Результат интеллектуальной деятельности: ДВУХФАЗНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к двухфазной нержавеющей стали, имеющей микроструктуру феррита и отпущенного мартенсита. В частности, настоящее изобретение относится к экономичным нержавеющим сталям с повышенной твердостью для стойких к истиранию и/или износостойких применений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Двухфазные нержавеющие стали могут иметь комбинацию требуемых свойств, которые обуславливают их широкое применение в промышленности, например, для добычи нефтенасыщенных песчаников и в сахарной промышленности. Эти стали, как правило, характеризуются микроструктурой отпущенного мартенсита, распределенного в ферритной матрице.

[0003] Примером двухфазной нержавеющей стали является нержавеющая сталь ATI 412^TM (UNS 41003), которая обычно содержит, в мас.%: 11,75% хрома (Cr), 0,90% марганца (Mn), 0,70% кремния (Si), 0,40% никеля (Ni), 0,030% серы (S), 0,020% углерода (C), от 0% до 0,040% фосфора (P), от 0% до 0,030% азота (N) и баланс железа (Fe), и другие побочные примеси. Нержавеющая сталь ATI 412^TM, как правило, имеет твердость по Бринеллю (HB) около 177 при закаливании при температуре около 766°C и твердость по Бринеллю около 258 при закаливании при температуре около 843°C.

[0004] Другой двухфазной нержавеющей сталью является сталь Duracorr^®, содержащая в мас.%: от 11,0% до 12,5% Cr, от 0,20% до 0,35% молибдена (Mo), от 0% до 1,50% Mn, от 0% до 1,00% Ni, от 0% до 0,70% Si, от 0% до 0,040% P, от 0% до 0,030% N, от 0% до 0,025% C, от 0% до 0,015% S и баланс железа Fe. Следует отметить, что нержавеющая сталь Duracorr^® содержит Mo в качестве легирующего элемента, то есть, намеренно легирующей добавки, а не в качестве побочной примеси. Однако, из-за роста стоимости Mo, нержавеющая сталь Duracorr^® может быть слишком дорогостоящей для некоторых приложений. Хотя нержавеющая сталь Duracorr^® обычно имеет твердость около 223 НВ, она может быть обработана до получения номинальной твердости 300 НВ, и отнесена к классу сталей, которые являются коммерчески доступными в качестве нержавеющей стали Duracorr^® 300. Нержавеющая сталь Duracorr^® и Duracorr^® 300 в целом имеют аналогичный состав, но твердость нержавеющей стали Duracorr^® 300 варьируется от 260 НВ до 360 НВ. Однако повышенная твердость нержавеющей стали Duracorr^® 300 сопровождается пониженной вязкостью. Например, ударная вязкость по Шарпи на образцах с V-образном надрезом нержавеющей стали Duracorr^® 300 при температуре от -40°С, составляет в среднем лишь около 15 футов на фунт (20,336 Дж).

[0005] В случаях, когда требуются нержавеющие стали, обладающие стойкостью к истиранию и/или износостойкостью, могут требоваться высокие уровни твердости, например, вплоть до около 350 НВ, в сочетании с более высокой прочностью, что доступно с нержавеющей сталью Duracorr^® 300. Более того, в некоторых областях применения в процессе эксплуатации может требоваться способность к деформационному упрочнению до 450-500 НВ, например. Кроме того, желательно, чтобы любые такие сплавы были экономически эффективными.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В соответствии с одним не ограничивающим аспектом настоящего изобретения описан вариант осуществления двухфазной ферритно-мартенситной нержавеющей стали высокой твердости. Нержавеющая сталь содержит, в мас.%, от около 11,5% до около 12% Cr, от около 0,8% до около 1,5% Mn, от около 0,75% до около 1,5% Ni, от 0% до около 0,5% Si, от 0% до около 0,2% Мо, от 0% до около 0,0025% B, Fe и примеси. В некоторых неограничивающих вариантах осуществления настоящего изобретения нержавеющая сталь согласно настоящему изобретению имеет такую твердость по Бринеллю (HB) и ударную вязкость по Шарпи (CVN) на образцах с V-образном надрезом при -40°C, что CVN (фут-фунт)+(0,4 х НВ) составляет около 160 или больше.

[0007] В соответствии с другим неограничивающим аспектом настоящего изобретения описан вариант осуществления промышленного изделия, включающий в себя двухфазную ферритно-мартенситную нержавеющую сталь высокой твердости. Нержавеющая сталь содержит в мас.%, от около 11,5% до около 12% Cr, от около 0,8% до около 1,5% Mn, от около 0,75% до около 1,5% Ni, от 0% до около 0,5% Si, от 0% до около 0,2% Мо, от 0% до около 0,0025% B, