PL197674B1

PL197674B1 - Stal nierdzewna wytwarzana w procesie dupleks i zastosowanie stali nierdzewnej wytwarzanej w procesie dupleks

Info

Publication number: PL197674B1
Application number: PL368118A
Authority: PL
Inventors: David S. Bergstrom; John J. Dunn; John F. Grubb; William A. Pratt
Original assignee: Ati Properties
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2008-04-30
Also published as: ATE431436T1; ZA200402810B; IL161175A; DK1442148T3; CA2461966A1; RU2282674C2; ES2356366T3; HK1070396A1; NO20041897L; IL161175A0; CN1289705C; MXPA04003319A; TWI258512B; RU2004114863A; PL368118A1; JP2005505696A; BR0213263A; CN1571860A; EP1442148A1; WO2003033755A1

Abstract

1. Stal nierdzewna wytwarzana w procesie dupleks, której sk lad zapewnia du za odporno sc na korozj e, zdolno sc do odkszta lce n plastycznych oraz spawalno sc, znamienna tym, ze stanowi ze- staw sk ladników zawieraj acych nast epuj ace udzia ly wagowe: w egiel do 0,06%, chrom od 15% do 22,5%, nikiel od 3% do 4%, mangan do 3,75%, azot od 0,14% do 0,35%, krzem do 2%, molibden od 1,4% do 2,5%, mied z do 0,5%, kobalt do 0,2%, fosfor do 0,05%, siarka do 0,005%, bór od 0,001% do 0,0035%, a reszt e zelazo i nieuniknione zanieczyszczenia. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stal nierdzewna wytwarzana w procesie dupleks, której skład zapewnia odporność na korozję, zdolność do odkształceń plastycznych oraz spawalność.

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie stali nierdzewnej wytwarzanej w procesie dupleks.

Stal nierdzewna według wynalazku może znaleźć szczególnie zastosowanie do wytwarzania urządzeń i ich elementów, pracujących w środowiskach oddziałujących korozyjnie.

Stale nierdzewne wytwarzane w procesie dupleks są stopami zawierającymi mikrostrukturę składającą się z fazy austenitycznej i fazy ferrytycznej, wykazując zasadniczo cechy obydwu tych faz, a ponadto charakteryzują się stosunkowo wysoką wytrzymałością i ciągliwością.

Stale nierdzewne wytwarzane w procesie dupleks znane są z amerykańskich opisów patentowych nr nr US 3 650 709, US 4 340 422, US 4 798 635, US 4 828 630, US 5 238 093, US 5 624 504 oraz US 6 096 441. Opisy te podają zawartość składników stosowanych stali nierdzewnych wytwarzanych w procesie dupleks.

Przykładowo, z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 5672315 znana jest nadplastyczna stal nierdzewna wytwarzana w procesie dupleks i charakteryzująca się doskonałym wydłużeniem. Stal ta zawiera C: nie więcej niż 0,05% wagowo, Si: nie więcej niż 1,5% wagowo, Mn: nie więcej niż 3,0% wagowo, Cr: od 17,0% do 26,0% wagowo, Ni: od 3,0% do 10,0% wagowo, Mo: od 0,1% do 2,0% wagowo, N: od 0,08% do 0,20% wagowo, S: nie więcej niż 0,002% wagowo, Bo: od 0,0005% do 0,01% wagowo oraz jako resztę Fe i nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym różnice zawartości Ni winny spełniać następujące równanie:

(Cr-Ni)=Mo + 0,5Si - 30C - 0,5Mn - 0,5Cu - 20N

Stale nierdzewne wytwarzane początkowo w procesie dupleks miały umiarkowaną odporność zarówno na korozję równomierną, jak i na korozyjne pękanie naprężeniowe, zwłaszcza w środowisku chlorków, jednakże ich właściwości pogarszały się znacznie w przypadku obróbki spawaniem. Obecnie jedną z najszerzej stosowanych stali nierdzewnych drugiej generacji, wytwarzanych w procesie dupleks, jest stal wytwarzana pod nazwą handlową AL 2205 firmy Alleghemy Ludium Corporation, Pittsburgh, Pensylwania. Stal ta zawiera 22% chromu, 5,5% niklu, 3% molibdenu i 0,16% azotu, zapewniając wysoką odporność na korozję w wielu środowiskach.

