EA027733B1

EA027733B1 - Отливка из дуплексной нержавеющей стали и способ её изготовления

Info

Publication number: EA027733B1
Application number: EA201001571A
Authority: EA
Inventors: Матс Лильяс; Ян Ольссон; Петер Самуельссон; Микаэль Вилльфер
Original assignee: Отокумпу Оюй
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2017-08-31
Also published as: CA2722236A1; AU2009247934B2; FI20080360A0; FI20080360A; ES2797953T3; EP2279276A1; PL2279276T3; FI125458B; TWI490345B; AU2009247934A1; KR20100133487A; CN104988427A; BRPI0912807A2; WO2009138570A1; MX343938B; JP2011523679A; TW200951232A; EA201001571A1; JP5613152B2; MX2010012226A

Abstract

Изобретение относится к отливке из дуплексной нержавеющей стали высокой обрабатываемости и способу ее получения. Предлагаемая отливка является стабильной в отношении образования интерметаллических фаз и микроструктура отливки содержит 30-70 об.% феррита и 30-70 об.% аустенита. При этом отливка включает, мас.%: до 0,05 углерода, до 1 кремния, 4-6 марганца, 21-22 хрома, 1,35-1,7 никеля, до 1 молибдена и/или вольфрама, при соотношении (Mo+W/2) менее 1%, до 1 меди и 0,20-0,26 азота для изменения равновесия фаз, причем остальное составляют железо и неизбежные примеси.

Description

Настоящее изобретение относится к отливке, выполненной из нержавеющей стали, которая содержит дуплексную феррито-аустенитную микроструктуру и которая обладает высокой структурной стабильностью и улучшенным сочетанием свойств, в частности обрабатываемостью и свариваемостью. Изобретение также относится к использованию продукта и к способу изготовления отливки.

Отливки из феррито-аустенитных или дуплексных нержавеющих сталей в общем определяют как сплавы, содержащие смесь феррита и аустенита почти в равной пропорции, в противоположность аустенитным отливкам, которые в основном содержат до 10-15% феррита. Для дуплексных отливок в соответствии со стандартом ΑδΤΜ А890 содержание феррита не определено, но перечисленные сплавы содержат приблизительно от 30 до 60% феррита, причем остальное представляет собой аустенит. При двухфазной структуре могут быть получены интересные сочетания свойств. Первые дуплексные нержавеющие стали были получены почти 80 лет назад и, наиболее вероятно, они появились на основе аустенитных отливок, в микроструктуре которых определенное количество феррита оказалось преимущественным. Фактически, дуплексные композиции обычно показывают лучшие литейные свойства, чем аустенитные. Другими полезными свойствами дуплексных материалов являются высокая механическая прочность, повышенная усталостная прочность, хорошая износостойкость и хорошая коррозионная стойкость. Поэтому как литые, так и кованые продукты находят множество привлекательных применений. Были описаны некоторые композиции на основе дуплексных сплавов с различными оптимизациями. Во многих случаях также литые изделия включены в качестве изделий в патентах, защищающих дуплексные композиции. В последние годы, в связи с сильно возросшей стоимостью сырьевых материалов, особое внимание уделяют снижению содержания никеля и молибдена в сплавах, сохраняя при этом приемлемые свойства.

Полезные свойства дуплексных нержавеющих сталей могут быть достигнуты при соотношении фаз феррита и аустенита от 30 до 70%. Взаимодействия основных легирующих элементов, в частности хрома, азота, никеля и молибдена, являются довольно сложными. Чтобы достичь стабильной дуплексной структуры, которая хорошо переносит обработку и изготовление изделий, необходимо обращать особое внимание на то, чтобы получить правильное содержание каждого из этих элементов. Кроме соотношения фаз, образование вредных интерметаллических фаз при повышенных температурах является второй главной заботой, связанной с дуплексной нержавеющей сталью. Сигма и хи фазы образуются в нержавеющих сталях с высоким содержанием хрома, молибдена и выпадают предпочтительно в феррите. Добавление азота изменяет равновесие фаз благоприятным образом, чтобы избежать образования таких фаз.

