FI71580B - Anvaendning av tvao-fasigt rostfritt gjutstaol med hoeg korrosionsutmattningshaollfasthet - Google Patents

Description

1 71580

Korkean korroosioväsymisluujuuden omaavan kaksifaasisen ruostumattoman valuteräksen käyttö - Användning av tvä-fasigt rostfritt gjutstäl med hög korrosionsutmattningshSllfasthet

Keksinnön kohteena on korkean korroosioväsymislujuuden omaavan kaksifaasisen ruostumattoman valuteräksen käyttö paperinval-mistusvalssien, kemian laitteiden, pumpun osien ja meriveden käsittelylaitteiden materiaalina.

Rakenteeltaan kaksifaasiset ferriittis-austeniittiset ruostumattomat valuteräkset tunnetaan materiaaleina, jotka raktenteellis-ten ominaisuuksiensa ansiosta erottuvat muista 0,2-rajojensa ja korroosion kestävyyden suhteen, ja joita käytetään laajasti koneiden osissa, joissa vaaditaan korroosion kestävyyttä ja tiettyjä 0,2-rajoja. Kuitenkin tavanomasten materiaalien kuten Japanese Industrial Standardin (josta seuraavassa käytetään lyhennettä JIS) mukaiset laadut SCS 11 (25Cr-5Ni-2Mo) tai JIS SCS 14 (18Br-12Ni-2,5Mo) eivät ole korroosioväsymislujuuden suhteen riittäviä korrodoivassa atmosfäärissä, joka sisältää klooria, ja materiaalin huononeminen kiihtyy käytön varhaisessa vaiheessa, kun materiaalia käytetään toistuvien jännitysten alaisena ja tällöin materiaalin stabiliteetti ei ole riittävä käytettäessä sitä rakenneosissa.

Siten tavanomaisilla materiaaleilla on ongelmia kestävyyden ja stabiliteetin suhteen, kun niitä käytetään sovellutuksissa, joissa vaaditaan korkeaa korroosioväsymislujuuuta yhdessä hyvän korroosiokestävyyden ja korkeiden 0,2-rajojen kanssa, kuten paperin valmistusprosessissa käytettävissä imuvalsseissa, meri-vesipumpuissa tai muissa kemian laitteissa.

Tämän keksinnön tehtävänä on tarjoja ferriittis-austeniittinen ruostumaton valuteräs, jolla on parannettu korrosioväsymislujuus 2 71580 ja erinomainen korroosion kestävyys yhdessä kohonneiden 0,2-rajojen kanssa materiaaliksi paperikoneiden imuvalsseille, kemianlaitteelle, pumpu osiin ja meriveden käsittelylaitteisiin, joita käytetään korrodoivassa ympäristössä, joka sisältää kloori-ioneja.

Erityisesti oheinen keksintö tarjoaa kaksifaasisen ruostumattoman valuteräksen, joka sisältää korkeintaan 0,2 % C (tässä kuten jatkossakin on kyseessä paino-%), korkeintaan 2,0 % Si, korkeintaan 2,0 % Mn, 22,0 - 27,0 % Cr, 5,0 - 9,0 % Ni, 1,1 - 2,5 % Mo, 0,5 - 2,5 % Cu, 0,5 - 2,0 % Co, 0,5 - 2,0 % V ja muun osan muodostaa pääasiallisesti Fe ja väistämättä esiintyvät epäpuhtaudet.

Oheinen keksintö sisältää yhtä tai useampia seuraavista komponenteista 0,05 - 2,0 % Nb ja/tai Ta ja 0,01 - 0,5 % Ti yllä mainittujen komponenttien lisäksi, mikäli tarpeen, jotta edelleen parannettaisiin materiaalin ominaisuuksia.

Oheisen keksinnön mukaisella ruostumattomalla teräksellä on korkea korroosioväsymislujuus ja erinomainen korroosion kestävyys.

Oheisen ruostumattoman valuteräksen kemiallisten komponenttien pitoisuuksien määrittämisen syytä selvitetään ykstyiskohtaisesti seuraavassa. (Kaikki prosentit tarkoittavat painoprosentteja).

C: korkeintaan 0,1 % C on voimakas austeniittia muodostava tekijä ja se lujittaa matriisia, kun se tuodaan austeniittiseen faasiin jähmeän liuoksen muodossa. Kuitenkin C-pitoisuuden kasvaessa karbiidit muodossa Cr23C6 kuluttavat kromia, joka on tärkeä parannettaessa korroosion kestävyyttä, saaden siten aikaan hengityksen korroo-siokestävyyden. Sitä paitsi runsas karbiidien erkautuminen 3 71580 heikentää sitkeyttä. Siten C-pitoisuuden tulee olla korkeintaan 0,1 %. Koska suurikoikoisia, paksuseinäisiä terästuotteita valettaessa kuluu runsaasti aikaa ennen kuin sulan teräksen jähmettyminen on päättynyt, voi karbiidien erkautuminen helposti voimistua jähmettymisprosessin ansiosta. C-pitoisuus on sen vuoksi sopivimmin korkeintaan 0,05 % valettaessa yllä mainittuja valuterästuotteita. Pitoisuuden alarajalla on ainoastaan jälkiä hiilestä, jotta voidaan havaita vähäinen austeniitin muodos-tumisvaikutus.

Si: korkeintaan 2,0 %

Si on voimakas pelkistin ja se parantaa myös valettavuutta. Suuret Si-pitoisuudet johtavat kuitenkin materiaalin ominaisuuksien huonontumiseen, kuten haurauteen. Si-pitoisuuden yläraja on siten 2,0 %. Pitoisuuden alarajalla tulee olla ainoastaan jälkiä piistä, jotta saataisiin aikaan havaittavissa oleva pelkistysvaikutuksen lisäys tai valuominaisuuksien parannus.

Mn: korkeintaan 2,0 %

Mn on voimakas pelkistin ja rikinpoistaja ja se parantaa myös valettavuutta. Suuret Μη-pitoisuudet heikentävät kuintenkin korroosion kestävyyttä. Mn-pitoisuuden yläraja on siten 2,0 %. Pitoisuuden alarajalla tulee olla ainoastaan jälkiä mangaanista, jotta saataisiin aikaan havaittavissa oleva pelkistysvaikutuksen lisäys tai rikin poisto-ominaisuuksien tai valuominaisuuksien parannus.

Cr: 22,0 - 27,0 %

Cr on ferriittiä muodostava aine ja se on välttämätön perusaine ferriittifaasin muodostamisen avulla tapahtuvassa lujuuden lisäämisessä ja ruostumattoman teräksen korroosiokestävyyden saavuttamiseksi. Pitoisuuden on oltava vähintään 22,0 %, jotta varmistettaisiin suuri lujuus ja hyvä korroosion kestävyys. Vaikkakin yllä mainitut ominaisuudet paranevat pitoisuutta 4 71580 lisättäessä, heikkenee sitkeys suuremmilla pitoisuuksilla. Sen vuoksi ylärajaksi on asetettu 27,0 %.

Ni: 5,0 - 9,0 %

Ni on austeniittia muodostava aine ja se parantaa havaittavasti sitkeyttä ja korroosion kestävyyttä. Sen pitoisuus on tasapainotettava kromin kanssa, jotta määrättäisiin kaksifaasisen rakenteen ferriitin määrä ja austeniitin määrä. Oheisessa keksinnössä erinomaisten ominaisuuksien kuten hyvän korroosion kestävyyden, hyvän sitkeyden ja suuren lujuuden saavuttamiseksi sopivalla näiden kahden faasin määrällisellä tasapainottamisella, on Ni-pitoisuus säädetty välille 5,0 - 9,0 %, mikä on suhteessa Cr-pitoisuuteen.

Mo: 1,1-2,5%

Mo parantaa suuresti korroosiokestävyyttä, erityisesti rako-korroosion ja kuoppakorroosion kestävyyttä, jos pitoisuus on alle 1,1 %, on sen vaikutus riittämätön. Jos pitoisuus on yli 2.5 %, voi materiaali huonontua sitkeyden alenemisen ja σ-faasin erkautumisen lisääntymisen vuoksi. Siten Mo-pitoisuus on rajoitettava välille 1,1 - 2,5 %.

Cu: 0,5 - 2,5 %

Cu lujittaa matriisia, kun se tuodaan austeniittiseen faasiin jähmeän liuoksen muodossa, ja siten se parantaa teräksen lujuutta ja myös korroosion kestävyyttä ei-hapettavien happojen suhteen. Näiden vaikutusten saavuttamiseksi vaaditaan vähintään pitoisuutta 0,5 %. Suuret pitoisuudet voivat aiheuttaa materiaalin ominaisuuksien heikkenemistä kuten haurautta metalli-komponenttien erkautumisen vuoksi. Siten ylärajaksi on asetettu 2.5 %.

5 71580

Co: 0,5 - 2,0 %

Co lujittaa matriisia, kun se tuodaan austeniittiseen faasiin jähmeän liuoksen muodossa, ja siten se lisää teräksen lujuutta ja samalla parantaa korroosioväsymislujuutta. Co-pitoisuuden ollessa alle 0,5 % ei vaikutus ole riittävä, kun taas pitoisuuksilla yli 2,0 % ei saavuteta vastaavaa ominaisuuksien paranemista. Co-pitoisuus on siten välillä 0,5 - 2,0 %.

V: 0,5 - 2,0 %

Vanadiinin avulla saadaan pieni raekoko ja se parantaa myös lujuutta ja korroosioväsymislujuutta. Vaikutukset eivät ole riittäviä, jos pitoisuus on alle 0,5 %, ja vaikutukset kasvavat pitoisuuden kasvaessa kunnes muutos lähes tasoittuu pitoisuudella 2,0 %. V-pitoisuus on siten välillä 0,5 - 2,0 %.

Oheisen keksinnön mukainen ruostumaton valuteräs voi yllä mainittujen aineiden lisäksi sisältää yhtä tai useampaa seuraavista aineista: Nb ja/tai Ta ja Ti.

Nb ja/tai Ta: 0,05 - 2,0 %

Nb sitoo hiilen teräkseen, koska sillä on suuri affiniteetti hiilen suhteen, ja parantaa korroosiokestävyyttä, erityisesti korroosiokestävyyttä raerajoilla estämällä karbiidien kuten Cγ23^£ erkautumisen. Nb lisää myös teräksen hienorakeisuutta. Vaikutukset eivät ole riittäviä Nb-pitoisuuden ollessa alle 0,05 %. Toisaalta pitoisuuksien ollessa yli 2,0 % ei saavuteta vastaavaa ominaisuuksien paranemista. Tavallisesti Nb väistämättä sisältää tantaalia (Ta), jolla on sama vaikutus kuin niobilla (Nb). Siten niobi voidaan korvata tantaalilla. Jos niobi sisältää tantaalia on niiden yhteismäärän oltava välillä 0,05 - 2,0 %.

6

Ti :0,01-0,5% 71580

Ti yhtyy hiileen ja estää Cr23Cg:n erkautumisen, parantaen siten raerajakorroosiokestävyyttä ja sillä on myös hienorakeisuutta edistävä vaikutus. Jos Ti-pitoisuus on alle 0,01 %, ei riittävää vaikutusta saada aikaan. Pitoisuuden 0,5 % ylittäminen sitävastoin tasoittaa vaikutukset ja sitkeys voi huonontua. Ti-pitoisuus on siten välillä 0,01 - 0,5 %.

Fosforin, rikin ja muiden väistämättä teolliseen tuoteprosessiin sekoittuvien epäpuhtauksien pitoisuuksien tulee olla mahdollisimman alhaisia. Kuitenkin niiden tavanomaisesti esiintyvät pitoisuudet voidaan hyväksyä. Jos esim. rikin pitoisuus on korkeintaan 0,04 % ja fosforin pitoisuus korkeintaan 0,04 % ei keksinnön mukainen rakenne heikkene.

Seuraavassa on oheisen keksinnön mukaisen teräsmateriaalin ominaisuuksia selostettu viitaten esimerkkiin.

