SE441455B - Stal av austenitisk typ - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 8305795-0 ELI-stål, vilka också har mycket god resistans mot spalt- och punktkorrosion i havsvatten och liknande miljöer, förutsatt att stålen innehåller minst 25 Z Cr och minst 3.5 Z Mo. En allvarlig begränsning med dessa material är att de inte tillverkas i tjockare dimensioner än cirka 3 mm. Är materialet tjockare blir det sprött och osvetsbart.

Det är även känt att i austenitiska rostfria stål helt eller delvid ersätta nickel med mangan i syfte att nedbringa materialkostnaderna.

'Det finns i litteraturen även uppgifter om att mangan kan öka kromets resistensbidrag jämfört med icke mangansubstituerade stål.

Kända mangansubstituerade stål har emellertid väsentligt lägre korrosionsresistens än ovan nämnda austenitiska och ferritiska ståltyper och utgör inte något användbart substitut för dessa i de _miljöer för vilka föreliggande stål är avsett.

För att belysa teknikens nuvarande ståndpunkt hänvisas till föl- jande litteraturreferenser. I de jämförande undersökningar som skall redovisas i det följande kommer att hänvisas till uppgifter hämtade ur dessa referenser.

Litteraturreferenser: (1) Kohl H, Rabensteiner G, Hoehörtler G, VEW: Stainless Steels with High Strength and High Corrosion Resi- stance. Alloys for the eighties. (2) Glazkova S A, Shapiro M B: The Resistance of a CrNi- Steel Type 18-12-Mo to Localized Corrosion in Chloride Solutions. Zashch. Metallov lå (3), May-June 1979, p 320-324. (3) Bock H E: Korrosionsverhalten eines seewasserbestän- digen, nichtmagnetisierbaren CrNiMo-Stahles hoher Festigkeit. Arch. Eisenhüttenwes. §§_(1973)877. 10 15 20 25 30 8305795-0 (4) Brigham R J, Tozer E W: Localized Corrosion Resistance of Mn-Substítuted Austenitic Stainless Steelsz Effect of Mo and Cr. Corr. §å(1976)274. (5) Letcher B F: An Austenitic Stainless Steel of Improved Strength and Corrosion Resistance (Firth Brown Rex 734). Report from Firth Brown Ltd.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett primärt ändamål med uppfinningen är att erbjuda ett stål som, utan att det innehåller större utan fastmer lägre-halt av dyrbara legeringsämnen än jämförbara konventionella austenitiska stål, upp- visar en erforderlig kombination av egenskaper som krävs vid använd- ning för svetsade konstruktioner i starkt korrosiva miljöer. I syn- nerhet är ett syfte att erbjuda ett stål med extremt bra resistens mot punkt- och spaltkorrosion. Företrädesvís är ett syfte att erbjuda ett stå] med mycket god resistens även i andra nggresívn miljöer, såsom HN03. Typiska användningsområden anges även i in- gressen.

Vidare är ett syfte att åstadkomma ett stål som är mycket bra svetsbart med låg energitillförsel utan att någon av korrosions- egenskaperna i svetsen eller den värmepåverkade zonen på något avgörande sätt försämras.

Företrädesvis är även ett syfte att erbjuda ett stål med högre hållfasthetsvärden än konventionella austenitiska, molybdenlegerade stål.

Dessa och andra syften kan uppnås därigenom att stålet har följande kemiska sammansättning i viktsprocent: 10 15 20 25 30 35 8505795-0 0.03 C 0.1-2 Si 8-15 Mn' 15-30 Cr 12-20 Ni 3.5-1go M0 .35~.55 N rest väsentligen endast järn, föroreningar och acces- Max. soriska element i normala halter. Önskvärt är att kolhalten är så låg som möjligt. Normalt är kol- halten därför max. 0.02 Z och helst max 0.015 Z. Manganets och kvävets roller i stålet är komplexa. Manganet verkar dels som austenitbildare, dels löser det kväve i stålet. Vissa indikationer pekar även på att manganet i denna legering direkt påverkar korro- sionsegenskaperna i gynnsam riktning. Kvävet verkar också som auste- nitbildare oßh bidrar dessutom till korrosionsbeständigheten. För att skapa helt austenitisk struktur tillsätts vid_sidan av mangan och kväve också en erforderlig mängd nickel. I stålet enligt upp- finningen uppnås även en synergistísk effekt mellan molybden och kväve med avseende på motståndet mot spaltkorrosion och punktfrät- lningl Detta kan också uttryckas så, att kväve förstärker molybdenets gynnsamma effekt. Krom utgör ett grundläggande element för mot- ståndet mot allmänkorrosíon och förstärker även skyddet mot andra korrosionstyper.

Företrädesvis är ett kännetecken på stålet att det så kallade PRE- värdet (= Z Cr + 3.3 x Z Mb + 16 x Z N) är minst 41, och före- trädesvis från 41-45.

Lämpligen innehåller stålet 14-17 Ni, 9-11 Mn, 18-23 Cr, 4-8 Mo, .38 - .48 N och max. .015 C.

Företrädesvis är ett kännetecken på stålet enligt uppfinningen också att kromekvivalenten (enligt Schaeffler) är minst 24, och att nickelekvivalenten är minst 25, samtidigt som.förhållandet mellan 10 15 20 25 30 35 ssos79s-0 kromekvivalenten och nickelekvivalenten är högst 0.9, företrädesvis högst 0.8.

En föredragen samansättning på stålet enligt uppfinningen är följande: Max. 0.015 C 0.2-1.5 Si 9-11 Mn max. 0.008 S, företrädesvis max. 0.005 S 19-22 Cr 14-17 Ni 4-5 Mo 0.38-0.48 N och rest väsentligen endast järn och oundvikliga föroreningar.

Förutom nämnda element kan koppar eventuellt förekomma upp till max. 3 Z. I vilken mån koppar inverkar på det uppfinningsenliga stålets egenskaper har dock ej studerats. Eventuellt kan det för- bättra korrosionsresistensen i starka syror. Enligt den föredragna utföringsformen bör kopparhalten emellertid begränsas till max. 0.5 Z.

Koppar i halter lägre än 0.5 Z ingår i begreppet "accessoriska ele- ment", varmed förstås sådana element som kan förekomma i omsmält- ningsskrot eller som finns kvar som rester av processmetallurgiska tillsatser. Bland den förra typen element kan nämnas kobolt. Detta element är dyrbart. Medvetna tillsatser av detta element bör därför undvikas. Kobolt har även den negativa effekten att det blir radio- aktivt vid bestrålning, vilket gör koboltlegerat material oanvänd- bart för delar i kärnkraftverk som utsätts för bestrålning. Halten kobolt bör därför begränsas till max. 0.5 Z. Bland rester av ele- ment som tillsätts av processmetallurgiska skäl kan nämnas alu- minium och kalcium. Niob, vanadin och titan bör inte förekomma i mer än föroreningshalter. 830579543 10 15 20 Ytterligare kännetecken på samt fördelar med stålet enligt upp- finningen komer att framgå av följande redogörelse av utförda försök och undersökningar.

BESKRIVNINÉ AV UTFÖRDA FÖRSÖK OCH UNDERSÖKNINGAR Samansättningen av alla tillverkade och undersökta stålprover återfinns i Tabell 1, grupp 1. Stål nr 1-15 tillverkades såsom 2 kg:s smälter. Av dessa undersöktes de med helaustenitisk struktur (efter utvalsning och släckglödgning) för vidare undersökning, främst av korrosionsegenskaperna. För utvärdering av inledande undersökningar framställdes därefter en 50 kgzs smälta, stål nr 16.

I Tabell 1, grupp 2 och grupp 3 återfinns kommersiella stål som provats, respektive övriga studerade stål enligt litteratur, se litteraturförteckningen på sid. 2-3.

B-chargerna (stål nr 1-15) smiddes till 30 mmlü och valsades till band med 3 mm tjocklek, varefter banden släekglödgades i 1100°C/1h/ H 0. Inga anmärkningsvärda bearbetningsproblem på grund av dålig 2 varmduktilitet observerades. 8305795-0 D-chargerna (stål nr 1-15) smiddes till 30 nmlwb och valsades till band med 3 mm tjocklek, varefter banden släekglödgades i 1100°C/1h/ H20. Inga anmärkningsvärda bearbetníngsproblem på grund av dålig varmduktílítet Qhserverades.

TABELL '1 Kemisk sammansättning (vikt- Z, rest Fe och accessoríska element) hos tillverkade och/eller studerade Stål.

Grupp 1: 2- och 50 kgzs prover Stål Charge C Si Mn P S Cr Ni Mo N Cu Övr PREÉ) nr _ _ värde 1 B 1142 .O11 .44 4.8 .006 .008 21.9 12.7 3.5 .22 37.0 2 B 1143 .012 .48 4.8 .006 .008 21.9 12.7 2.6 .22 34.0 3 P 1144 .010 .48 9.8 .006 .009 20.0 15.2 3.0 '.22 33.4 4 B 1145 .O11 .47 9.8 .006 .G09 20.0 15.2 4.6 .21 38.56 5 B 1146 .012 .43 7.7 .007 .G09 19.9 10.5 4.5 .44 41.75 6 B 1147 .014 .45 9.6 .009 .G07 19.8 15.1 4.5 .43 41.5 7 B 1401 .018 .SO 1.43 .005 .010 25.2 13.7 1.03 .39 .02 34.8 8 B 1402 .017 .43 1.59 .006 .010 25.9 15.1 2.49 .30 .97 38.9 9 B 1404 .017 .42 1.52 .004 .010 25.1 15.1 1.03 .34 .02 33.9 10 B 1411 .019 1.26 1.55 .006 .G10 25.1 13.4 1.04 .24 .02 32.4 11 B 1412 .020 1.27 1.58 .006 .010 24.9 15.1 2.45 .28 .89 37.5 12 B 1413 .020 1.24 1.60 .006 .010 25.0 16.1 3.2 .26 .97 39.7 13 B 1414 .018 1.27 1.58 .007 .G10 25.0 16.9 3.9 .23 .95 41.5 14 B 1419 .017 .35 4.66 .005 .010 21.1 15.7 5.5 .38 .95 45.3 .022 1.20 2.30 .006 .G10 24.2 5.6 2.96 .30 1.08 38.8 15 B 1420 .018 .36 1.43 .004 .006 24.1 6.6 2.97 .1S .47 36.4 16 Q 8072 .015 .68 10.3 .O11 .007 20.3 15.2 4.5 .4B 42.8 *)PRE-värde: Z Cr + 3.3 x (Z Mo) + 16 x (Z N) 8305795-0 TABELL 1 (forts .) Grupp 2: Éommersíella stål Stål Kvalitet C Si Mn P S Cr Ni _. [V10 . N Cu Övr PREï) m: värde 17 A181 216 .047 .47 8.5 .025 .003 19.7 6.4 2.7 .38 .12 34.7 18 Nicronic 40 .018 .68 9.01 .024 .001 19.93 7.12 .18 .28 25.0 19 " 50 .045 .47 4.81 .025 .012 21.0813.702.28 .28 N6,v33.1 20 NU ss_904L .018 .65 1.67 .027 .004 19.4 24.6 4.4 1.43 33.9 21 nu ss 44LN .022 _39 1.71 .026 .010 25.1 6.3 1.56 .14 ' .17 ;32.5 22 êS§?2gfs .013 _42 .62 .031 .005 20.3 17.75.8 _21. .69 42.8 23 AIS: 316L .014 .43 1.58 .032 .004 18.0 .12.72.64 .23 26.7 24 Nu Momrw .012 .31 .43 .031 .006 325.3 4.13.8 1 .37 37.8 25 êS§?2gES .020 .52 .48 .024 .001 20.1 17.75 9 .19 06 42.6 ErßP2.