Znane są również austenityczne stale nierdzewne wytwarzane w procesie dupleks typu AISI 304, 316 i 317. Jednakże są one znacząco mniej odporne zarówno na korozję równomierną, jak i na korozję szczelinową w chlorkach (SCC), w stosunku do stali AL 2205.

Odporność austenitycznych stali nierdzewnych AISI typu 316 i 317 na korozję szczelinową w środowiskach chlorków (SCC) oraz porównawczo odporność stali nierdzewnej wytwarzanej w procesie dupleks typu AL 2205 przedstawia poniższa tabelka.

Stop	Temperatura korozji szczelinowej w 10% FeCI3
Typ 316	-3°C
Typ 317	2°C
AL 2205	20°C

Odporność na korozję szczelinową w środowisku chlorków (SCC) określono według procedury ASTM-G48B stosując 10% roztwór chlorku żelazawego, przygotowany z soli sześciowodnej, roztwarzając 10% FeCI3-6H₂O w 90% wody destylowanej, przy czym stężenie to jest równoważne w przybliżeniu stężeniu roztworu 6% wagowo bezwodnej soli FeCh.

Z wyników badań odporności na korozję wynika, że stal nierdzewna AL 2205 jest znacząco bardziej odporna zarówno na korozję równomierną jak i na korozję wżerową i szczelinową, w stosunku do austenitycznych stali nierdzewnych typu 316 i 317. Ponadto okazało się, że stal ta ma znacząco większą wytrzymałość na rozrywanie w stosunku do austenitycznych stali. Dzięki temu znalazła ona zastosowanie do budowy urządzeń narażonych na korozję w środowiskach takich jak woda morska, względnie urządzeń do przeróbki pulpy w fabrykach papieru, przy czym jej zwiększona wytrzymałość umożliwia obniżenie grubości ścianek blach lub rur. Ujemną cechą stali nierdzewnej AL 2205 jest wysoki koszt jej wytwarzania, związany z dużą zawartością składników stopowych, zwłaszcza niklu

PL 197 674 B1 (5,5%) oraz molibdenu (3%), ograniczający możliwość wprowadzania tej stali we wszystkich tych przypadkach, gdy stosowana jest obecnie austenityczna stal typu 304, 316 lub 317.

Badania, które doprowadziły do wynalazku obejmowały setki pomiarów różnych właściwości stali nierdzewnych, wytworzonych według procesu dupleks i zawierających początkowo od 15% do 25% wagowo chromu oraz od 3% do 6% wagowo niklu. Okazało się jednak, że korzystne właściwości antykorozyjne, a równocześnie mechaniczne i wytrzymałościowe, mają stale zawierające od 15% do 22,5% wagowo chromu oraz od 3% do 4% wagowo niklu, a ponadto zawierające mangan, azot, krzem, molibden, miedź, kobalt oraz niewielkie ilości fosforu, siarki i znikomą ilość boru, a resztę żelazo. Obróbkę cieplną takiej stali przeprowadzano przez przesycanie i chłodzenie.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej zawartości składników stopowych w stali nierdzewnej, wytwarzanej w procesie dupleks, której koszty wytwarzania będą niższe w stosunku do stali AL 2205, a równocześnie zapewni ona znacząco wyższą odporność korozyjną w stosunku do stali nierdzewnych typu 304, 316 i 317, oraz zdolność do odkształceń plastycznych i dobrą spawalność.

Cel ten zrealizowano w stali nierdzewnej wytwarzanej w procesie dupleks, która charakteryzuje się tym, że zawiera wagowo: węgiel do 0,06%, chrom od 15% do 22,5%, nikiel od 3% do 4%, mangan do 3,75%, azot od 0,14% do 0,35%, krzem do 2%, molibden od 1,4% do 2,5%, miedź do 0,5%, kobalt do 0,2%, fosfor do 0,05%, siarka do 0,005%, bór od 0,001% do 0,0035%, a resztę żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 0,03% węgla.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 2% manganu.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie od 0,14% do 0,20% azotu.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 1% krzemu.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie od 1,5% do 2,0% molibdenu.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 0,4% miedzi.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 0,03% fosforu.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie do 0,001% siarki.

