量小于0.01％时，产生较少的碳化物，并且因此不锈钢的强度可能降低。添加总量超过4.0％的钼(Mo)不会导致额外的有益效果；反而，由于钼导致的改善达到效果平稳的饱和点。因此，优选将钼(Mo)的含量限制为0.01％至4.0％的范围。
钨(W)：0.01％至4.0％
当以陈述的范围添加时，钨(W)用作固溶增强剂。特别地，碳化钨抑制晶界滑移以及Cl氧化，参与γ相和μ相的生成，并且抑制晶粒巨大。
当钨(W)的含量小于0.01％时，不锈钢的强度可能降低并且晶粒可能巨大。另一方面，如果钨(W)的含量超过4.0％时，不锈钢可能变得更脆。因此，优选将钨(W)的含量限制为0.01％至4.0％的范围。
硼(B)：0.001％至0.15％
以陈述的范围添加硼(B)增强晶界硬度。特别地，硼(B)提高不锈钢的蠕变强度和柔性。
当硼(B)的含量小于0.001％时，蠕变强度和柔性可能劣化。添加总量超过0.15％的硼(B)不会导致额外的有益效果；反而，由于硼导致的改善达到效果平稳的饱和点。因此，优选将硼(B)的含量限制为0.001％至0.15％的范围。
镍(Ni)：5.0％至20.0％
以陈述的范围添加镍(Ni)提高不锈钢的耐腐蚀性和耐热性。特别地，镍提高非磁性、耐氧化性、高温强度、淬透性以及耐温性。
当镍(Ni)的含量小于5.0％时，耐热性和高温强度可能降低并且可能不生成相。另一方面，当镍(Ni)的含量超过20.0％时，制造成本可能增加并且非常高的温度效应可能会不必要地增加。因此，优选将镍(Ni)的含量限制为5.0％至20.0％的范围。
同时，除上述组分以外的剩余物主要是Fe和少量的杂质。
在下文中，参照两个示例实施例描述本发明。
对其中根据标准的工业化工艺生产的不锈钢进行热处理的样品进行实验。特别地，样品通过对从使用在每个组分的含量被改变的同时生产的钢水的连铸板坯经过热粗轧和热精轧的热轧板进行热带退火(hot band annealing)、冷轧和冷带退火来制造。
通过在1010至1150℃下对每个样品进行固溶热处理和淬火来制备每个样品。然而，在本实验中，C、Si和Mn的含量被确定为对要测试的特性没有直接影响。因此，在图1中，没有示出C、Si和Mn的含量，但是示例和比较示例具有以下范围的成分：C：0.01％至0.2％，Si：0.1％至1.0％以及Mn：0.1％至2.0％。
接下来，描述用于确认如上所述生产的传统的不锈钢和根据示例和比较示例的样品的物理性质的试验。
针对室温抗拉强度(20℃)、高温抗拉强度(650℃)、A5伸长率(650℃)、疲劳强度(650℃)以及氧化权重测试传统不锈钢、示例和比较示例，并且将结果示于图2中。
根据韩国测试标准KS B 0802使用20吨测试器对每个样品进行室温和高温抗拉强度的测量。在650℃的温度下测量A5伸长率。根据韩国测试标准KS B ISO 1143在650℃的温度下使用对样品的旋转梁疲劳测试测量疲劳强度。
通过制备每个样品并且然后测量预测试重量来测量氧化权重。然后将样品在650℃下保持100小时。将每个样品暴露到N2(20％)、O2(10％)和H2O。经过100小时后，再次测量样品的重量并且通过比较处理前后的样品的重量来获得氧化权重。
如图2中所示，传统不锈钢SUS304L和SUS310S不包含V、Nb、Al、Co、Mo、W、B或Ni并且因此没有表现出关于室温和高温抗拉强度、A5伸长率、疲劳强度和氧化权重的改善的特性。
示例1和2具有如本公开的示例实施例所述的成分。示例1和2各自具有在室温(20℃)之上的高温(例如，650℃)下大于或等于250Mpa的抗拉强度、大于或等于95Mpa的疲劳强度和小于或等于0.9g/m2的氧化权重。进一步地，示例1和2还具有大于或等于710Mpa的室温(20℃)抗拉强度和大于50％的A5伸长率。
比较示例1至18是成分具有在示例实施例的所述范围外的至少一个组分的示例。例如，比较示例1具有低于所需范围的铬含量，并且比较示例2具有高于所需范围的铬含量。虽然这些成分与传统的不锈钢相比表现出部分改善的室温和高温抗拉强度、A5伸长率、疲劳强度以及氧化权重，但是它们没有达到由示例1和示例2所表现出的改善的水平。
特别地，比较示例2具有高于所需范围的铬含量，比较示例8具有高于所需范围的铝含量，比较示例15和16分别具有低于所需范围和高于所需范围的硼含量，并且比较示例18具有高于所需范围的镍含量。在这些比较示例中，虽然测试显示氧化权重低于0.9g/m2，但是依据本文公开的期望的范围，这些比较示例不满足其它期望的性能标准。比较示例2、8、15和16不具有通过根据本公开的示例实施例实现的大于或等于250Mpa的高温抗拉强度。比较示例2、8、15和18不具有通过根据本公开的示例实施例实现的大于或等于95Mpa的疲劳强度。
比较示例6和10分别不具有在所需范围中的铌和钴含量。尽管这些比较示例具有在期望的大于或等于95Mpa的范围中的疲劳强度，但是测试的氧化权重高于本文公开的期望的0.9g/m2限制并且测试的高温抗拉强度低于期望的大于或等于250Mpa的范围。
图3是示出公开的改进的不锈钢的示例实施例根据温度的相变的曲线图。在合金化过程中，当各种组分的量在上述的范围内时，形成各种复合碳化物和复合硼化物。这些复合物导致提高的高温抗拉强度和疲劳强度以及氧化权重的降低。如图3所述，FCC_A1#2表示碳化铌(“NbC”)，Cr2B_ORTH表示复合硼化物诸如(Cr,Fe)2B，M2B_TETR表示复合硼化物诸如(Mo,Cr,W)2B，M23C6表示复合碳化物诸如(Cr,Mo)23C6，并且M3B2表示复合硼化物诸如(Mo,W)3B2。
图4a和图4b示出在传统不锈钢(SUS310)中形成的摩尔分数和碳化物尺寸随退火时间的变化。通过对比，图5a和图5b示出对于如本文所述的示例改进的不锈钢的摩尔分数和碳化物尺寸随退火时间的变化。
如可以从图4a、图4b、图5a和图5b了解到，在传统SUS310不锈钢的情况中，生成大约0.25％(摩尔分数)的碳化物但是其尺寸达到大约200nm的最大限度。另一方面，在改进的不锈钢的示例中，虽然仍生成大约0.25％(摩尔分数)的碳化物，但是对于相同的退火时间，碳化物尺寸大幅降低，12小时后达到大约50nm。较小的碳化物尺寸有助于在高温环境中抗拉强度和疲劳强度的提高和氧化权重的降低。
图6是示出对传统不锈钢(SUS304)的氧化性质的测试结果的图片并且图7是示出对根据本公开的示例实施例的不锈钢的氧化性质的测试结果的图片。如可以从图6和图7了解到，传统不锈钢在氧化权重测量实验期间由于氧化而开裂，而示例没有表现出由于氧化而开裂。
根据本公开的示例实施例，可以通过优化主要合金组分的含量在合金中实现期望水平的复合碳化物和复合硼化物，导致改进的不锈钢在高温环境中具有大于或等于250Mpa的抗拉强度、大于或等于95Mpa的疲劳强度以及小于或等于0.9g/m2的氧化权重。
参照附图和上述的示例实施例描述本发明，但是本发明不限于此并且由所附权利要求限定。在不脱离所附权利要求的技术精神的情况下本发明可以由本领域的技术人员进行各种改变和变型。