ë;_ë23¿ae.§E2å§wæ83s¥š92F2li8s.lisësxaëar 1 max å 26 A 963,ref 1 .03 17.0 16.06,3 .15 1.6 40.2 27 A 905, " 1 .04 5.8 25.5 3.7z.3 .37 39.0 28 A 905* " 1 .04 '.70 4.5 26.0 , 7.52.0 .35 38.2 -weld 29 E81. ref. 2 .02 _36 4.18 .011 .016 18.90fi2.105.0 š.40 41.8 30 “ " 3 .03 8.0 20 !14 73.1 š.40 .14 kb §36.6 31 " " 4 .04 .5 8.8 .019 .016 20 h0.4 4.221.5 .01 É41.9 32 " " 4 .03 .63 5.88 .013 .011 22.1 §2.708.90:.41 .41.5 33 Yus 170 .031 .82 1.59 24.7 h3.45 .93§.36 . 33.5 ref. 5 i 34 REX 734, _05 .25 4.0 22.0 š9.0 2.6 §.40 :M6 37.0 ref. 5 ï ' *)PRE-värde; 2 cr + 3.3 X z M6 + 16 X z N 8305795-0 Eftersom syftet med uppfinningen är att utveckla ett.mangan- substituerat stål, gjørdes strukturkontroll endast på stålen nr 1-6. Dessa undersökningar visade att endast stål nr 3 och nr 6 hade helaustenitisk struktur. Stål nr 1, 4 och 5 innehöll U-fas, medan stål nr 2 innehöll 6-ferrit. De helaustenitiska stålen 3 och 5 6 testades i en första omgång med avseende på lokal korrosions~ härdighet och hållfasthet. Tabell 2 visar hållfasthetsvärden för de två provade stålen 3 och 6 samt ett antal kommersiella och/eller i litteraturen redovisade kvävelegerade stål. 10 TABELL 2 Hållfasthetsvärden vid RT samt Cr- och Ni-ekvivalenter för ett antal representativa stål Stål Sträckgräns Brottgräns Förlängning Hårdhet Cr-ekv1) Ni-ekvz) Cr/Ni-ekv nr Rp0_2 Nmm_2 Em Nmm_2 A,50 Z HV 30 enligt Schaeffler 17 488 837 48.2 f 261 23.1 23.5 .98 18 502 807 43.1 21.11 20.6 1.02 19 609 895 38.1 24.0 25.7 .93 3 309 671 49.4 239 23.7 27 .88 6 390 827 51.4 287 25.8 33.22 .78 20 240 600 45 155 24.8 26 .95 21 565 778 33.0 26.86 12 2.24 22 320 700 50 175 26.7 24.6 1.08 23 21.10 18.9 1.12 26 300 600 30 23.5 22 1.07 27 590 750 30 28.5 18.9 1.51 33 432 785 49.7 26.05 26 1.0 1)Cr-ekv: Z Cr + % Mo + 1.5 x 2 Si + 0.5 x 2 Nb 2) Ni-ekv: Z Ni + 0.5 x (Z Mn + Z Cu + Z Co) + 30 x (Z C + Z N) 1 10 15 20 25 30 35 8305795-O I det följande skall till en början redovisas resultaten från jäm- förande korrosionsprovning av dels stål nr 3 och 6; dels de kommer- siella stålen 17-23.

TABELL 3 Resultat av jämförande korrosíonsprovning Stål Spaltkorr. Kritisk temperatur i FeC13, UC Angrepp i syntetisk potential skrubberlösning E58 , Vikšsförlust nr mV/ CE Punktfr. Spaltkorr. g/m h 3 + es 40 < 23 ' 10 6 > 785 65 45 17 + 25 V I 18 ' - 70 < 23 < 23 10 i 19 + 25 35 ~ < 23 7 22 75 40 _ 0 20 +105 45 < 23 '_ s 21 + 10 :_25 35 < 30 1 7 23 - 30 < 23 < 23 11 1)11.4 z Hzso + 1.17 z Hcl + 1 z cuc12 + 1 z Feel 4 3 Spalrkorrcsíon §pg}5k2?:P§i2v§R2F2P5äf¿ki Ess Stål nr 6 visade sig genast helt överlägset de allra flesta rostfria stål som någonsin provats hos sökanden. Medan det bästa resultatet för jämförelsematerialen var Esp = + 105 mV, hade stål nr 6 inte blivit angriper vid Esp = + 785 mV. Försökvt måste då avbrytas, eftersom klänmorna i provhålluren (tillverkade av stå] av kvalitot NU SS 904L) då hade korroderat sönder. Detta betyder att stålet torde vara helt beständigt mot havsvatten vid rumstemperatur.

Stål nr 3 uppvisade långt ifrån lika goda r0su]taL som stål nr 6 och stannade något under resultatet för stål nr 20, trots att krom- och nickelhalterna är lika höga och molybdenhalten endast 1.5 och kvävehalten .21 Z lägre än hos stål nr 6. 10 15 20 25 39 8305795-0 11 Efifiisë :Peltkefrfieieflstsmaerasat»__°9T_ _ Vid den jämförande CCT-provning i FeCl3 angreps stål nr 6 först vid 45°C. Näst bästa värde noterades med stål nr 22, 40°C, medan övrigas CCT ligger under rumstempratur utom möjligen för stål nr 21, som gav bra resultat upp till 3000.

.Kritisk ruektfzätfliflssíßaveratari EPI Även denna provning utfördes i FeCl Tabell 3 visar i detta fall högsta CPT för stål nr 22, 75°C, följt av experimentstålet nr 6, 6500. Jämfört med spaltkorrosionsegenskaperna uppvisar experiment- stålet nr 6 sålunda sämre punktfrätningsegenskaper. Detta kan bero på den vanligen mindre gynnsamma inneslutningsbilden hos små labo- ratoríesmältor jämfört med material som tillverkats under produk- tionsmässiga förhållanden. Slaggbilden kan nämligen ha större betydelse för punktfrätning än för spaltkorrosion. å°zreßi°e i evefsfisls ekzfläberlöeflifle Endast stål nr 6 och 22 var helt fria från angrepp vid SOOC.

TABELL 4 Utvärdering av korrosionsangrepp efter 6 mån exponering i pappersmassablekeri.

Stål Viktsförlust Max angreppsdjup Korr hast Spaltangrepp under nr g mm g/mzh distansbricka, djup mm 16 -50 0.6 _ .004 < 0.1 24 1.16 1.1 .O11 < 0.1 25 1.50 1.0 .Û13 .12 För att ytterligare utvärdera korrosionsogenskaperna hos det upp- fínníngsenliga stålet framställdes en 50 kg laboratoriesmälta, stål nr 16, med samma nominella sammansättning som stål nr 6. Även detta material gick att smida och valsa utan anmärkning och gav likartade, myvkct goda korrosionsresultat. Här skall rapporteras dels resultat från utförda fältförsök, dels resultat från labora- 10 15 20 25 30 35 8305795-0 12 toriemässigt utförda korrosionsprovningar samt ett första svetsförsök.

Fältprovet utfördes i klordioxidsteget i ett pappersmassablekeri.

,Proverna, som hade formen av mindre plåtstycken, placerades på högkant i ena hörnet av filtrets ínloppslåda. Hälften av plåtarna var nedsänkta i massasuspensionen, medan den övre hälften befann sig i gasfasen. Miljön i dessa filter är så korrosiv att material- frågan hittills inte kunnat lösas på tillfredsställande sätt.

