SE516137C2 - Värmebeständigt austenitiskt stål - Google Patents

Description

516 137 2 säkerställa en strukturmässigt stabil austenitisk struktur reducerats genom ersättning med kväve i några av de tidigare utvecklade legeringarna.

I allmänhet är det svårt att åstadkomma ett korrosionsresistent material med hög krypbrotthållfasthet som samtidigt har en acceptabel strukturstabilitet fastän kväve tillsattes som ersättning för en del av det dyra nickel. Det behövs en ganska hög halt nickel i det här materialet med en hög halt av ferritstabiliserande ämnen som krom, volfram och niob, tillsatta för en hög korrosionsresistans såväl som en hög krypbrotthållfasthet för att undertrycka bildandet av spröda faser som sigma-fas efter långtidsexponering. Andra ämnen som främjar sigma-fasen som kisel och molybden har hållits låga, medan några andra ämnen förutom nickel tillsattes med syftet att förbättra strukturstabiliteten.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en legering med hög krypbrotthållfasthet vid förhöjda temperaturer under långa tidsperioder, en god resistens mot ångoxidation och resistens mot korrosion på rökgassidan och tillräcklig strukturstabilitet. Det rostfria austenitiska stålet innehåller (efter vikt) 0,04 till 0,10 % kol ( C), inte mer än 0,4 % kisel (Si), inte mer än 0,6 % mangan (Mn), 20 till 27 % krom (Cr), 22 till 32 % nickel (Ni), inte mer än 0,5 % molybden (Mo), 0,20 till 0,60 % niob (Nb), 0,4 till 4,0 % volfram (W), 0,10 till 0,30 % kväve (N), 0,002 till 0,008 % bor (B), 0,003 till 0,05 % aluminium (Al), minst ett av änmena magnesium (Mg) och kalcium (Ca) i halter mindre än 0,010 % Mg och mindre än 0,010 % Ca, resten är järn och oundvikliga föroreningar. Dessutom kan antingen 2,0-3,5 % koppar (Cu) och/eller 0,5 % till 3 % kobolt (Co) och/eller 0,02-0,l % titan (Ti) tillsättas. 516 137 Detaljerad beskrivning av uppfinningen Kol: Kol är en beståndsdel som effektivt säkrar brottgränsen och krypbrotthållfastheten som krävs för ett högtemperaturstål. Emellertid, om kol tillsätts i alltför hög halt reduceras legeringens seghet och svetsbarheten kan försämras. På grund därav definieras kolhalten med en variationsvidd från 0,04 % till 0,10 %, företrädesvis 0,06-0,08 %.

Kisel: Kisel är effektivt som desoxideringsmedel och tjänar även till att förbättra resistensen mot oxidation. Emellertid är en alltför stor andel av kisel skadligt för svetsbarheten, och för att undvika försämring av duktilitet och hårdhet beroende på tillkomsten av sigrna-fas efter långtidsexponering skall kiselhalten inte vara högre än 0,4 %, företrädesvis mycket lägre än 0,2 %.

Mangan: Mangan är ett desoxiderande ämne och är även effektivt för att förbättra varmbearbetbarheten. För att undvika att krypbrotthållfastheten, duktiliteten och hållfastheten försämras, skall manganhalten dock inte vara högre än 0,6 %.

Fosfor och svavel: Fosfor och svavel är skadliga för svetsbarheten och kan gynna sprödheten och bör därför inte överstiga 0,03 % respektive 0,005 %.

Krom: Krom är ett effektivt ämne för att höja resistensen mot korrosion på rökgassidan och resistens mot ångoxidation. För att uppnå en tillräcklig resistens behövs det en kromhalt 516 137 4 på minst 20 %. Emellertid, när kromhalten överstiger 27 % måste nickelandelen höjas ytterligare för att skapa en stabil austenitisk struktur och undertrycka bildandet av sigma- fas efter långa tidsperioder vid förhöjda temperaturer. Med tanke på omständighetema begränsas kromhalten till en variationsvidd mellan 20 % till 27 %, företrädesvis 22-25 %.

Nickel: Nickel är ett nödvändigt ämne i syfte att säkerställa en stabil austenitisk struktur.

Strukturstabiliteten beror väsentligen på den relativa halten av ferritstabilisatorer som krom, kisel, molybden, aluminium, volfram, titan och niob och de austenitiska stabilisatorema som nickel, kol och kväve. För att undertrycka bildandet av sigma-fas efter långa tidsperioder vid förhöjda temperaturer vid de höga halter av krom, volfram och niob som behövs för att säkerställa korrosionsresistans vid höga temperaturer såväl som en hög krypbrotthållfasthet, skall nickelhalten minst vara 22 %, företrädesvis högre än 25 %. Dessutom dämpar vid en specifik krornhalt en högre nickelhalt tillväxthastigheten av oxider och förstärker tendensen till bildandet av ett järrmt lager kromoxid. Emellertid, för att bibehålla produktionskostnaden på en rimlig nivå bör nickelhalten inte överstiga 32 %. Med tanke på ovannämnda omständigheterna begränsas nickelhalten till en variationsvidd från 22% till 32 %.