υδ 4500351 относится к литой дуплексной нержавеющей стали, где микроструктура отливки включает ферритную матрицу, содержащую по меньшей мере приблизительно 30% аустенита после обработки твердого раствора при температуре 1200°С и быстрого охлаждения при закалке водой, чтобы избежать образование сигма фазы. Отливка содержит, мас.%: приблизительно 0,02 углерода, 24 хрома, приблизительно 9,5 никеля, приблизительно 6 молибдена, приблизительно 0,5 марганца, приблизительно 0,02 кремния и приблизительно 0,25 азота. Отливки по υδ 4500351 используют в деталях насосов, таких как рабочее колесо насоса и корпус, и в деталях клапанов, таких как седло и затвор.

Дуплексная нержавеющая сталь, обладающая хорошим сочетанием свойств в состоянии непосредственно после литья и стойкая к термическому превращению в мартенсит, описана в υδ 4828630. Сталь содержит, мас.%: до 0,07 углерода, от 17 до 21,5 хрома, от 1 до 4 никеля, от 4 до 8 марганца, от 0,05 до 0,15 азота, менее 2 кремния, менее 2 молибдена и менее 1,5 меди. Сталь по этому патенту содержит от 30 до 60% феррита и особенно подходит для тонкостенных отливок для элементов нижней части кузова транспортных средств. Сталь обладает свойствами непосредственно после литья, включающими минимальное удлинение 10, 0,2% предел текучести более 350 Н/мм² (50 тыс. фунтов на кв.дюйм), шероховатость по меньшей мере 30 Н-м (20 футо-фунтов) при температуре 0°С и отсутствие пористости, измеряемой по адсорбции азота.

υδ 6033497 относится к стойким к питтинговой коррозии сплавам из дуплексной стали улучшенной обрабатываемости, содержащим, помимо железа, мас.%: менее 0,1 углерода, 25-27 хрома, 5-7,5 никеля, менее 0,5 молибдена, менее 0,15 азота, менее 1,5 кремния, менее 2,0 марганца, 1,5-3,5 меди. В разделе этого документа, относящемся к предшествующему уровню техники, указано, что обрабатываемость аустенитных нержавеющих сталей может быть улучшена добавлением легирующих элементов, таких как сера и селен, но они могут ухудшить коррозионные свойства. Более того, указано, что добавление меди без молибдена позволяет очень медленно, регулируемым образом, охлаждать сплав дуплексной нержавеющей стали в герметически закрытой печи для термической обработки, чтобы минимизировать вредные остаточные напряжения при растяжении, при сохранении превосходной пластичности и коррозионной стойкости.

В соответствии с υδ 6033497 сорт стали обрабатывают путем ускоренной термообработки в форме после литья, без использования стадии отдельной и медленной термообработки. Сорт стали согласно патенту особенно подходит для отливки центробежным литьем полых цилиндров, и его используют, например, для рубашки отсасывающего вала бумагоделательной машины. Термообработка в форме включает регулирование скорости охлаждения отливки в диапазоне температур от приблизительно 260°С до

- 1 027733 приблизительно 1090°С и поддержание температуры сплава в форме в пределах приблизительно на 450°С выше температуры снаружи формы. Сорт стали обладает улучшенной обрабатываемостью, при обработке в форме после литья путем ускоренной термообработки, по сравнению с таким же составом сплава, который медленно охлаждают регулируемым образом в герметически закрытой печи для термической обработки. Сплав без обработки в форме имеет остаточное напряжение при растяжении номинального внутреннего диаметра 24 МПа, тогда как соответствующая величина для сплава, обработанного в форме после отливки, составляет 52 МПа.

В ЕР 1327008 описана феррито-аустенитная нержавеющая сталь с микроструктурой, которая в основном содержит 35-65 об.% феррита и 35-65 об.% аустенита. Смесь этого сорта стали содержит в качестве основных легирующих элементов, мас.%: 0,02-0,007 углерода, 19-23 хрома, 1,1-1,7 никеля, 0,15-0,30 азота, 3-8 марганца, при необходимости, молибдена и/или меди менее 1. Сталь по этому патенту выпускает Ои1окитри под торговой маркой ЬОХ 2101® и кованые продукты хорошо востребованы на рынке.

