SE459185B - Ferrit-martensitiskt rostfritt staal med deformationsinducerad martensitfas - Google Patents

Description

459 185 Den strikt kontrollerade, optímerade sammansättningen (w-%) hos den legering uppfinningen svarar mot är: C max 0.l% Si 0.1-l.5% NH , 1.0 - 5.0% Cr 17-22% Ni 2.0 - 5.o% Mo max 2.0% N max 0.2% samt resten Fe jämte normalt förekommande föroreningar.

Legeringshalterna är mycket kritiska och styrs av krav på mikrostrukturen. Mikrostrukturen ska ha en ferrithalt av 5-45% och resten bestående av en austenitfas som vid sval- ning från hög temperatur, t ex efter varmbearbetníng eller glödgning, ej omvandlas till martensit. Vid efterföljande kallbearbetning omvandlas austenitfasen till martensit. För att få maximal hállfasthet bör austenitfasen-i högsta möjli- ga grad ha omvandlats till martensit efter sista kallbear- betningsteget. Martensitbíldningen ger också ett kraftigt deformationshârdnande. Detta är mycket väsentligt eftersom ett kraftigt deformationshàrdnande ger materialet hög defor- merbarhet d v s möjlighet att uppnå höga deformationsgrader utan att materialet spricker.

För att dessa villkor samtidigt ska uppfyllas måste lege- ríngsämnenas effekter vara kända. Vissa legeringselement är ferritgynnande medan andra är austenitgynnande vid tempera- turer som är aktuella vid varmbearbetninq och glödgning.

Ferritgynnande element är främst Cr, Mo och Si. Austenit- gynnande element är främst Ni, Mn, C och N. Samtliga lege- ringsämnen motverkar i varierande grad austenitens omvand- ling till martensit vid kallbearbetning. 459 185 3 Problemet har lösts genom att den önskade ferritandelen 5-45% efter clödgning eller varmbearbetning har nåtts genom att med hjälp av termodynamiska jämviktsberäkningar med dator erhålla lämpliga kemiska sammansättninqar. Dessa sam- mansättningar har begränsats ytterligare p g a bivillkoret att austenitfasen ska omvandlas till martensit vid kallde- formation men ej vid svalning. Benägenheten till denna om- vandling har visat sig vara möjlig att beräkna med hjälp av en empirisk formel som beräknar austenitens stabilitet mot martensitbildning vid deformation som funktion av den kemis- ka sammansättningen. Systematiska undersökningar har visat att austenitfasens stabilitet mot martensitbildning (Sm) kan beskrivas med formeln; Sm = 462 (w-% C + w-% N) + 9.2 w-% Si + 8.1 w-% Mn + 13.7 w-% Cr + 34 w-% Ni (1) där de angivna halterna är halterna i austenitfasen.

Utvecklingsarbetet för föreliggande uppfinning har visat att Sm ska vara högre än 475 och lägre än 600 för att austenitfasen ej ska omvandlas till martensit vid svalning, men vid kallbearbetning så att nära fullständig omvandling skett efter sista kallbearbetningsteget.

Som framgàtt ovan är det alltså mycket kritiskt att lege- ringshalterna är optimala. Nedan följer en beskrivning av legeringsämnenas effekter och förklaring till halternas begränsningar.