Volfram och molybden: Volfram tillsätts för att öka högtemperaturhållfastheten huvudsakligen genom lösningshärdning och en minimihalt på 0,4 % behövs för att uppnå denna effekt.

Emellertid främjar dock såväl molybden som volfram bildandet av sigma-fasen och kan även påskynda korrosionen på rökgassidan. Volfram anses att vara mera effektiv än molybden för förbättring av hållfastheten. På grund av detta hålls molybdenhalten låg, inte mer än 0,5 %, företrädesvis lägre än 0,02 %. Emellertid, för att bibehålla en tillräcklig bearbetbarhet skall volframhalten inte överstiga 4,0 % och därför begränsas volframhalten till en variationsvidd från 0,4 % till 4,0 %, företrädesvis l,8% till 3,5 %. 516 137 Kobolt: Kobolt är ett austenitstabiliserande ämne. Tillsats av kobolt kan förbättra högtemperaturhållfastheten genom lösningshärdning och undertrycka bildandet av sigma- fas efter långa tidsperioder vid förhöjda temperaturer. Emellertid bör dock kobolthalten vara inom området 0,5 % till 3,0 % om detta tillsätts för att bibehålla produktionskostnaden på en rimlig nivå.

Titan: Titan kan tillsättas med ändamålet att förbättra krypbrotthållfastheten genom utskiljning av karbonitrider, karbider och nitrider. Emellertid kan dock en alltför hög halt av titan försämra svetsbarheten och bearbetbarheten. På grund av detta definieras titanhalten till en variationsvidd från 0,02 % till 0,10 % om detta tillsätts.

Koppar: Koppar kan tillsättas för att skapa en kopparrik fas, fint och jämnt utskiljd i grundmassan, vilket bidrar till en förbättring av krypbrotthållfastheten. Emellertid kan dock en alltför hög halt koppar resultera i en försämrad bearbetbarhet. Med tanke på dessa överväganden definieras kopparhalten till en variationsvidd från 2,0 % till 3,5 %.

Aluminium och Magnesium: Aluminium och magnesium är effektiva för desoxideringen under tillverkningen.

Emellertid kan dock en alltför hög halt aluminium påskynda utskiljningen av sigma-fas och en för hög halt magnesium kan försämra svetsbarheten. På grund av detta är aluminiumhalten vald att vara minst 0,003 %, men inte mer än 0,05 % och magnesiurr1halten är vald att vara mindre än 0,01 %. 516 137 Kalcium: Kalcium är effektiv för desoxideringen under tillverkningen. Kalciumhalten är vald att inte vara mer än 0,01 % om detta tillsätts.

Niob: Niob är allmänt vedertagen för att bidraga till en förbättring av krypbrotthållfastheten genom utskiljning av karbonitrider och nitrider. Emellertid kan dock en alltför hög halt av niob försämra svetsbarheten och bearbetbarheten. Med tanke på dessa överväganden begränsas niobhalten till en variationsvidd från 0,20 % till 0,60 %, företrädesvis 0,40 % till 0,50 %.

Bor: Bor bidrar till förbättring av krypbrotthållfastheten delvis på grtmd av bildandet av fint dispergerad M23(C,B)6 och förstärkning av korngränsema. Bor kan även bidraga till förbättring av varrnbearbetbarheten. Emellertid kan en alltför hög halt bor försämra svetsbarheten. Med tanke på dessa överväganden begränsas borhalten till ett område från 0,002 % till 0,08 %.

Kväve: Kväve, likasom kol, är sedvanligt känt för att förbättra hållfastheten vid förhöjd temperatur, krypbrotthållfastheten och för att stabilisera den austenitiska fasen.

Emellertid, om en alltför hög halt kväve tillsätts, så reduceras legeringens seghet och duktilitet. Av dessa anledningar definieras kvävehalten till en variationsvidd från 0,10 % till 0,30 %, företrädesvis 0,20-0,25 %.

Under tillverkningen av legeringen av föreliggande uppfinning, kan en smälta framställas med hjälp av någon konventionell process, som inkluderar en elektrisk ljusbågsugn, argon-syre-avkolning (AOD) och vakuum induktionssmältningsprocess. Smältan kan 516 137 7 sedan stränggjutas eller götgjutas, smidas och sedan genom varmextrusion omvandlas till sömlösa rör. Stålet kan sedan kallvalsas, utsättas för lösningsbehandling vid temperaturer höjda till 1150-1250 °C. Sådana rör kan med fördel användas som beståndsdelar i överhettare.