Отливки из дуплексной нержавеющей стали в основном проявляют хорошие литейные свойства. Однако существует риск образования пор, заполненных газообразным азотом, в ходе затвердевания, вследствие ограниченной растворимости азота в ферритовой фазе, которая обычно затвердевает из расплава стали с составом сплава дуплексной нержавеющей стали. В общем можно утверждать, что большинство отливок из нержавеющей стали подвергают различным видам механической обработки, которые включены в систему, где предполагают применение отливок. В этом отношении дуплексные нержавеющие стали считаются более трудно обрабатываемыми, чем, например, аустенитные нержавеющие стали. Такое поведение объясняется более высоким уровнем прочности сталей дуплексного типа. Добавление углерода и азота увеличивает прочность и степень деформационного упрочнения стали и, поэтому, следует сохранять низкие концентрации этих компонентов для достижения хорошей обрабатываемости. Однако современные дуплексные нержавеющие стали сплавляют при высоком содержании азота для хорошей свариваемости, и наилучшие свойства свариваемости достигают за счет ухудшения обрабатываемости.

Одним из практических применений, в которых используют литые или кованные дуплексные нержавеющие стали, является стальная оболочка отсасывающего вала бумагоделательной машины. Одним из важных свойств материала для этого применения также является обрабатываемость, поскольку литые или кованные стальные оболочки подвергают значительной механической обработке для получения конечных отсасывающих валов. Как указано в связи с И8 6033497, одним из способов улучшения обрабатываемости является добавление серы или селена, однако эти элементы снижают коррозионные свойства.

В \УО 2006/041344 описана стальная оболочка для вала насоса бумагоделательной машины, в которой кованую сталь марки ЬОХ 2101® по ЕР 1327008 используют без добавления серы. Более того, не выполняют никакой обработки, улучшающей обрабатываемость, и возможное добавление меди и молибдена заметно меньше по сравнению с И8 6033497.

§сйтатт с1 а1. в опубликованном докладе Ьеап Оир1ех 5>1ат1е58 δίοοίκ Гог Ритр Аррйсайоиз, δίαίη1е88 81ее1 \Уог1б 2007 СоиГегеисе, МаазМсШ. 6-8 ЫоуетЬет 2007, представили результаты изучения низколегированных дуплексных материалов для конкретного применения в насосах. На основе сплава отливка 2101 изготавливали литые бруски со следующим составом, мас.%: 0,028 углерода, 0,97 кремния, 5,04 марганца, 0,011 фосфора, 0,004 серы, 20,73 хрома, 0,31 молибдена, 1,73 никеля, 0,20 азота и 0,30 меди. В результате для сплава отливка 2101 после отпуска на твердый раствор и закаливания в воде §сйтатт е1 а1. указывают, например, значения 473 МПа для 0,2% предела текучести и 37,3% для удлинения А5. Что касается коррозионных свойств, §сйтатт е1 а1. указывают, что сплав отливка 2101 имеет потенциал возникновения питтинговой коррозии ниже, чем для сплава 2304 со следующим составом, мас.%: 0,024 углерода, 0,64 кремния, 1,32 марганца, 0,015 фосфора, 0,001 серы, 22,50 хрома, 0,28 молибдена, 4,92 никеля, 0,09 азота и 0,26 меди. Однако §сйтатт е1 а1. не сообщают никакой информации по применимости этого сплава отливка 2101 в требуемой области применения.

Целью настоящего изобретения является устранение некоторых недостатков известного уровня техники и получения отливки из дуплексной нержавеющей стали, которая по способу изготовления отливки является достаточно стабильной в отношении образования вредных выпадающих в осадок фаз, таких как интерметаллическая фаза, и которая по свойствам обладает сочетанием высокой прочности и хорошей коррозионной стойкости, хорошими литейными свойствами и высокой обрабатываемостью. Существенные признаки изобретения представлены в прилагаемой формуле изобретения.

