NO131944B

NO131944B -

Info

Publication number: NO131944B
Application number: NO475671A
Authority: NO
Inventors: A Takamura; K Shimogori; T Yamagata; K Kitahata; M Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1975-05-20
Also published as: GB1379608A; NL155311B; NO131944C; DE2165159A1; NL7118004A

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et rustfritt stål som er egnet til støpning og har høy korrosjonsutmatningsstyrke og god sveisbarhet. Et slikt stål egner seg spesielt til støpning av gjen-stander som skipspropeller og vannturbinrotorer. The present invention relates to a stainless steel which is suitable for casting and has high corrosion fatigue strength and good weldability. Such a steel is particularly suitable for casting objects such as ship propellers and water turbine rotors.

I den senere tid har tendensen til fremstilling av store skip med høy hastighet fremmet stadig økende alvorlige krav med henblikk på skipspropellkonstruksjon når det gjelder høyere korrosjonsmotstandsdyktighet, høyere motstandsdyktighet overfor kavitasjonsskader og større utmatningsstyrke i korrosive omgivelser slik som sjøvann selv når materialet står under vedvarende påkjenninger. In recent times, the tendency towards the manufacture of large ships with high speed has promoted ever-increasingly severe requirements for ship propeller construction in terms of higher corrosion resistance, higher resistance to cavitation damage and greater fatigue strength in corrosive environments such as seawater even when the material is under sustained stress.

Videre er fra et reparasjonssynspunkt god sveisbarhet en nødvendighet spesielt for vannturbinrotorer for hvilke det til nå er benyttet 13% kromjoldig martensitisk rustfritt stål, noe man kan til-late seg når det benyttes ferskvann. Hvis i dette tilfelle sveisear-beider er nødvendige, bør det benyttes austenitiske sveiseelektroder på grunn av den dårlige sveibarhet i det 13% kromhoIdige rustfrie stål, men da til en viss grad på bekostning av styrken i basismaterialet. Furthermore, from a repair point of view, good weldability is a necessity, especially for water turbine rotors, for which 13% chromium-containing martensitic stainless steel has been used until now, something that can be allowed when fresh water is used. If in this case welding work is necessary, austenitic welding electrodes should be used due to the poor weldability of the 13% chromium stainless steel, but then to a certain extent at the expense of the strength of the base material.

Når det gjelder skipspropeller til bruk i sjøvann er det tidligere kjent å bruke manganbronse eller nikkelaluminiumbronse med henblikk på støpbarhet, korrosjonsmotstand og bearbeidbarhet. Som nevnt har denne type legeringer ikke lenger en slik anvendelse på grunn av de nevnte, stadig strengere, krav til materiale når det gjelder skipspropeller eller vannturbinmotorer. When it comes to ship propellers for use in seawater, it was previously known to use manganese bronze or nickel aluminum bronze with a view to castability, corrosion resistance and machinability. As mentioned, this type of alloy no longer has such an application due to the aforementioned, increasingly strict, requirements for material when it comes to ship propellers or water turbine engines.

Det er tidligere kjent, f.eks. som beskrevet i tysk patent nr. 1.264.07<*>1 å legere stål med aluminium balansert med nitrogen og molybden, men dette gjøres for å redusere faren for rissdannelser ved korrosjon. Kjent stål av denne art består dessuten bare av martensit og riss oppstår når stålet sveises, særlig når det har høyt karboninn-hold og der er legeringsbestanddeler som aluminium, nitrogen og molybden på sin plass. It is previously known, e.g. as described in German patent no. 1.264.07<*>1 to alloy steel with aluminum balanced with nitrogen and molybdenum, but this is done to reduce the risk of cracking due to corrosion. Known steel of this kind also only consists of martensite and cracks occur when the steel is welded, especially when it has a high carbon content and there are alloy components such as aluminium, nitrogen and molybdenum in place.