Q bör i legeringen enligt uppfinningen förekomma i làga halter högst 0.06 w-% företrädesvis högst 0.03 w-%. Orsaken är att risken för karbidutskiljningar vid värmebehandlingar och anlöpningar ökar vid högre kolhalter. Karbidutskiljning- ar är ofördelaktiga eftersom de ger nedsatt hàllfasthet och ökad risk för korrosion, främst punktkorrosion. Kol har dock flera positiva och användbara egenskaper. Kol bidrar 459 185 till deformationshêrdnandet främst därför att härdheten ökar i martensiten. Dessutom är kol en austenitbildare, alltså ett medel att erhålla optimala fasandelar. Som framgår av formeln ovan stabiliserar kol kraftigt austenit- fasen mot omvandling till marteñsit. Kolhalten bör därför vara >0.0l w-%. âi är ett viktigt legeringselement för att underlätta den metallurgiska tillverkningsprocessen. Si ökar relativt kraf- tigt ferrithalten. Höga halter kisel ökar tendensen till utskiljning av intermetalliska faser. Si-halten bör därför begränsas till max 1.0 w-% företrädesvis max 0.8 w-%. Dess- utom bör kiselhalten vara >0.l w-%. nn har flera viktiga effekter i legeringen enligt uppfin- ningen. Mangan har överraskande visat sig öka tvåfas- områdets ferrit-austenit utbredning i det termodynamiska fasdiagrammet. Det innebär att Mn underlättar möjligheterna att optimera övriga legeringstillsatser för att nà rätt punkt i fasdiagrammet, m a o nå andel. onskad ferrit- och austenit- Mn spelar också en överraskande viktig roll för att nà rätt stabilitet hos austeniten mot martensitbildning. Mangan har nämligen visat sig ha en betydligt kraftigare effekt att stabilisera austenitfasen mot martensitbildning vid svalning än vad som är fallet vid deformation. Detta har till följd att deformationstemperaturen vid hög Mn-halt lättare kan användas som ett medel för att nà den önskade när fullständiga omvandlingen till martensit efter sista bearbetningssteget.

Mangan i alltför höga halter nedsätter korrosionsbeständig- heten i syror och kloridhaltiga miljöer. Manganhalten bör därför vara högre än l w-% men lägre än 5 w-% vis lägre än 4 w-%. , företrädes- 459 185 bn gr är ett betydelsefullt legeringsämne ur ett flertal aspekter. Cr ökar lösligheten för N både i fast fas och i smälta. Det är viktigt eftersom N, vilket beskrivs nedan, är ett mycket centralt legeringsämne och förekommer i relativt höga halter i legeringen enligt uppfinningen.

Cr-halten bör vara hög för att nå god korrosionsbeständig~ het. Allmänt anses att Cr-halten bör vara högre än ca 13% för att stålet ska betecknas som rostfritt. Den legering som uppfinningen avser kommer, vilket beskrivs nedan, med fördel att anlöpas, varvid främst högkromhaltiga nitrider kommer att utskiljas. För att därvid minska tendensen till lokalt alltför kraftig nedsättning av Cr-halten, måste Cr-halten vara högre än 17%.

Krom är också en kraftig ferritbildare och ökar austenitens stabilitet mot martensítbildning. Hög kromhalt ökar också tendensen till utskiljning av intermetalliska faser och för benägenheten till s k 475°C - försprödníng i ferrítfasen.

Kromhalten bör därför vara max 22 w-%. §i är också ett legeringsämne med flera viktiga egenskaper.

Ni är en kraftig austenitbildare, alltså viktig för att erhålla önskad ferritandel. Dessutom ökar Ni austenitens stabilitet mot martensitbildning både vid svalning från hög temperatur och vid kallbearbetning. Nickel är dock ett dyrt legeringsämne. Det är därför överraskande gynnsamt att Ni- halten kan hållas låg samtidigt som kraven på ferritandel och austenitstabilitet tillgodoses. Ni-halten bör därför .vara högre än 2.0 w-%, företrädesvis högre än 2.5 w-% och lägre än 4.5 w~%, företrädesvis lägre än 4.0 w-%. gg har ferritbildande och austenitstabiliserande effekter som liknar Cr. Molybden är dock ett dyrt legeringselement.

Molybden har emellertid gynnsam effekt på korrosionsegen- skaperna varför små mängder molybden kan tillsättas. Efter- som Mo har egenskaper som liknar Cr:s egenskaper, skulle en hög Mo-halt innebära att Cr-halten var nödvändig att sänka. 459 185 Resultatet skulle bli en oönskad sänkning av N-lösligheten, eftersom Cr kraftigt ökar N-lösligheten, vilket betonats ovan. Molybdenhalten bör därför vara lägre än 2.0 w-%, van- ligen lägre än l.5% och företrädesvis lägre än 0.8 w-%.

Mo-halten bör också företrädesvis vara högre än 0.1 w-%. § har i den aktuella stàltypen effekter som liknar effekter- na av C. Kväve har dock fördelar framför kol. Det har öv raskande konstaterats att anlöpningsbehandling efter av ef* slu- tad kallbearbetning ger en mycket markant hàllfasthetshöj- ning vid kvävelegering. Anledningen är att anlöpningen ger en mycket fíndispers nitridutskiljning, som fungerar som utskiljningshärdning.