Настоящее изобретение относится к продукту из нержавеющей стали, предпочтительно к отливке из нержавеющей стали высокой обрабатываемости, включающему, мас.%: до 0,07 углерода, до 2 кремния, более 3 и до 8 марганца, более 19 и до 23 хрома, более 0,5 и до 1,7 никеля и более 0,15 и до 0,30 азота. Сплавы, используемые при получении отливки из дуплексной нержавеющей стали с указанными выше пределами концентраций элементов могут содержать небольшое количество других элементов или примесей и возможно такие элементы, как медь - до 1%, молибден и/или вольфрам в общем количестве до 1%, при соотношении (Мо+1/2^) менее 1%, причем остальное представляет собой железо и неизбеж- 2 027733 ные примеси. Микроструктура отливки из дуплексной нержавеющей стали по изобретению содержит 30-70 об.% феррита и 30-70 об.% аустенита. Также изобретение относится к способу литья для получения отливки и к применению отливки.

При изготовлении крупных отливок из нержавеющей стали важно получить микроструктуру, которая является достаточно устойчивой в отношении образования вредных выделяющихся фаз, таких как интерметаллическая фаза, поскольку такие фазы отрицательно влияют на свойства. Для этой цели предпочтительной является низколегированный, сбалансированный дуплексный состав отливки по изобретению. Предпочтительно микроструктура дуплексной нержавеющей стали изобретения содержит 50 об.% феррита и 50 об.% аустенита.

Другим важным свойством стальных отливок является простота выполнения ремонтной сварки. Помимо хороших литейных свойств, отливка по изобретению обычно имеет весьма хорошую сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке. Если необходима ремонтная сварка, в большинстве случаев необходимо осуществлять термическую обработку после сварки, так как металл сварного шва и зона теплового воздействия легко подвергаются быстрому охлаждению, из-за того, что небольшая сварочная зона окружена большим участком отливки. Это может привести к микроструктуре с высоким содержанием феррита, которая является чувствительной к образованию трещин, и снижению свойств, поэтому необходимо проводить термообработку. По этой причине предпочтительным является состав дуплексной нержавеющей стали по изобретению, имеющий высокую степень преобразования аустенита в ходе быстрых термических циклов, таких как сварка. Для получения такой особенности целесообразно иметь высокое содержание азота в отливке из дуплексной нержавеющей стали по изобретению.

Отливка из дуплексной нержавеющей стали по изобретению преимущественно содержит, мас.%: предпочтительно до 0,05 углерода и более предпочтительно до 0,03 углерода, предпочтительно до 1 кремния, предпочтительно более 4 и до 6 марганца, предпочтительно более 21 и до 22 хрома, предпочтительно более 1,1 и до 1,7 никеля и более предпочтительно от 1,35 до 1,7 никеля и предпочтительно более 0,20 и до 0,26% азота и, при необходимости, до 1 меди, до 1 молибдена и/или вольфрама, при соотношении (Мо + 1/2^) менее 1%, причем остальное представляет собой железо и неизбежные примеси.

Изобретение описано далее более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

на фиг. 1 представлены результаты сравнительных испытаний обрабатываемости отливки по изобретению и аустенитной нержавеющей стали известного уровня техники, на фиг. 2 представлена микроструктура после имитационной ремонтной сварки отливки по изобретению.

Отливку из дуплексной нержавеющей стали по изобретению испытывали на обрабатываемость и свариваемость, особенно при ремонтной сварке.

Для испытаний по обрабатываемости изготавливали отливку со следующим химическим составом в мас.%, представленным в табл. 1.

Таблица 1

С	5ί	Мп	Р	3	Сг	Νί	Мо	Си	N
0,026	0,76	4,93	0,021	0,001	21,37	1,44	0,23	0,34	0,226

Литую заготовку квадратного сечения 140 мм подвергали различным испытаниям в состоянии непосредственно после литья без какой-либо предварительной обработки. Механические свойства отливки представлены в табл. 2.

Таблица 2

Предел текучести Рро.2 МПа	Предел прочности на ! растяжение Нт МПа	Удлинение при ^! разрушении А5, %
451	634	40 У

Уровень прочности намного выше, чем у литых аустенитных изделий, которые обычно имеют предел текучести приблизительно 200 МПа и предел прочности на растяжение приблизительно 500 МПа. Испытания на обрабатываемость проводили путем токарной обработки цилиндрических испытательных образцов, и результаты представлены на фиг. 1. На чертеже представлена допустимая скорость резания для ресурса стойкости инструмента 15 мин при токарной обработке. Режущая пластина инструмента была твердосплавного типа. Обрабатываемость отливки согласно изобретению превосходит обрабатываемость аустенитных сталей типа 304Ь. Это является неожиданным результатом, поскольку считается, что аустенитная сталь обладает лучшей обрабатываемостью.

