FI94964C

FI94964C - Stainless steel

Info

Publication number: FI94964C
Application number: FI925178A
Authority: FI
Inventors: Jari Liimatainen; Matti Pyysalo; Kari Vierimaa; Kai Laitinen
Original assignee: Rauma Oy
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1995-11-27
Also published as: FI925178A; FI925178A0; FI94964B

Description

1 949641 94964

RUOSTUMATON TERÄSSTAINLESS STEEL

Keksintö kuuluu metallurgian alaan ja kohdistuu lujaan, kulumista ja korroosiota kestävään ruostumattomaan teräkseen. Teräs soveltuu käytettäväksi valettuna, muokattuna, pulveri-5 metallurgisena, termisesti ruiskutettuna tai päällehitsattuna materiaalina.The invention belongs to the field of metallurgy and is directed to high-strength, wear- and corrosion-resistant stainless steel. The steel is suitable for use as a cast, shaped, powder-5 metallurgical, thermally sprayed or welded material.

Perinteisten ruostumattomien terästen ongelmana on heikko kulumiskestävyys sekä taipumus tahmautumiseen metalli-metal-liliukumiskontakteissa. Lisäksi niiden syöpymiskestävyys on 10 riittämätön monissa olosuhteissa esim. puunjalostus-, öljyjä kaasu- ja kemianteollisuuden prosessiympäristöissä sekä tietyissä hapoissa.The problem with traditional stainless steels is poor wear resistance and the tendency to stick in metal-to-metal slip contacts. In addition, their corrosion resistance is insufficient in many conditions, e.g. in wood processing, oils in process environments in the gas and chemical industries, and in certain acids.

Patenttijulkaisusta US-4341555 tunnetaan eräs ruostumaton teräs, jossa erityisesti syöpymiskestävyyttä on pyritty pa-15 rantamaan. Ko. julkaisun patenttivaatimuksen 1 mukaan terästen seosaineiden koostumukset ovat painoprosentteina seuraa-vat: C max 0,06 %, Μη 0,2 - 2,5 %, Cr 21,5 - 24,5 %, Ni 12 -16 %, N 0,20 - 0,35 %, Si 0,4 - 0,7 %, Mo 2 - 4, P max 0,06 %, S max 0,04 % ja Cb 0,1 - 0,6 %.U.S. Pat. No. 4,341,555 discloses a stainless steel in which efforts have been made in particular to improve corrosion resistance. Ko. According to claim 1, the compositions of the steel alloys are as follows by weight: C max 0.06%, Μη 0.2 to 2.5%, Cr 21.5 to 24.5%, Ni 12 to 16%, N 0.20 - 0.35%, Si 0.4 - 0.7%, Mo 2 - 4, P max 0.06%, S max 0.04% and Cb 0.1 - 0.6%.

20 Myös koboltti- ja nikkelipohjäisiä kulumiskestäviä teräk siä käytetään. Ne ovat kuitenkin kalliita ja niiden valmistusteknologia (esim. valaminen ja koneistus) on erittäin vaikeaa .20 Cobalt- and nickel-based wear-resistant steels are also used. However, they are expensive and their manufacturing technology (e.g. casting and machining) is very difficult.

Nyt on keksitty patenttivaatimuksen 1 mukainen teräs. Sen 25 eräitä edullisia sovellutuksia esitetään muissa vaatimuksissa.A steel according to claim 1 has now been invented. Some of its preferred applications are set out in the other claims.

Tämän keksinnön mukaisesti on aikaansaatu erittäin hyvin kulumista, syöpymistä ja erityisesti tahmautumista kestävä teräs. Lisäksi teräksen piste- ja rakokorroosionkestävyys 30 sekä eroosio- ja kavitaatiokestävyys on merkittävästi parempi perinteisiin ruostumattomiin teräksiin verrattuna.According to the present invention, a steel which is very resistant to wear, corrosion and, in particular, to sticking is provided. In addition, the pitting and crevice corrosion resistance of the steel 30 as well as the erosion and cavitation resistance are significantly better compared to conventional stainless steels.