Dessutom bidrar kväve i väsentlig grad till att öka härdig- heten mot punktkorrosion. Det har också visat sig att nitridutskiljningar som bildas vid t ex anlöpning ger en mindre allvarlig sensibilisering än vad som är fallet vid karbidutskiljningar, som uppstår vid höga C-halter. På grund av den höga N-halten i legeringen enligt upp- finningen, kan C-halten hållas på en låg nivå. För att dra nytta av kväves effekter på deformationshârdnande, hàllfast- het, austenitbildning, austenitstabilitet och punktkorro- sionshärdighet bör kvävehalten vara högre än 0.08% och lägre än O.20%.

Nedan konkretiseras uppfinningen med resultat från utveck- lingsarbetet. Detaljer om mikrostruktur och egenskaper, främst mekaniska egenskaper ges.

Framtagningen av materialet omfattade först smältning och gjutning vid ca 1600°C, varefter de erhållna göten värmdes till ca 1200°C och bearbetades medelst smidning till stäng. Ytterligare varmbearbetning medelst extrusion till rund stång eller varmvalsning till band skedde där- efter vid en temperatur av ll50-l220°C. Provstavar förfärdigades för olika typer av prov. Släckglödgat material var värmebehanaiat vid 1ooo°c-1oso°c. 459 185 / Kemiska sammansättningen hos legeringarna i utvecklings- programmet framgår av tabell l nedan.

Tabell l Kemisk sammansättning (w-%) hos försökslegeringarna Stål nr C Si Mn P S Cr Ni M0 N max 328 .017 .52 3.98 .006 .0026 20.22 2.12 0.3 .15 332 .018 .44 2.30 .006 .002l 19.97 2.91 0.3 .l3 451 .0l8 .46 4.25 .007 <.003 20.34 3.08 0.3 .l4 450 .02l .S1 2.90 .0O6 <.003 20.33 4.65 0.3 _14 AISI 301 _12 .89 1.24 .006 .0020 16.89 6.89 * _04 Nominella kemiska sammansättningarna för legeríngarna beräk- nades termodynamiskt med dator för att erhålla optimal mik- rostruktur. Mikrostrukturen hos legeringarna kontrollera- des. Ferritandel och martensitandel hos glödgade varm- valsade banden framgår av tabell 2 nedan.

Tabell 2 Mikrostruktur i glödgade varmvalsade band från försökslegeringarna.

Stål nr glödgn temp OC % ferrit % martensit 328 1000 42 0 332 1000 39 0 451 1050 38 O 450 1050 20 0 AISI 301 1050 459 185 Austenitstabiliteten (Sn) vid kallbearbetning enligt formel (1) framgår av tabell 3.

Tabell 3 Austenitens stabilitet mot martensitbildning (Sm) i försöklegeringarna.

Stål nr m_ 328 480 332 481 451 S18 450 544 AISI 301 558 Austenitstabiliteten ligger alltså i det önskade inter- vallet 475-600.

Slagsegheten vid rumstemperatur hos stångmateríal framgår av tabell 4.

Tabell 4 Slagseghet (J) (Charpy V) hos försökslegeringarna Stål Extruderad Extruderad värme- värmebeh nr stäng behandlad stång temp (ogl 328 >300 >300 1000 332 >300 >300 1000 Slagsegheten är alltså mycket god för materialtypen i båda tillstànden.

Som framgått ovan är det mycket väsentligt att material enligt uppfinningen uppvisar ett kraftigt deformationshàrd- nande under kallbearbetníngsoperationer. Tabell 5 visar hur hàrdheten ökar vid ökande deformationsgrad. 459 185 9 Tabell 5 Vickershàrdhet hos försökslegeringarna vid ökande kalldeformationsqrad.

Stål nr 328 332 451 450 AISI 301 släckglödgat 248 240 219 214 182 33% def 408 398 365 385 370 50% def 402 429 418 441 428 75% def 483 514 460 482 S25* * 70% def.

Samtliga legeringar uppvisar ett kraftigt deformationshàrd- nande som är typiskt för material med deformatíonsinducerad martensit.