Дальнейшие испытания осуществляли с отливкой по настоящему изобретению, которую изготавливали со следующим химическим составом, в мас.%, представленным в табл. 3.

Таблица 3

С	3Ϊ	Мп	Р	3	Сг	Νί	Мо	Си	N
0,024	0,69	4,89	0,020	0,001	21,45	1,60	0,20	0,25	0,230

- 3 027733

Из отливки толщиной сечения 140 мм вырезали квадратные образцы 30 мм толщиной и образцы подвергали имитационной ремонтной сварке с использованием дуговой сварки плавящимся электродом в защитной атмосфере. Базовый металл находился в состоянии непосредственно после литья. На образце были сделаны канавки и затем их заполняли с помощью сварки с использованием наполнителя, подходящего для данного сплава. Энергия дуги составляла от 0,7 до 0,8 кДж/мм. На полученных сварочных швах отсутствовали трещины и они имели нормальную микроструктуру также в зоне теплового воздействия. Это показано на фиг. 2.

Отливки в соответствии с настоящим изобретением могут быть отлиты с помощью различных способов литья, таких как центробежное литье, литье в кокиль, литье в матрицу, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением, литье в постоянные формы, литье в землю и вакуумное литье. Литейные свойства являются хорошими, при отсутствии склонности к образованию трещин и пор, несмотря на высокое содержание азота. Это происходит благодаря высокому содержанию марганца, 3-8%, в стали и предпочтительно можно использовать содержание марганца в диапазоне 4-6%. Отливки предпочтительно отпускают на твердый раствор при температуре от 1020 до 1100°С с последующим быстрым охлаждением. Однако сечение тонкого профиля может быть использовано в состоянии непосредственно после литья. Хотя микроструктура не является свойством, которое легко точно измерить, настоящее изобретение обеспечивает приблизительно равное количество аустенита и феррита, причем приемлемый диапазон содержания фаз составляет от 30 до 70%. Более того, микроструктура обладает высоким сопротивлением выпадению интерметаллических фаз, что, в свою очередь, дает низкую чувствительность к охрупчиванию. Отливки по настоящему изобретению показывают превосходную обрабатываемость в состоянии после литья, а также в условиях отпуска на твердый раствор.

Таким образом, дуплексные отливки по настоящему изобретению являются желательной и недорогой альтернативой аустенитным литым материалам, благодаря их высокой обрабатываемости, высокой прочности и хорошей свариваемости. Отливки по настоящему изобретению могут быть особенно полезны при использовании в различных конструкциях и деталях для насосов, клапанов, колес насосов, где требуется сочетание высокой обрабатываемости, высокой прочности и хорошей свариваемости отливок, в условиях непосредственно после литья или после какой-либо дополнительной обработки, такой как отпуск на твердый раствор и закалка.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Отливка из дуплексной нержавеющей стали высокой обрабатываемости, которая является стабильной в отношении образования интерметаллических фаз, где микроструктура отливки содержит 30-70 об.% феррита и 30-70 об.% аустенита и отливка включает, мас.%: углерод - до 0,05, кремний - до 1, марганец - 4-6, хром - 21-22, никель - 1,35-1,7, молибден и/или вольфрам - до 1 при соотношении (Мо+^/2) менее 1%, медь - до 1 и азот - 0,20-0,26, для изменения равновесия фаз, причем остальное составляет железо и неизбежные примеси.
2. Отливка из дуплексной нержавеющей стали по п.1, отличающаяся тем, что она содержит до 0,03% углерода.
3. Применение отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2 для получения клапанов.
4. Применение отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2 для получения колес насосов.
5. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают центробежным литьем.
6. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем в кокиль.
7. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем в матрицу.
8. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем по выплавляемым моделям.
9. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем под давлением.
10. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем в постоянные формы.
11. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают литьем в песчаные формы.
12. Способ получения отливки из дуплексной нержавеющей стали с высокой обрабатываемостью по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что отливку получают вакуумным литьем.