Teräs soveltuu käytettäväksi esimerkiksi puunjalostus-, kemian- sekä öljy- ja kaasuteollisuuden prosessilaitteissa kuten venttiileissä ja pumppujen osissa, tiivisteissä ja 35 laakereissa.The steel is suitable for use in, for example, process equipment in the wood processing, chemical and oil and gas industries, such as valves and pump parts, seals and 35 bearings.

Keksinnön mukaiselle teräkselle on ominaista seuraava seosainekoostumus 94964 2The steel according to the invention is characterized by the following alloy composition 94964 2

Cr 15 - 25 p-%, parhaiten 17 - 23 p-%Cr 15 - 25% by weight, preferably 17 - 23% by weight

Mo 1,5 - 5 " " 2 - 4 "Mo 1.5 - 5 "" 2 - 4 "

Ni 7-15 " " 10 - 12 "Ni 7-15 "" 10 - 12 "

Si 3 - 10 " " 3,5 - 6 " 5 Mn 6 - 15 " " 8-10 " N 0,1 - 0,35 " " 0,15 - 0,25 "Si 3 - 10 "" 3.5 - 6 "5 Mn 6 - 15" "8-10" N 0.1 - 0.35 "" 0.15 - 0.25 "

Lisäksi teräkseen voidaan seostaa volfrämiä enintään 1,5 painoprosenttia, sekä kuparia enintään 3 painoprosenttia kor-10 roosionkestävyyden edelleenparantamiseksi.In addition, up to 1.5% by weight of tungsten and up to 3% by weight of copper can be alloyed with steel to further improve corrosion resistance.

Kromin, molybdeenin, typen, piin ja nikkelin pitoisuuksien tulee olla oikeat riittävän korroosionkestävyyden saavuttamiseksi. Riittävän piste- ja rakokorroosionkestävyyden saavuttamiseksi tulee seuraavan koostumukseen liittyvän ehdon 15 täyttyä PREN = Cr-% + 3,3xMo-% + 16xN-% > 26The concentrations of chromium, molybdenum, nitrogen, silicon and nickel must be correct to achieve adequate corrosion resistance. In order to achieve sufficient pitting and crevice corrosion resistance, the following condition 15 related to the composition must be met PREN = Cr-% + 3.3xMo-% + 16xN-%> 26

Pii- ja kupariseostus parantaa korroosionkestävyyttä tietyissä hapoissa sekä lisää piste- ja rakokorroosionkestävyyt-20 tä. Kupari parantaa lisäksi korroosionkestävyyttä ei-hapetta- vissa olosuhteissa.Silicon and copper alloying improves corrosion resistance in certain acids and increases pitting and crack corrosion resistance. Copper also improves corrosion resistance under non-oxidizing conditions.

Patentin mukaisen teräksen mikrorakenne on tavallisesti pääosin austeniittinen. Mikrorakenteessa voi kuitenkin olla 5-80 tilavuusprosenttia ferriittiä seostuksesta ja lämpökä-25 sittelystä riippuen. Ferriitti lisää teräksen lujuutta sekä kulumis- ja tahmautumiskestävyyttä. Haluttu austeniittisen ja ferriittisen mikrorakenteen suhde saadaan aikaan austeniittia stabiloivien seosaineiden (mangaani, nikkeli, typpi) ja ferriittiä stabiloivien seosaineiden (kromi, molybdeeni, pii) 30 suhteella. Erityisen paljon kulumis- ja tahmautumiskestävyyttä vaativiin kohteisiin käytettävän materiaalin tulisi sisältää vähintään 5 tilavuusprosenttia ferriittiä.The microstructure of the steel according to the patent is usually mainly austenitic. However, the microstructure may contain from 5 to 80% by volume of ferrite, depending on the alloying and heat treatment. Ferrite increases the strength of the steel as well as its resistance to wear and stickiness. The desired ratio of austenitic to ferritic microstructure is achieved by the ratio of austenite stabilizing alloys (manganese, nickel, nitrogen) and ferrite stabilizing alloys (chromium, molybdenum, silicon). The material used for applications requiring particularly high abrasion and tack resistance should contain at least 5% by volume of ferrite.