Legeringarnas hâllfasthet vid enaxlig dragprovning som funk- tion av kallbearbetningsqraden framgår av tabell 6, där Rp 0.05 och Rp 0.2 motsvarar den belastning som ger 0.05% resp 0.2% kvarvarande töjning, Rm motsvarar belastningens maximivärde í krafttöjningsdiagrammet, och A10 motsvarar provstavens längdförändring uttryckt såsom A10 = 11.3 VGâ:, där SO är den uppmätta ursprungliga tvär- snittsarean hos provstaven. 459 185 Tabell 6 Sträckqräns, brottgräns, förlängning och kontrak- tion hos försökslegeringarna.

Stål Till- Rp 0.05 Rp 0.2 Rm A10 Kontr nr stånd (Moa) (Mpa) (Mpa) (%) (%) 328 glödgad 380 480 804 42 62 50% def 1148 1438 1524 3.3 75% def 1215 1684 1807 1.9 332 glödgad 297 408 863 34 65 50% def 1166 1439 1508 5.2 75% def 1302 1722 1807 1.1 451 glödgad 278 415 752 50 33% def 732 946 1099 15.5 50% def 1070 1255 1405 5.3 75% def 1125 1627 1766 2.4 450 glödgad 282 400 753 55 33% def 768 987 1137 16.0 50% def 1108 1358 1488 6.2 75% def 1324 1738 1845 3.0 AISI glödgad 230 270 811 46 65 301 70% def 1756 2080 2113 1.6 Material av typ AISI 301 i kallvalsat utförande anlöps ofta för att få ett ytterligare tillskott i hàllfasthet. Anlöp- níngsförsök med ferrít-martensitiska legeringarna enligt uppfinningen utfördes även. Därvid konstaterades att de mest positiva effekterna av anlöpning erhölls vid behand- ling vid 4oo°cfzh (stål nr 328 och 332 samt Ars: 301) eller vid 450°C/lh (stål nr 451 och 450). Effekterna av anlöpning på försökslegeringarna framgår av tabell 7. 459 185 Tabell 7 Sträckgräns, brottgräns och förlängning efter anlöpning av kallvalsat bandmaterial. Inom paren- tes ges den procentuella förändringen jämfört med kallvalsade tillståndet.

Stål Till- Rp 0.05 Rp 0.2 Rm A 10 nr' stånd (Mpa) (Mpa) (Mpa) (%) 328 50% dei 1367 (19) 1603 (11) 1603 (5) 2.3 (-30) 75% def 1700 (40) 1916 (14) 1942 (7) 3.4 (-44) 332 50% def 1451 (24) 1626 (13) 1646 (9) 2.8 (-46) 75% def 1767 (36) 1907 (11) 1907 (6) 1.3 (18) 451 33% def 955 (30) 1127 (19) 1230 (12) 7.4 (-52) 50% def 1280 (20) 1460 (16) 1518 (8) 4.3 (-23) 75% def 1589 (41) 1827 (12) 1862 (5) 2.0 (-17) 450 33% def 865 (13) 1146 (16) 1294 (14) 6.5 (-59) 50% def 1277 (15) 1545 (14) 1601 (8) 3.8 (-39) 75% def 1647 (24) 1941 (12) 1964 (6) 2.3 (-23) AISI 301 70% def 2046 (17) 2238 (8) 2238 (6) 1.3 (-19) De ferritmartensitiska legeringarna uppvisar en över- raskande god effekt av anlöpning, speciellt Rp 0.05-värdena ökar kraftigt. Det är väsentligt eftersom Rp 0.05-värdena är de värden av de uppmätta som bäst korrelerar med elasti- citetsgränsen som är mycket väsentlig i fjädertillämp- ningar. Fjäderformningsoperationer, som normalt utförs före anlöpning, blir pga den lägre elasticitetsgränsen före anlöpning lättare att utföra med material enligt upp- finningen. Den höga elasticitetsgränsen efter anlöpning ger en hög belastbarhet i praktisk användning av fjädern. _459 185 12 Den normala anlöpningstiden för material av typ AISI 301 är väsentligt längre (ca 4 h) än den optimala för legeringarna Denna skillnad ger väsentliga produkti- vitetsfërbättringar vid tillverkning av produkter som an- vänds i anlöpt tillstànd. enligt uppfinningen.

För att få en uppfattning om materialens formbarhet utfördes också duktilitetstest i form av 900-bockning till minsta möjliga radie utan sprickbildning. I och med den höga graden av kallbearbetning erhålles stora skillnader om bockningen utförs längs eller tvärs valsnings- riktningen. I tabell 8 finns resultaten sammanställda.