Esimerkki

Seokset, joiden koostumus on esitetty taulukossa 1, sulatettiin, valettiin, kuumennettiin 2 tuntia lämpötilassa 1100°C ja sammutettiin näytteiden aikaansaamiseksi. Kustakin näytteestä mitattiin 0,2 - raja, vetolujuus, venymä, iskusitkeys, korroo-sioväsymislujuus ja kuoppakorroosion estopotentiaali. Mittausten tulokset on esitetty taulukossa 2.

0,2 - raja ilmaisee jännitystä, jonka vallitessa syntyy veto-kokeessa 0,2 %:n pysyvä venymä.

Iskusitkeysarvo mitattiin Charpyn iskusitkeyden testauslaitteel-la standardissa JIS määritellyllä koekappaleella no 4.

Korroosioväsymislujuus mitattiin Onon pyörivällä taivutusväsymis-lujuusmittauslaitteella korrodoivassa liuoksessa (pH 3,5), joka sisälsi kloori-ioneja (Cl-) 1000 ppm ja sulaatti-ioneja (S04 ) 7 71580 250 ppm. Taulukossa 2 mainitut tulokset viittaavat kestävyys- 2 8 rajaan (kg/mm ) kuormanvaihtoluvun ollessa kokeen aikana 10 .

Kuoppakorroosion estopotentiaali (V, SCE) esittää kuoppakorroo-siokestävyyttä, joka viittaa alkuperäisen polarisaatiokäyrän leikkauskohdan potentiaaliin, kun palataan taaksepäin sen jälkeen kun on noustu arvoon +2 V, SCE nopeudella 240 s/V samassa korrodoivassa liuoksessa kuin yllä mainitussa kokeessa. Mitä suurempi tämä potentiaali on sitä parempi on korroosioväsymis-lujuus.

Näytteet 1-3 ovat keksinnön mukaisia valuteräksiä ja näytteet 10 - 12 ovat keksinnön kanssa vertailtavia valuteräksiä. No 11 on tavanomaisesti käytetty materiaali, joka vastaa laatua JIS SCS 11 ja no 12 on tavanomaisesti käytetty materiaali, joka vastaa laatua JIS SCS 14.

Kuten näistä tuloksista ilmenee on keksinnön mukaisilla valu-teräksillä huomattavasti parempi korroosioväsymislujuus kuin vertailuteräksillä korrodoivassa ympäristössä, joka sisältää kloori-ioneja, ja kuoppakorroosion kestävyys, joka on esitetty kuoppakorroosion estopotentiaalin avulla, on erittäin paljon parempi verrattuna näytteiden 10 ja 11 vertailuteräksiin. Mekaanisten ominaisuuksien kuten 0,2 - rajan, vetolujuuden, venymän ja iskusitkeyden suhteen keksinnön mukaiset teräkset olivat tasavertaisia tai parempia kuin vertailuteräkset otettaessa huomioon lujuus ja sitkeys. Tämä merkitsee sitä, että keksinnön mukaisen teräksen erinomaiset ominaisuudet voidaan saavuttaa ainoastaan silloin, kun yllä mainitut aineet ovat yhteisesti läsnä yllä määriteltyinä pitoisuuksina kaksifaasises-sa ferriittis-austeniittisessa ruostumattomassa valuteräksessä, jonka peruskomponentit muodostaa Fe-Cr-Ni.

Siten oheisen keksinnön mukaiset kaksifaasiset ruostumattomat valuteräkset ovat erinomaisia korroosiokestävyyden, lujuuden, sitkeyden ja korroosioväsymislujuuden suhteen ja varmistavat 8 71580 stabiilisuuden ja kestävyyden, jotka ylittävät tavanomaisten materiaalien arvot koneiden ja laitteiden osina, joissa kaikkia yllä mainittuja materiaaliominaisuuksia tarvitaan samanaikaisesti, kuten paperin valmistusvalsseissa, kemian laitteiden materiaaleissa, pumpun osissa ja meriveden käsittelylaitteiden materiaaleissa .

Keksintöä ei ole rajattu edellä esitettyyn selostukseen, vaan ammattimies voi helposti muunnella sitä poikkeamatta kuitenkaan keksinnön hengestä. Tällaiset muunnokset kuuluvat siten keksinnön piiriin.