; Teräksen typpipitoisuuden tulee olla vähintään 0,1 paino prosenttia, parhaiten vähintään 0,15 painoprosenttia riittä-Γ.5 vän korroosio-, kulumis- ja tahmautumiskestävyyden saavutta miseksi. Typpiseostus parantaa merkittävästi myös lujuutta. Typpiseostus mahdollistaa lisäksi runsaan pii- ja molybdeeni-seostuksen ilman haitallisia mikrorakennemuutoksia. Typpi-seostusta voidaan käyttää aina 1 painoprosenttiin asti, mutta < i -H 4 »Mi | i 1 st 3 94964 tällöin on käytettävä typen liukoisuuden lisäämiseksi riittävästi seosaineita, erityisesti mangaania, kromia ja molybdeenia, jotteivät ominaisuudet heikkenisi nitridierkautumisen vuoksi. Valetussa laadussa liukenematon typpi aiheuttaa li-5 säksi kaasuhuokoisuutta. Valulaaduissa typpipitoisuus onkin suositeltavaa rajata alle 0,2 painoprosentin.; The steel must have a nitrogen content of at least 0,1% by weight, preferably at least 0,15% by weight, in order to achieve sufficient Γ.5 resistance to corrosion, wear and stickiness. Nitrogen doping also significantly improves strength. Nitrogen doping also allows for abundant doping of silicon and molybdenum without detrimental microstructural changes. Nitrogen doping can be used up to 1% by weight, but <i -H 4 »Mi | In this case, sufficient alloying elements, in particular manganese, chromium and molybdenum, must be used to increase the solubility of the nitrogen so that the properties are not impaired by nitride separation. In the cast grade, insoluble nitrogen also causes gas porosity. In casting grades, it is recommended to limit the nitrogen content to less than 0.2% by weight.

Keksinnön mukaisen teräksen kulumis- ja tahmautumiskestä-vyys aikaansaadaan tietyillä seosaineilla sekä mikrorakenteen kontrolloinnilla. Piiseostus on olennaista pinnan liukuomi-10 naisuuksien parantamiseksi ja tahmautumista estävän oksidi- kalvon aikaansaamiseksi. Typpi- ja piiseostus lisää pinnan muokkauslujittumista, mikä estää pintojen kiinnitarttumista ja lisää kulumiskestävyyttä. Erityisesti vaikeissa kulumis-olosuhteissa on typpipitoisuuden oltava vähintään 0,2, par-15 haiten vähintään 0,3 painoprosenttia, mangaanipitoisuuden vähintään 8,5, parhaiten vähintään 9 painoprosenttia, piipitoisuuden vähintään 4, parhaiten vähintään 4,5 painoprosenttia ja samanaikaisesti on kontrolloitava nikkelipitoisuutta, jotta saataisiin rakenteeseen vähintään 5 tilavuusprosenttia 20 ferriittiä.The wear and tack resistance of the steel according to the invention is achieved by certain alloying elements as well as by the control of the microstructure. Silicon doping is essential to improve the sliding properties of the surface and to provide an anti-stick oxide film. Nitrogen and silicon alloying increase the work-hardening of the surface, which prevents the surfaces from sticking and increases the wear resistance. In particularly severe wear conditions, the nitrogen content must be at least 0,2%, par-15 at least 0,3% by weight, the manganese content at least 8,5%, preferably at least 9% by weight, the silicon content at least 4%, preferably at least 4,5% by weight and the nickel content must be controlled at the same time, to provide at least 5% by volume of 20 ferrites in the structure.