Stal według wynalazku zawiera korzystnie od 0,0015% do 0,003% boru.

Stal nierdzewna według wynalazku może znaleźć zastosowanie zwłaszcza do wytwarzania taśm, prętów, płyt, blach, odlewów, rur i łączników rurowych.

Badania właściwości stali nierdzewnej według wynalazku wykazały, że charakteryzuje się ona wysoką zdolnością do odkształceń plastycznych, dobrą spawalnością a przede wszystkim zapewnia wysoką odporność na korozję w środowiskach chlorków, znacząco wyższą niż stosowane dotychczas stale nierdzewne AISI typu 304, 316 i 317.

Wyroby wykonane ze stali nierdzewnej według wynalazku są szczególnie przydatne w środowiskach korozyjnych z udziałem jonów chlorkowych.

Rzeczywista zawartość poszczególnych składników stopowych stali nierdzewnej według wynalazku, w ramach podanych wyżej zakresów, winna być dostosowana do wymogów użytkowników wyrobów wykonanych z tej stali, zwłaszcza zaś zdolności do odkształceń plastycznych, wytrzymałości mechanicznej oraz odporności na korozję, przy czym stal może zawierać dodatkowo inne znane składniki stopowe.

Koszty wytwarzania stali nierdzewnej według wynalazku są ze względu na mniejszą zawartość składników stopowych, zwłaszcza niklu i molibdenu, znacząco niższe w porównaniu do kosztów wytwarzania stali nierdzewnej AL 2205. Mimo tego, stal nierdzewna według wynalazku zapewnia utrzymanie stabilnej fazy austenitycznej oraz pożądany poziom odporności na korozję zarówno równomierną jak i szczelinową.

W tabeli poniżej podano porównawczo zawartości niklu i molibdenu w stali nierdzewnej według wynalazku oraz stali nierdzewnej AL 2205. Mimo niższej zawartości tych kosztownych składników, stal nierdzewna według wynalazku wykazuje wyższą odporność na korozję wżerową i szczelinową w stosunku do stali nierdzewnych typu AISI 304, 316 i 317.

Zawartość niklu i molibdenu (w % wagowych)

Rodzaj metalu	Zawartość w stali według wynalazku	Zawartość w stali Al. 2205
Ni	od 3,0 do 4,0	nominalnie 5,5
Mo	od 1,5 do 2,0	nominalnie 3

PL 197 674 B1

P r z y k ł a d 1

W procesie dupleks wytworzono stal nierdzewną według wynalazku, zawierającą w procentach wagowych: węgla 0,018%, manganu 0,46%, fosforu 0,022%, siarki 0,0034%, krzemu 0,45%, chromu 20,18%, niklu 3,24%, molibdenu 1,84%, miedzi 0,21%, azotu 0,166%, boru 0,0016% i resztę żelaza.

Odporność na korozję wżerową tej stali i porównawczo stali nierdzewnych typu 316 i 317 określono na podstawie normy ASTM GI50, określając wartość temperatury CPT przez umieszczenie próbki badanego materiału w ogniwie elektrochemicznym zawierającym 1-molarny (około 5,8% wagowo) roztwór chlorku sodu i poddanie go napięciu +700 mV, przy czym temperaturę podwyższano z szybkością 1°C/min, monitorując prąd wywołujący korozję. Przy określonej wartości temperatury (CPT) prąd korozji gwałtownie wzrasta, osiągając gęstość 100 mA/cm². Następnie określano optycznie objawy korozji wżerowej.

Oznaczanie wartości temperatury CPT dla austenitycznej stali nierdzewnej typu 316 i 317 oparto o normę ASTM G48A. Zgodnie z tą normą, próbkę badanego materiału zanurza się na 72 godziny w zlewce zawierającej 6% roztwór chlorku żelazawego o żądanej temperaturze, a następnie określa się objawy korozji wżerowej.

Wyniki badań na korozję wżerową ilustruje poniższa tabelka.