Ingen av de hittil kejnte rustfrie stål er imidlertid egnet til støpning av skipspropeller eller rotorer for'vannturbiner, -idet et slikt stål må ha en høy korrosjonsutmatningsstyrke og god sveisbarhet. I tillegg til dette er det ønskelig å spare nikkel som. legeringselement samtidig med at stålets seighet økes. However, none of the stainless steels known to date are suitable for casting ship propellers or rotors for water turbines, since such a steel must have a high corrosion fatigue strength and good weldability. In addition to this, it is desirable to save nickel as. alloying element at the same time as the steel's toughness is increased.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å komme frem til- et rustfritt stål med høy korrosjonsutmatningsstyrke, høy motstandsevne overfor kavitasjonsskader og en god sveisbarhet sammen med utmerkede mekaniske egenskaper. Et slikt stål er godt egnet som støpe-stål for skipspropeller eller vannturbinrotorer. The purpose of the present invention is therefore to arrive at a stainless steel with high corrosion fatigue strength, high resistance to cavitation damage and good weldability together with excellent mechanical properties. Such a steel is well suited as casting steel for ship propellers or water turbine rotors.

Foreliggende oppfinnelse bygger på oppdagelsen at tilsetning av en viss mengde av minst ett av metallene Ti, Nb og Ta i nærvær av molybden i dette stål eliminerer den.negative virkning av karbon og .nitrogen-forbindelser, som igjen forårsaker sprøhet i stålet. De nevnte tilsetninger forbedrer korrosjonsutmatningsstyrken og videre er oppfinnelsen basert på den oppdagelse at en minimal mengde av C og N tjener til å forbedre korrosjonsutmatningsstyrken, at egnede nivåer for Cr og Ni også tjener til å forbedre korrosjonsutmatningsstyrken og sveisbarheten, at en viss mengde Mo også tjener slike formål, at en viss mengde Si fremmer sprøhet og at tilsetningen av mangan i en viss mengde ikke bare gir betydelige innsparinger i forbruket av Ni som legeringselement, men også gir forbedret seighet i stålet. The present invention is based on the discovery that the addition of a certain amount of at least one of the metals Ti, Nb and Ta in the presence of molybdenum in this steel eliminates the negative effect of carbon and nitrogen compounds, which in turn cause brittleness in the steel. The aforementioned additions improve the corrosion fatigue strength and further the invention is based on the discovery that a minimal amount of C and N serves to improve the corrosion fatigue strength, that suitable levels of Cr and Ni also serve to improve the corrosion fatigue strength and weldability, that a certain amount of Mo also serves such purposes, that a certain amount of Si promotes brittleness and that the addition of manganese in a certain amount not only provides significant savings in the consumption of Ni as an alloying element, but also provides improved toughness in the steel.

I henhold til dette gir et rustfritt stål med en sammensetning ifølge oppfinnelsen en høy korrosjonsutmatningsstyrke og utmerket sveisbarhet kombinert med forbedret seighet og innsparing i andelen nikkel som et legeringselement. Accordingly, a stainless steel with a composition according to the invention provides a high corrosion fatigue strength and excellent weldability combined with improved toughness and savings in the proportion of nickel as an alloying element.

Ifølge oppfinnelsen oppnås det således et rustfritt støpe-stål med høy korrosjonsutmatningsstyrke, og stålet karakteriseres ved at det i vekt-55 har en sammensetning på mindre enn 0,07% karbon, mindre enn 0,05% nitrogen, fra 0,1 til 2% silicium, fra 0,1 til 4% mangan, fra 10 til 15% krom, fra 2 til 1% nikkel, fra 0,1 til 3% molybden og tilsammen fra 0,01 til 1,0% av minst ett av metallene titan, niob og tantal, og resten jern sammen med urenheter og/eller tilfeldige bestanddeler, hvor eventuelt en andel av nikkelet kan være erstattet med According to the invention, a stainless cast steel with high corrosion fatigue strength is thus obtained, and the steel is characterized by having a composition of less than 0.07% carbon, less than 0.05% nitrogen, from 0.1 to 2 % silicon, from 0.1 to 4% manganese, from 10 to 15% chromium, from 2 to 1% nickel, from 0.1 to 3% molybdenum and together from 0.01 to 1.0% of at least one of the metals titanium, niobium and tantalum, and the rest iron together with impurities and/or random components, where a proportion of the nickel may be replaced with

kobber, med en struktur som i det vesentlige er martensitisk med et restaustenitisk nivå innen området 10 til 45% og et ferritnivå på under 20%, oppnådd ved normalisering ved temperaturer på 900 til 100°C og deretter anløpning ved fra 550 til 750°C (spenningsglødning). copper, with a structure that is essentially martensitic with a residual austenitic level in the range of 10 to 45% and a ferrite level of less than 20%, obtained by normalizing at temperatures of 900 to 100°C and then tempering at from 550 to 750°C (voltage annealing).