Esimerkiksi patentin US 4341555 mukaisen teräksen pinnan liukuominaisuudet ovat huonot jo matalilla pintapaineen arvoilla, mikä tekee sen soveltumattomaksi toisiaan vastaan liukuvien metalli-metallivastinpintojen materiaaliksi. Kuvas-25 sa 1 esitetään keksinnön mukaisen teräksen liukumisominaisuu- det verrattuna patentin US 4341555 mukaiseen teräkseen. Testistä tutkittiin koemateriaalin ja vastinpintana olleen stel-liitti 6 materiaalin yhteenlaskettua pinnankarheutta eri pintapaineen arvoilla. Keksinnön mukaisessa teräksessä paremmat 30 liukumisominaisuudet metalli-metallikontaktissa näkyivät parempana pinnanlaatuna pintapaineen kasvaessa.For example, the sliding properties of the surface of the steel according to U.S. Pat. No. 4,341,555 are poor even at low surface pressures, which makes it unsuitable as a material for metal-to-metal mating surfaces sliding against each other. Figure 25 shows the sliding properties of the steel according to the invention compared to the steel according to U.S. Pat. No. 4,341,555. The test examined the combined surface roughness of the test material and the counter-stel-joint 6 material at different surface pressures. In the steel according to the invention, the better sliding properties in the metal-to-metal contact were reflected in the improved surface quality as the surface pressure increased.

Eri tuotteille parhaiten sopivat typpi-, molybdeeni- ja piipitoisuudet ovat seuraavat: 35 Tuote N Si + Mo (p-%) (p-%)The most suitable nitrogen, molybdenum and silicon contents for the different products are as follows: 35 Product N Si + Mo (w / w) (w / w)

Valettu 0,1-0,2 < 8Cast 0.1-0.2 <8

Muokattu 0,1-0,25 <10Modified 0.1-0.25 <10

Pulverimetallurginen 0,1-0,35 <15 . 94964Powder metallurgical 0.1-0.35 <15. 94964

Pulverimetallurgiseen tuotteeseen voidaan typpiseostus suorittaa joko sulaan ennen atomisointia tai kiinteään tilaan jo atomisoituun pulveriin. Seostusta kiinteässä tilassa suositellaan erityisesti korkeatyppiselle materiaalille, koska 5 tällöin typen sulatilaan verrattuna korkeammasta liukoisuu desta johtuen voidaan vähentää typen liukoisuutta lisäävää seostusta, kuten mangaania, kromia ja molybdeeniä tai voidaan käyttää korkeampia piipitoisuuksia.Nitrogen doping of the powder metallurgical product can be performed either in the molten before atomization or in a solid state in the already atomized powder. Solid state doping is especially recommended for high nitrogen type materials because in this case, due to the higher solubility of the nitrogen melt state, nitrogen-increasing doping such as manganese, chromium and molybdenum can be reduced or higher silicon concentrations can be used.

Keksinnön mukaisen teräksen koostumuksessa on epäpuhtaudet 10 rajoitettava seuraaviin maksimipitoisuuksiin: maksimi parhaiten C < 0,1 p-% < 0,06 p-% P < 0,04 p-% < 0,025 p-% 15 S < 0,02 p-% < 0,01 p-%In the composition of the steel according to the invention, the impurities 10 must be limited to the following maximum concentrations: maximum preferably C <0.1 wt% <0.06 wt% P <0.04 wt% <0.025 wt% 15 S <0.02 wt% <0.01 wt%

Hiilipitoisuuden nousu lisää kromikarbidien muodostumista raerajoille, mistä aiheutuu kromiköyhiä korroosionkestävyydeltään heikompia alueita. Lisäksi hiili alentaa typen liu-20 koisuutta. Rikki muodostaa mangaanisulfideja, jotka alentavat merkittävästi pistesyöpymiskestävyyttä.An increase in carbon content increases the formation of chromium carbides at the grain boundaries, resulting in areas with poorer corrosion resistance than chromium-poor ones. In addition, carbon reduces the Liu-20 nitrogen content. Sulfur forms manganese sulfides, which significantly reduce pitting resistance.

Keksinnön mukaisen teräksen korroosio-ominaisuuksia esitetään oheisissa taulukoissa.The corrosion properties of the steel according to the invention are shown in the accompanying tables.