Odporność na korozję wżerową

Rodzaj stali	Temperatura korozji wżerowej „CPT
stal nierdzewna typu 316	15,0°C
stal nierdzewna typu 317	18,9°C
stal według wynalazku (przykład 1 )	31,3°C

P r z y k ł a d 2

W procesie dupleks wytworzono stal nierdzewną zawierającą w procentach wagowych: węgla 0,021%, manganu 0,50%, fosforu 0,022%, siarki 0,0014%, krzemu 0,44%, chromu 20,25%, niklu 3,27%, molibdenu 1,80%, miedzi 0,21%, azotu 0,167%, boru 0,0016%, a resztę żelazo.

Próbkę stali poddano badaniu właściwości mechanicznych i wytrzymałościowych. Wyniki zestawiono porównawczo z wynikami badań stali nierdzewnej 304 oraz stali nierdzewnej 316, a także stali nierdzewnej AL 2205 dupleks i AL 2205, oraz stali nierdzewnej według wynalazku (przykład 2).

Mimo że granica plastyczności i wytrzymałość doraźna na rozciąganie dla próbki stali według wynalazku, wytworzonej w przykładzie 2, są niższe od odpowiednich wartości stali AL 2205, to jednak wartości te są porównywalne, a równocześnie są znacząco wyższe niż dla austenitycznej stali nierdzewnej typu 316 i 317.

Reasumując powyższe można stwierdzić, że stal nierdzewna według wynalazku wytworzona w przykładzie 1 i 2 według procesu dupleks, której koszty wytwarzania są znacząco niższe od kosztów wytwarzania stali AL 2205, wykazuje właściwości mechaniczne porównywalne do tej stali, a równocześnie znacznie wyższą odporność na korozję wżerową i szczelinową od odporności porównywalnych z nią cenowo stali nierdzewnych typu 316 i 317. Ilustruje to poniższa tabelka.

Odporność na korozję wżerową

Rodzaj stali	Granica plastyczności	Wytrzymałość doraźna na rozciąganie	Wydłużenie %
stal nierdzewna 304	30,000	75,000	40,0
stal nierdzewna 316	30,000	75,000	40,0
stal nierdzewna 317	30,000	75,000	35,0
stal nierdzewna AL 2205 Duplex	65,000	90,000	25,0
stal nierdzewna AL 2205	85,000	125,000	30,0
stal wg wynalazku (przykład 2)	83,500	114,000	37,0

PL 197 674 B1

Niniejszy opis przedstawia jedynie aspekty wynalazku niezbędne do zrozumienia jego istoty. Pomija natomiast te aspekty, które są oczywiste dla specjalistów. Zgodnie z wynalazkiem przewiduje się również możliwość różnych odmian i modyfikacji stali nierdzewnej według wynalazku, wytworzonej według procesu dupleks, uwzględniając jednak zawartość jej składników zgodną z podanymi wyżej granicami.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Stalnierddzwnawytwarzanaw proocsieduplekk, której s słaa zaapwnia dużą oodprnośśn a korozję, zdolność do odkształceń plastycznych oraz spawalność, znamienna tym, że stanowi zestaw składników zawierających następujące udziały wagowe: węgiel do 0,06%, chrom od 15% do 22,5%, nikiel od 3% do 4%, mangan do 3,75%, azot od 0,14% do 0,35%, krzem do 2%, molibden od 1,4% do 2,5%, miedź do 0,5%, kobalt do 0,2%, fosfor do 0,05%, siarka do 0,005%, bór od 0,001% do 0,0035%, a resztę żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia.
2. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 0,03% węgla.
3. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 2% manganu.
4. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 0,14% do 0,20% azotu.
5. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 1% krzemu.
6. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 1,5% do 2,0% molibdenu.
7. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 0,4% miedzi.
8. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 0,03% fosforu.
9. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera do 0,001% siarki.
10. Stal nierdzewna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 0,0015% do 0,003% boru.
11. Zastosowanie stali nierdzewnej wytwarzanej w procesie dupleks, określonej w zastrzeżeniach 1 do 10, do wytwarzania taśm, prętów, płyt, blach, odlewów, rur i łączników rurowych.