Videre angår oppfinnelsen en rustfritt støpestål som inneholder fra 0,2 til 2,5% kobber som erstatning for en andel av nikkelet. Furthermore, the invention relates to a stainless cast steel containing from 0.2 to 2.5% copper as a substitute for a proportion of the nickel.

Mengden karbon bør begrenses oppad til 0,07%, da karbonnivå-et som går ut over denne øvre grense forringer seigheten i stor grad, når de rustfrie stål ifølge oppfinnelsen støpes og avkjøles langsomt, og samtidig har en negativ virkning på korrosjonsutmatningsstyrken, The amount of carbon should be limited upwards to 0.07%, as the carbon level that exceeds this upper limit greatly reduces the toughness when the stainless steels according to the invention are cast and cooled slowly, and at the same time has a negative effect on the corrosion fatigue strength,

korrosjonsmotstandsdyktigheten og sveisbarheten. corrosion resistance and weldability.

Mengden av N bør også begrenses oppad til 0,05%, da det ellers dannes nitrider som deretter forårsaker sprøgjøring og således reduserer korrosj onsutmatningsstyrken. The amount of N should also be limited to 0.05%, as otherwise nitrides are formed which then cause embrittlement and thus reduce the corrosion fatigue strength.

Mengden av Si kan ligge mellom 0,1 og 2%. Si innarbeides i smeiten under fremstilling av det rustfrie stål som desoksydasjonsmiddel i en mengde over 1,0%. Hvis mengden imidlertid går ut over 2%, forårsaker den sprøgjøring av stålet. The amount of Si can be between 0.1 and 2%. Si is incorporated into the forge during the production of the stainless steel as a deoxidising agent in an amount above 1.0%. However, if the amount exceeds 2%, it causes embrittlement of the steel.

Mangan bør være tilstede i området fra 0,1 til 4%. Et mini-mum på 0,1% mangan er nødvendig som anstenitiseringselement for å forbedre seigheten såvel som å thene som desoksydasjonsmiddel. Nivåer ut over 4% er for høye, da de ikke forårsaker noen ytterligere forbedring i disse egenskaper. Manganese should be present in the range from 0.1 to 4%. A minimum of 0.1% manganese is required as an anstenitizing element to improve toughness as well as to act as a deoxidizing agent. Levels beyond 4% are too high as they cause no further improvement in these properties.

Krom bør begrenses til området fra 10 til 15,00%. Krom er et vesentlig element ved sammensetninger av denne type rustfritt stål og tjener til sterkt å forbedre korrosjonsmotstandsdyktigheten for disse. For å oppnå målet for foreliggende oppfinnelse, dvs. den krevede korrosjonsmotstandsdyktighet i sjøvann eller ferskvann, er det nødvendig at krom er tilstede i en mengde ut over minst 10%, og legeringens korrosjonsmotstandsdyktignet øker med økende krommengder. Krommengder ut over 15,00% er imidlertid skadelige, da de øker sann-synligheten for dannelse av 6-ferrit, noe som forårsaker sprøgjøring av og reduksjon av korrosjonsutmatningsstyrken. Chromium should be limited to the range from 10 to 15.00%. Chromium is an essential element in compositions of this type of stainless steel and serves to greatly improve their corrosion resistance. In order to achieve the goal of the present invention, i.e. the required corrosion resistance in seawater or fresh water, it is necessary that chromium is present in an amount exceeding at least 10%, and the corrosion resistance of the alloy increases with increasing amounts of chromium. Chromium amounts above 15.00% are harmful, however, as they increase the likelihood of 6-ferrite formation, which causes embrittlement and reduction of corrosion fatigue strength.