Eräitä keksinnön mukaisia materiaaleja verrattiin valet-25 tuun standardilaatuun ASTM A 743/743M grade CFlOSMnN, jonka liukuominaisuudet ovat hyvät. Kokeissa määritettiin piste-syöpymälämpötilat ASTM G 48 Method A:n mukaisesti sekä pis-tesyöpymäpotentiaalit liuoksessa, jonka kloridipitoisuus oli 200 mg/1, pH 3 ja lämpötila 50 °C. Materiaalien koostumukset 30 käyvät ilmi oheisesta taulukosta: 5 94964Some materials of the invention were compared to the cast standard ASTM A 743 / 743M grade CFlOSMnN, which has good sliding properties. The experiments determined the point corrosion temperatures according to ASTM G 48 Method A as well as the point corrosion potentials in a solution with a chloride content of 200 mg / l, pH 3 and a temperature of 50 ° C. The compositions 30 of the materials are shown in the table below: 5,94964

Standardi Esim. 1 Esim. 2 CFlOSMnN valettu pulverimet.Standard Example 1 Example 2 CFlOSMnN cast powders.

__valettu__p-%__p-%_ 5 _C__0,07__0,03__0,03___cast__p -% __ p -% _ 5 _C__0.07__0.03__0.03_

Si__4^1__4^0__4^0_Si__4 1__4 ^ ^ ^ 0__4 0_

Mn__8^4__9^0__8,50_ CU__0,21__0,17__0,33_Mn__8 ^ 4__9 ^ 0__8.50_ CU__0.21__0.17__0.33_

Cr__16,4__18,7__16,9_ 10 _Mo__0,28__2^8__2,85_Cr__16,4__18,7__16,9_ 10 _Mo__0,28__2 ^ 8__2,85_

Ni__8i2__13,1__11,2_ _N__0,13__0,12__0,20_ _S__0,004__0,006__0,014_ P 0,016 0,022 0,025 15Ni__8i2__13,1__11,2_ _N__0.13__0.12__0.20_ _S__0.004__0.006__0.014_ P 0.016 0.022 0.025 15

Tulokset esitetään oheisessa taulukossa.The results are shown in the table below.

Pistesyöpymälämpö- Pistesyöpymä-tila (ASTM G48 potentiaaliPoint Corrosion Heat - Point Corrosion Mode (ASTM G48 Potential

Method A) (Cl 200 mg/1, pH 3, T 50°C) __rC)__(mV)_ CFlOSMnN__2_j_5__500_ 20 Esim. 1__10__1100_Method A) (Cl 200 mg / l, pH 3, T 50 ° C) __rC) __ (mV) _ CFlOSMnN__2_j_5__500_ 20 Eg 1__10__1100_

Esim. 2_ 20 1100Eg 2_ 20 1100

Tuloksista nähdään, että keksinnön mukaisella teräksellä on huomattavasti korkeampi kriittinen lämpötila pistekor-25 roosion alkamiselle ja että pistesyöpymäpotentiaali on merkittävästi korkeampi.It can be seen from the results that the steel according to the invention has a significantly higher critical temperature for the onset of pitting corrosion and that the pitting corrosion potential is significantly higher.

Keksinnön mukaista terästä voidaan valmistaa valettuna, muokattuna, pulverimetallurgisena, termisesti ruiskutettuna sekä päällehitsattuna materiaalina.The steel according to the invention can be produced as a cast, shaped, powder metallurgical, thermally sprayed and welded material.

30 Pulverimetallurginen tuote voidaan valmistaa sintraamalla, kuumapuristamalla tai kuumaisostaattisesti puristamalla. Parhaat ominaisuudet saavutetaan kaasuatomisoidulla pulverilla. Pulverimetallurgiseen valmistukseen voidaan yhdistää muokkaus taonnan, pursotuksen, valssauksen tai jonkin muun prosessin 94964 6 muodossa. Näistä menetelmistä on pursotus suositeltavin, jos piin ja molybdeenin yhteispitoisuus ylittää 10 painoprosenttia. Myöskin yhdistelmärakenteen käyttö on mahdollista esim. siten, että keksinnön mukaisella teräksellä pinnoitetaan 5 esim. kuumaisostaattisella puristuksella jokin muu materiaa li.The powder metallurgical product can be prepared by sintering, hot pressing or thermostatic pressing. The best properties are achieved with gas atomized powder. Powder metallurgy can be combined with working in the form of forging, extrusion, rolling or any other process 94964 6. Of these methods, extrusion is most preferred if the combined content of silicon and molybdenum exceeds 10% by weight. It is also possible to use a composite structure, e.g. by coating another material li, e.g. by thermostatic pressing, with the steel according to the invention.