9 71580 keksinnön vertailu- mukainen teräs teräs co o vo

VD E LO LO

> I I

o o o o oo m co cn O 00 O- O 0- CJ - - - ' l l o o o Π3 C in m (m in H 3 r~~ lo m r~-

0) U ·· - - - I I

4-1 O O r- O

4-1 c

OJ

in cm o o o- o r·· O o in co e~^ cm n U S......

Qj t— i— r- O »— CM

O

C

H

ro σι cm o co o ro CL, ci *- m m i" cm o m m vo co m o

3 CM CM CM CM CM CM

e 4-1 en o o oo γ-~ o το h co cm <— cm m in 0 Z *-*'* v y io oo m oo o

C

Φ c "3· CO in r- O CT»

-rH r- r— i— *— l— O

i—} o o o o o o r-l W ~ ^ - ro o o o o o o

•H

e <u y n r- o in o οί t- t— CM CM CM το; o o o o o o a) a, - * ^ tJ o o o o o o 0) 4-1

4J ΟΛ 00 O I— ID O

>, £ M3 00 O LO 00 <T

:r0 >7 ' ~ ~ ' Z O o <— O O o r— ro o cm CT o vo

o -h M3 CO 1— MO CM <T

y co - ' y o o t— o «— o 3

i-H

3 rO m ^ C' oo vo co IH o o o o o o CJ ' - - - ' o o o o o o

O «— CM CO O «— CM

53 10 71 580 keksinnön vertailu- mukainen teräs H teräs G Ή 0 nj ------- H G '—' t co HW'd'^oor^Lnin GO 4-> (J CN CN CN O O C\)

OjO q ui ' CXMOd) r- <- T- O O <— O G -P 4-i 3 O in o > x x o a — o •H | —

en tn (N

O-HOTgin o r4 o o O g 3 E - G >i 3 \ m ττ ττ <— σν r-· GCO-r-itT''— T- Γ- T-

O :G P X

X > r-i tn >1 —

(D CN

X E

4->υ O VO 00 VO O *3· •H '*'>*. ·» s s s s s

W E 00 VO CO VO 00 VO

P r~ r- CN

λ; tn

tn X

•H

:G O o Ti o vo ro E *· - ·· ·* *· - >1 —- 00 CN CO 00 00 *— β # cn ro m cn m "3· 0) — > cn

44 P

<D P — in ·π cn M 3 £| CN r— O CN »- »- rH O ^ vo oo oo vo *3* P 44 !ji CO VO VO VO VO ιΓ>

44 (U X

0) > — o

• G

(N -r-l G ·—

O G CN

X E ro vo cn ro r~~ ro

X IS

G \ o cn ro o no ^ rH (N 51 LO LO LO lD tj* cv! 3 - pq G o —

EH

o T- CN ro O T- CN

2 r- r- r-

Claims (3)

71 580

1. Korkean korroosioväsymislujuuden omaavan kaksifaasisen ruostumattoman valuteräksen käyttö paperinvalmistusvalssien, kemian laitteiden, pumpun osien ja meriveden käsittelylaitteiden materiaalina, tunnettu siitä, että se oleellisilta osiltaan koostuu seuraavista komponenteista seuraavine painoprosentteina ilmaistuine pitoisuuksineen: 0 < C < 0,1, 0 < Si < 2,0, 0 < Mn ± 2,0, Cr 22,0 - 27,0, Ni 5,0 - 9,0, Mo 1,1-2,5, Cu 0,5-2,5, Co 0,5-2,Oja V 0,5 - 2,0, jolloin muun osan muodostaa pääasiallisesti Fe ja väistämättä esiintyvät epäpuhtaudet.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaksifaasisen ruostumattoman valuteräksen käyttö, tunnettu siitä, että se lisäksi sisältää ainakin yhtä seuraavista komponenteista painoprosentteina ilmaistuine pitoisuuksineen: Nb ja/tai Ta 0,05 - 2,0 Ti 0,01 - 0,5.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kaksifaasinen ruostumattoman valuteräksen käyttö, tunnettu siitä, että C-pitoisuus on korkeintaan 0,05 paino-%.