Nikkelnivået bør ligge innen området fra 2.til 7%. Nikkel som et legeringselement tjener som et fremragende austenittdannende element. Minst 3% nikkel er nødvendig for å forbedre seigheten og sveisbarheten. De optimale nikkelnivåer, som øker korrosjonsutmatningsstyrken uten å forringe seigheten, avhenger av kombinasjonen med krom- og molybdenmengdene. F.eks. er ved 13% krom, fra 4,5 til 5,5% nikkel tilstedeværende. Mens krommengden og nikkelmengden kan sies i det vesentlige å være omvendt proporsjonal til hverandre, dvs. hvis kromnivået går ut over 1'3%, vil det optimale nikkelni-vå synke, og omvendt, hvis kromnivået er mindre enn 13%} vil det optimale nivå for nikkel øke. Nikkelnivået ut over 7% øker imidlertid austenittinnhold-et. som igjen fører til at den ønskede korrosjonsutmatningsstyrke ikke oppnås. Nikkelvinåene slik de er definert ovenfor møter kravene for fra 10 til 45% gjenværende austenitt og mindre enn 20% 6-ferrit i for-skjellig^ tilstander, dvs. etter forskjellige behandlinger inkludert varmebehandling, for derved å gi de ønskede mekaniske.egenskaper. The nickel level should lie within the range from 2 to 7%. Nickel as an alloying element serves as an excellent austenite-forming element. At least 3% nickel is required to improve toughness and weldability. The optimum nickel levels, which increase the corrosion fatigue strength without degrading the toughness, depend on the combination with the chromium and molybdenum amounts. E.g. is at 13% chromium, from 4.5 to 5.5% nickel present. While the amount of chromium and the amount of nickel can be said to be essentially inversely proportional to each other, i.e. if the chromium level exceeds 1'3%, the optimum nickel level will decrease, and conversely, if the chromium level is less than 13%} the optimum level for nickel increase. The nickel level above 7%, however, increases the austenite content. which in turn leads to the desired corrosion yield strength not being achieved. The nickel vinasses as defined above meet the requirements for from 10 to 45% residual austenite and less than 20% 6-ferrite in various states, i.e. after various treatments including heat treatment, thereby providing the desired mechanical properties.

Imidlertid er det fra forsøk funnet at hvis en del av nikkelet erstattes av kobber, kan nikkelmengden ligge i området fra 3 til 5%, mens. kobbermengden bør ligge i området fra 0,2 til 2,5%. However, it has been found from experiments that if part of the nickel is replaced by copper, the amount of nickel can be in the range from 3 to 5%, while. the amount of copper should be in the range from 0.2 to 2.5%.

Molybden er tilstede i mengder på fra 0,1 til 3%. Molybden-nivået på 0,1% er nødvendig for betydelig å' heve korrosjonsutmatningsstyrken såvel som korrosjonsmotstandsevnen i korrosive omgivelser slik som sjøvann, sammen med karbiddannende.elementer slik som titan, niob, tantal, osv. Hvis mengden imidlertid går ut over 3%s vil den ikke gi merkbar forbedring på slike egenskaper, men heller fremme sprøgjøring samt gi dårlig korrosjonsutmatningsstyrke. Molybdenum is present in amounts of from 0.1 to 3%. The molybdenum level of 0.1% is necessary to significantly raise the corrosion yield strength as well as the corrosion resistance in corrosive environments such as seawater, together with carbide-forming elements such as titanium, niobium, tantalum, etc. However, if the amount exceeds 3%s it will not give a noticeable improvement in such properties, but rather promote embrittlement and give poor corrosion fatigue strength.