Claims (8)

1.一种改进的不锈钢，其在高温下具有优异的耐氧化性，其中所述不锈钢由以下组成：
在0.01和0.2重量％之间的碳；
在0.01和0.1重量％之间的硅；
在0.1和2.0重量％之间的锰；
在12.0和30.0重量％之间的铬；
在0.01和0.5重量％之间的钒；
在0.01和0.5重量％之间的铌；
在0.1和4.0重量％之间的铝；
在0.01和5.0重量％之间的钴；
在0.01和4.0重量％之间的钼；
在0.01和4.0重量％之间的钨；
在0.001和0.15重量％之间的硼；
在5.0和20.0重量％之间的镍；以及
剩余物，其中所述剩余物由铁和少量的杂质组成；
其中组分形成碳化铌、(Cr,Mo)23C6作为复合碳化物和(Cr,Fe)2B作为复合硼化物。
2.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢的结构进一步包括作为复合硼化物的(Mo,Cr,W)2B和(Mo,W)3B2中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述复合碳化物的颗粒尺寸小于或等于50nm。
4.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢在室温以上的温度下具有大于或等于250MPa 的抗拉强度。
5.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢具有大于或等于95MPa 的疲劳强度。
6.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢具有小于或等于0.9g/m2的氧化权重。
7.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢具有在室温以上的温度下大于或等于250MPa 的抗拉强度、大于或等于95MPa 的疲劳强度以及小于或等于0.9g/m2的氧化权重。
8.根据权利要求1所述的改进的不锈钢，其中，所述不锈钢具有大于或等于710MPa 的室温抗拉强度和大于或等于50％的A5伸长率。
CN201710072612.5A 2016-10-12 2017-02-10 在高温下具有优异的耐氧化性的不锈钢 Active CN107937826B (zh)

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