Tidigare exponeringar har visat att endast titan klarar sig utan angrepp. Typiska miljöparametrar är: Redoxpotential 650 mV/SCE Aktivt klor i filtrat 7 mg/l_1 pa 3.8 ' Kiorid zzo Ing/l* Temperatur 7300 Proverna utgjordes av det uppfinningsenliga stålet nr 16 samt jäm- förelsematerialen 24 och 25. Samtliga prover hade före exponeringen slipats samt betats i 10 Z HNO3 + 1 % HF, 6000/10 min.

Resultaten framgår av Tabell 4._ Såväl viktsförlust i g/mzh som angreppsdjup för punkt- och spalt- angrepp var lägst för stål nr 16, högst för stål nr 25. Expone- ringen bekräftade ovan redovisade laboratoriedata för tvåkilosprov, stål nr 6.

De laboratoriemässigt utförda korrosionsundersökningarna av stål nr 16 har sammanfattats i Tabell 5. Stålet hade svetsats med svets- elektrod av typ Avesta P12; MIG-svets. Speciellt värt att notera är att några korrosionsangrepp inte uppstod i svetsgodset eller i den värmepåverkade zonen. Själva svetsningen innebar inga problem.

Stålet kunde svetsas med mycket låg värmetillförsel, 0.235 kJ/mm.

Svetsen var av god kvalitet, jämn, utan stänk eller porer. 8305795-O 13 TABELL 5 Sammanfattning av korrosionsresultat för stål nr 16, både grundmateríal och Svets. . . o g 5 " m N m PunkLfrf- ' Krxtlsk tempvratur, (2 ,., p; ä; ä ä) puh-nl ínl >.,.-.. ..~~.-.---------~------'~--~ W" ~~"""""" _' '4 »1 f: 'r o i i . i syntoLísk u. E? ä; 4 5% NaCl l 6 Z Feclfiš skrubberlösníng å pH 2.2 . .. 9o°c Punkc- spalc- Vllfšsffrmst mV/SCE frätn. korr. gm h 3? ä 181 75 40 60(CPT) O 0.27 å' ss o.34 F? s. 70 1 .4 5 andast l-Û n Snltt* ytor 25 194 . ss - 0.39 0.38 o 3 “f U)

Claims (10)

g1o 15 20 25 30 35 ssosves-og 14 PATENTKRAV

1. Stål av austenitisk typ med extremt bra resistens mot i synner- het punkt- och spaltkorrosion, god svetsbarhet och goda hållfast- hetsegenskaper, k ä n n e t e c k n a t av att det har följande kemiska sammansättning i vikts-Z, max 0.03 C 0.1 - 2 Si 8 _ 15 Mh 15 - 30 Cr 12' - 20 Ni 3.5 - 10 Mo 0.35 - 0.55 0 N rest väsentligen endast järn, föroreningar och accessoriska element i normala halter, cch att det s k PRE-värdet, (dvs Z Cr + 3.3 x Z Mo + 16 X Z N), är minst 41.

2. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att PREëvärdet är från 41 till 45.

3. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det inne- håller 14 ~ 17 Ni.

4. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 9 - 11 Mn.

5. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 18 - 23 Cr.

6. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 4 - 8 Mo.

7. Stål enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller 0.38 - 0.48 N. 10 15 20 Cr-ekv 8305795-0 15

8. Stål enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t av att det innehåller max 0.02 C.

9. Stål enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att Cr'ekv = Z Cr + Z Mb + 1,5(Z Si) + 0.5(Z Nb) är minst 24, att Ni~ekv = Z Ni + 0.5(Z Mn) + 30(Z C +_% N) är minst 25, och att Ni_ekv §_0.9, företrädesvis §_0.8.

10. Stål enligt något av kraven 1-9, k ä n n e t e c k n a t av .att det har följande sammansättning max 0.020 C 0.2 - 1.5 Si 9 - 11 Mn max 0.008 S, företrädesvis max 0.005 S 19 - 22 cr ' 14 - 17 Ni 4 - 5 Mo 0.38 - 0.48 N rest väsentligen endast järn och oundvikliga föroreningar.