Titan, niob og tantal skal være tilstede i slike mengder at summen av dem ligger i området fra 0,01 til 1%. Titan, niob eller tantal i nærvær av molybden undertrykker utfelling av karbider eller nitrider av krom og hever på den måten korrosjonsutmatningsstyrken. Videre er de effektive ved å forbedre motstandsevnen overfor erosjon og intergranulær korrosjon. Por disse formål er titan, niob og/eller tantal i form av en enkelt eller sammensatte besteanddeler i nærvær av molybden nødvendig i mengder på minst 0,01%. Hvis det ovenfor nevnte nivå imidlertid går" ut over 1%, vil den gjøre legeringen mottagelig for dannelse av forringende utskilling, noe som forringer seigheten av stålet. Titanium, niobium and tantalum must be present in such quantities that their sum is in the range from 0.01 to 1%. Titanium, niobium or tantalum in the presence of molybdenum suppresses the precipitation of carbides or nitrides of chromium and thus raises the corrosion fatigue strength. Furthermore, they are effective in improving resistance to erosion and intergranular corrosion. For these purposes, titanium, niobium and/or tantalum in the form of single or composite constituents in the presence of molybdenum are required in amounts of at least 0.01%. However, if the above-mentioned level exceeds 1%, it will make the alloy susceptible to the formation of deterioration precipitates, which degrade the toughness of the steel.

Kobber kan være tilstede i mengder på fra 0,2 til 2,5% av Copper may be present in amounts of from 0.2 to 2.5% of

de ovenfor nevnte grunner. På samme måte som med nikkel, er 0,2% kobber nødvendig for å øke seigheten. Kobbernivåer ut over 2,5% vil imidlertid forringe sveisbarheten, og tjener til å redusere nikkelan-delen som legeringselement. the above mentioned reasons. As with nickel, 0.2% copper is required to increase toughness. However, copper levels above 2.5% will impair weldability, and serve to reduce the nickel content as an alloying element.

I den følgende del av beskrivelsen gis det eksempler på de rustfrie stål ifølge oppfinnelsen for ytterligere å illustrere denne, og eksemplene skal ikke på noen måte være begrensende for oppfinnelsen. Eksempler. In the following part of the description, examples of the stainless steels according to the invention are given to further illustrate this, and the examples shall not in any way limit the invention. Examples.

Tabell 1 viser sammensetninger av prøvene, og tabell 2 gir prøvenes mekaniske egenskaper, motstandsevne overfor kavitasjonsskade samt korrosjonsutmatningsstyrke. Table 1 shows the compositions of the samples, and table 2 gives the samples' mechanical properties, resistance to cavitation damage and corrosion fatigue strength.

Prøvene 1 til 4 er typiske sammensetninger av rustfrie stål ifølge oppfinnelsen. Prøvene 5 til 11 er vist som sammenlignende eksempler og faller ikke innenfor rammen av oppfinnelsen. Disse prøver ble preparert ved oppvarming av 20 kg av støpematerialet til 1150°C, deretter avkjøling av dette til romtemperatur med en avkjølingshastig-het på 15°C/time i et forsøk på å frembringe store støper med en varmebehandling som tilsvarer støpning og langsom avkjøling, og deretter behandling ved en temperatur som tilsvarer utglødningstemperatur-en for å fjerne restpåkjenninger. Samples 1 to 4 are typical compositions of stainless steel according to the invention. Samples 5 to 11 are shown as comparative examples and do not fall within the scope of the invention. These samples were prepared by heating 20 kg of the casting material to 1150°C, then cooling it to room temperature with a cooling rate of 15°C/hour in an attempt to produce large castings with a heat treatment corresponding to casting and slow cooling , and then treatment at a temperature corresponding to the annealing temperature to remove residual stresses.

Det fremheves at de rustfrie stål ifølge oppfinnelsen tyde-lig er overlegne de andre prøver med henblikk på korrosjonsutmatningsstyrken, slik som vist i tabell 2. It is emphasized that the stainless steels according to the invention are clearly superior to the other samples with regard to the corrosion fatigue strength, as shown in table 2.

Bemerkninger: Remarks:

(x) angir vekttap på grunn av kavitasjonserosjon ved vibrasjonsfor-søk (forsøksbetingelser: frekvens 6,5 kc ; amplitude, 60 mikron, (x) indicates weight loss due to cavitation erosion in vibration tests (test conditions: frequency 6.5 kc ; amplitude, 60 microns,

3% NaCl, 25°C, 3 timer), 3% NaCl, 25°C, 3 hours),

(xx) betyr et rotasjonsbøyeforsøk (10^ cykler). (xx) means a rotational bending test (10^ cycles).

Tabell 3 og 4 gir sveiseforsøksresultater for prøver ifølge oppfinnelsen og sammenlignende prøver. Tables 3 and 4 give welding test results for samples according to the invention and comparative samples.