Tabell 8 Bockbarhet som en funktion av reduktíonsgrad i kallvalsat och anlöpt utförande.

Stål nr Tillstånd Minsta bocknings- Minsta bocknings- radie kallvalsat radie anlöpt // / // / 320 33% def - - - - 50% def >10t 6.3t >10t 6.3: 75% aef 10: >1ot >10t >10t 332 33% def - - - - 50% aef >10t 6.3: >10t st 75% aef >10t 6.3: >10t 2.8: 454 33% aef 4: l 0.2: 4t 0.7: 50% aef >6.7t 2: 5.7: 2.7: 75% aef >10c 6.7t 10: 3.3: 450 33% aef 4: 0.4: 2.1: 0.6: 50% aef >s.7t zt s.7t 2: 75% def >1ot 5.3t 10: 3.3t AISI 301 70% def >l0t >l0t >lÛt >l0t Resultaten visar att de ferritmartensitiska legeringarna behåller en god duktilitet även vid höga hàllfasthets nivåer. Dessutom inverkar den hállfasthetsökning som anlöp- ningen innebär inte negativt på bockningsegenskaperna. 459 185 13 Resultaten visar att det med de i uppfinningen ingående legeringarna gár att nå kombinationen höga hällfasthets- nivåer med bibehållen duktilitet.

Av de ovan redovisade resultaten framgår också att för AISI 301 innebär hög hållfasthet en försämring av bockningsegen- skaperna, vilket nedsätter formbarheten hos materialet.

Kraven på korrosionshärdighet är måttliga för denna mate- rialtyp. Om korrosionspàkänningar förekommer är det oftast risken för punkt- och spaltkorrosion som dominerar. Poten- tiostatiska mätningar i kloridmiljö av den kritiska tempera- turen för punktkorrosion CPT (gritical gitting Éemperature) ger ett mycket praktiskt användbart mätt på punktkorrosions- härdigheten. Sådana mätningar redovisas i tabell 9. Mätning- arna är utförda i 0.l% NaCl och en på provet pàlagd poten- tial av 300 mV relativt mättad kalomelelektrod.

Tabell 9 Kritiska temperaturen för punktkorrosion (CPT) för försökslegeringarna (300 mV/SCE, 0.l% NaCl) stal nr CPT °c 328 39 332 43 Ars: 301 10 Det framgår att de ferrit-martensitiska legeringarna upp- visar en väsentligt bättre punktkorrosionshärdighet än AISI 301. Orsaken är uppenbarligen att de ferrit-martensitiska legeringarna har en analys som är bättre optimerad än AISI 301 även med avseende på punktkorrosionshärdigheten.

Claims (8)

459 10 15 20 25 30 35 185 lä PATENTKRAV

1. Ferrit-martensitisk rostfri Mn-Cr-Ni hög hállfasthet och god dukt därav, -N-stállegering med ilitet, k ä n n e t e c k n a d att legeringen innehåller i vikts-% max 0.1% C, 0.1- l.5% Si, 1.0-5.0% Mn, 17-22% Cr, 2.0-5.0% Ni, max 2.0% M0, max O.2% N samt Fe och normalt förekommande föroreningar, varvid halterna av de ingående legeringselementen är så anpassade att följande villkor är uppfyllda: - att ferrithalten är 5-45%, och - att talvârdet för austenitfasens stabilitet mot martensit- bildning, Sm, uttryckt såsom Sm= 462 (%C + %N) + 9.2% Si + 8.l% Mn + l3.7% Cr + 34% Ni skall ligga i intervallet 475 < sm < 600 för säkerställande att austeniten omvandlas till martensit vid kalldeformation men ej vid svalning.

2. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att C-halten är max 0.06%, företrädesvis max 0.03%.

3. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att Si-halten är 0.1-l.0%.

4. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att Ni-halten är 2.5-4.5%, företrädesvis 2.5-4.0%.

5. Legeríng enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att Mo-halten är 0.1-0.8%.

6. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att N-halten är 0.08-0.20%.

7. Legering enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d därav, Mn-halten är 1.0-4.0%. 459 185 šš

8. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att bio-halten är max 1.5%.