För att mera fullständigt kunna förstå den föreliggande uppfinningen presenteras följande exempel.

Exempel Tabell 1 visar den kemiska sammansättningen för några legeringar av denna uppfinning.

Provstavar av alla dessa legeringar preparerades och utsattes för ett krypbrotthållfasthetstest vid 700°C. Tabell 2 visar resultaten av ett krypbrotthållfasthetstest med krypbrottid vid 185 MPa och vid 165 MPa.

Högnickellegeringen med en kombination av en hög halt av kväve, niob, volfrarn, kobolt och koppar visar de bästa krypegenskaperna (legering nr 605105). Dessutom är den höga nickelhalten avgörande för krypbrotthållfastheten (legering nr 605105, 605107 och 605112). Legeringar med en kombination av höga halter av volfram och kobolt ger en bättre krypprestanda. En jämförelse av legeringar med hög nickel- respektive kvävehalt (legering nr 605105 och 605107) visar att legeringen med högre halt av volfiam och kobolt presterar bättre. Dessutom kan en högre halt av kobolt bidraga till bättre krypegenskaper. En jämförelse av legeringama med hög volframhalt (legeringar nr 605108 och 605113) visar att legeringen med den högre kobolthalten är den bästa avseende kryhållfastheten. 516 137 8 Tabell 1 Kemisk sammansättning [vikt%]. Resten är FE och föroreningar Charge C Si Mn Cr Ni W Co Cu Nb B N nr ppm 605119 0,072 0,09 0,52 22,8 24,9 2,00 0,99 0,42 31 0,14 605099 0,074 0,07 0,54 23,1 25,1 1,06 0,03 0,41 30 0,16 605100 0,074 0,04 0,49 25,1 24,9 1,02 1,03 0,41 27 0,16 605101 0,074 0,04 0,48 25,1 24,9 1,99 0,06 0,42 27 0,16 605104 0,072 0,06 0,50 24,1 24,8 1,51 0,49 0,41 28 0,15 605105 0,076 0,07 0,22 24,6 26,3 1,90 1,50 2,5 0,49 29 0,24 605107 0,076 0,10 0,25 24,2 27,1 0,60 0,03 2,4 0,48 29 0,26 605108 0,076 0,08 0,22 24,3 26,4 2,00 0,02 2,4 0,49 30 0,15 6051 12 0,078 0,09 0,22 24,5 26,3 0,54 1,50 2,5 0,42 30 0,22 6051 13 0,076 0,07 0,22 24,4 26,3 2,00 1,40 2,4 0,43 32 0,15 40 516 137 Tabell 2 Tiden till krypbrott vid 700 °C Charge nr 185 MPa 165 MPa KIYP KYYP tid [h] tid [h] 605119 643 1085 605099 472 665 605100 606 982 605101 758 1103 605104 565 1052 605105 1024 1631 605107 771 1306 605108 454 760 605112 657 1170 605113 479 884

Claims (8)

10 15 20 25 30 516 137 10 Patentkrav

1. Austenitiskt rostfritt stål med en hög krypbrotthållfasthet vid förhöjda temperaturer under långa tidsperioder, god resistens mot ångoxidation och resistens mot korrosion på rökgassídan och tillräcklig strukturstabilitet, k ä n n e t e c k n a t av, att legeringen innehåller (i viktprocent) 0,04 till 0,10 % kol ( C), inte mer än 0,4 % kisel (Si), inte mer än 0,6 % mangan (Mn), 20 till 27 % krom (Cr), 22 till 32 % nickel (Ni), inte mer än0,5 % molybden (Mo), 0,20 till 0,60 % niob (Nb), 0,4 till 4,0 % volfram (W), 0,10 till 0,30 % kväve (N), 0,002 till 0,008 % bor (B), 0,003 till 0,05 % aluminium (Al), minst ett av ämnena Mg och Ca i halter mindre än 0,010 % Mg och mindre än 0,010 % Ca dessutomen halt av 2-3,5 % Cu och 0,5-3 % Co eller 0,02-0,1 % Ti, och resten är järn och vid ståltillverkning normala föroreningar.

2. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innehåller 22-25 % Cr.

3. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innehåller 25-28 % Ni.

4. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innehåller 1,8-3,5 % W.

5. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innehåller 0,4-0,5 % Nb.

6. Legeringen enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att den innehåller 0,20-0,25 % N.

7. Strukturell del av en panna for användning vid fórhöj da temperaturer, k ä n n e t e c k n a d av, att den är tillverkad utav en legering enligt något av kraven 1-6. 10 15 20 25 30 516 137 11

8. Ett sömlöst rör för användning i panna vid förhöjda temperaturer, k ä n n e t e c k n a d av, att de är tillverkade utav en legering enligt något av kraven 1-6.