Lämpökäsittelynä tulee käyttää korkeanlämpötilan liuo-tushehkutusta sekä tämän jälkeen vesisammutusta. Liuotusheh-kutuslämpötila valetulle ja taotulle materiaalille valitaan 10 seostuksen perusteella parhaiten seuraavastiHigh-temperature solution annealing should be used as the heat treatment, followed by water quenching. The dissolution temperature of the cast and forged material is best selected on the basis of 10 alloys as follows

Si + Mo lämpötila (P-%) (°C) < 5 1050 - 1150 15 >5 1100 - 1200 Lämpötilan nostonopeus on parhaiten enintään 200 °C/h. Pitoaika on parhaiten yksi tunti ainesvahvuuden tuumaa kohden, kuitenkin vähintään yksi tunti. Pitoajan jälkeen suori-20 tetaan sammutus parhaiten veteen.Si + Mo temperature (P-%) (° C) <5 1050 - 1150 15> 5 1100 - 1200 The temperature rise rate is preferably at most 200 ° C / h. The holding time is preferably one hour per inch of material strength, however, at least one hour. After the holding time, the 20 is best extinguished in water.

Muokkauksen esikuumennuksessa on vältettävä yli 1250 °C:n lämpötiloja mahdollisen osittaisen sulamisen estämiseksi. Tämä koskee sekä valettuja että pulverimetallurgisesti valmistettuja aihioita. Taonta on suositeltavaa suorittaa lämpö-25 tila-alueella 1200 - 900 °C.When preheating the process, temperatures above 1250 ° C must be avoided to prevent possible partial melting. This applies to both cast and powder metallurgically produced blanks. It is recommended to forge in the heat-25 space range 1200 - 900 ° C.

il : m:t UI) I I s 91 Iil: m: t UI) I I s 91 I

Claims

1. Stainless steel, characterized in that its alloy composition as a percentage of the weight of the support is 5 Cr 15 - 25 wt%, preferably 17-23 wt% Mo 1.5-5 "" 2-4 "Ni 7- 15 "" 10 - 12 "Si 3-10" "3.5-6"

10 Mn 6 - 15 "" 8 - 10 "N 0.1 - 0.35" "0.15 - 0.25" W 0-1.5 "Cu 0-3" 15 so that PREN index Cr % + 3.3xMo% + 16xN-% is greater than 26 and the maximum levels of the pollutants koi, phosphorus and sulfur are C <0.1 wt%, preferably <0.06 wt%

20 P <0.04 "" <0.025 "S <0.02" "<0.01"

The rack according to claim 1 for use in high temperatures, in acidic conditions containing chlorides, characterized in that the PREN index is greater than 29.

The frame according to claim 1 or 2, characterized in that its microstructure is essentially austenitic.

4. A method according to any one of claims 1-2 for use in objects requiring special abrasion and adhesion strength, characterized in that in the microstructure there is ferrite 5-80 vol%, preferably so that the microstructure is main. essentially austenitic.

5. A rack according to any one of claims 1-4 for use as a casting furnace, characterized in that the nitrogen content is below 0.3% by weight.

6. A rack according to any of claims 4-5 for use in extremely severe wear conditions, such as, in particular, in adhesion in contact between sliding metal 11 metal surfaces, in abrasion, erosion and cavitation, for example in valves and parts of pumps, in seals and bearings, characterized by ίο 94964 that the N content is at least 0.2% by weight, the Mn content at least 8.5% by weight and the Si content at least 4% by weight.

The rack according to claim 6, characterized in that the N content is at least 0.3% by weight.

8. A place according to any of claims 1-7, characterized in that it is heat treated with solution annealing and water quenching.

The rack according to claim 8, characterized in that the solution annealing temperature is 1100 - 1150 ° C, since the total io content of Si and Mo is below 5 wt% and 1150 - 1200 ° C, where the total content of Si and Mo is over 5% by weight.

10. A rack according to any of claims 1-8, characterized in that it is machined and that machining has been carried out in the temperature range 1200 - 900 ° C. 15