De foreliggende sveiseforsøk ble utført i henhold til såkalt sveisebruddsforsøk av "Y"-typen som etter sin type kan være en slags bindeprøve. Da forsøksprosedyren i seg selv ikke er av betydning, da dette forsøk kun er ment å være sammenlignende for prøvene, er en skisse av forsøksinnretningen vist i fig. 1 kun til bedre forståelse av oppfinnelsen. I dette forsøk er rotavstanden 2 mm og omgivelses-temperaturen er romtemperatur. The present welding tests were carried out in accordance with so-called weld failure tests of the "Y" type, which according to its type can be a kind of bonding test. As the test procedure itself is not of importance, as this test is only intended to be comparative for the samples, a sketch of the test device is shown in fig. 1 only for a better understanding of the invention. In this experiment, the root distance is 2 mm and the ambient temperature is room temperature.

Fig. 2 til 5 viser de .f orskej Hige f orsøksinnretninger og prøvestykkene som ble benyttet. Fig. 2 to 5 show the .forskej Hige f orexing devices and the test pieces that were used.

Tabell 4 gir de mekaniske egenskaper og korrosjonsutmatningsstyrken for sveisede prøver. Table 4 gives the mechanical properties and corrosion yield strength for welded specimens.

Tabell 5 viser de karakteristiske egenskaper for en typisk prøve på rustfritt stål som inneholder kobber, hvori det er oppnådd en betydelig innsparing av Ni-innholdet uten påvirkning av de mekaniske egenskaper. Table 5 shows the characteristic properties for a typical sample of stainless steel containing copper, in which a significant saving of the Ni content has been achieved without affecting the mechanical properties.

Forsøksresultatene som fremgår av tabelelne 1-5 er illustrer-ende for den utmerkede kombinasjon av korrosjonsutmatningssjjyrke, motstandsevne overfor kavitasjonssakder, sveisbarhet såvel som utmerkede mekaniske egenskaper, og betraktelig innsparing av nikkelinnholdet som legeringselement. F.eks. hadde den prøvede legering en korrosjonsutmatningsstyrke på over 30 kg/mm p. og viste ingen sprekkdannelse ved sveiseprøver. The test results that appear in tables 1-5 are illustrative of the excellent combination of corrosion fatigue strength, resistance to cavitation damage, weldability as well as excellent mechanical properties, and considerable saving of the nickel content as an alloying element. E.g. the tested alloy had a corrosion yield strength of over 30 kg/mm p. and showed no cracking during welding tests.

Disse tall er meget imponerende sammenlignet med legeringer av denne type ifølge teknikkens stand. These figures are very impressive compared to alloys of this type according to the state of the art.

De rustfrie stål ifølge oppfinnelsen kan lett lages i kon-vensjonelle elektriske bueovner eller høyfrekventerte induksjonsovner, krever ingen spesiell prosess for støpning, og de er vel egnet til anvendelse som støpematerialer til skipspropeller og vannturbinløpere hvor høy korrosjonsutmatningsstyrke og utmerket sveisbarhet er nødven-dig. The stainless steels according to the invention can be easily made in conventional electric arc furnaces or high-frequency induction furnaces, require no special process for casting, and they are well suited for use as casting materials for ship propellers and water turbine runners where high corrosion yield strength and excellent weldability are necessary.

Claims

1.. Stainless cast steel with high corrosion resistance, characterized in that it has a composition by weight of less than 0.0755% carbon, less than 0.05% nitrogen, from 0.1 to 2% silicon, from 0.1 to 4% manganese, from 10 to 15% chromium, from 2 to 7% nickel, from 0.1 to 3% molybdenum and together from 0.01 to 1% of at least one of the metals titanium, niobium and tantalum, and the rest iron together with impurities and/or random constituents, where possibly a proportion of the nickel may be replaced by copper, with a structure that is essentially martensitic with a residual austenitic level within the range of 10 to 45% and a ferrite level of less than 20%, obtained by normalizing at temperatures of 900 to 1100°C, and then tempering at from 550 to 750°C (stress annealing).

2. Steel according to claim 1, characterized in that it contains from 0.2 to 2.5% copper.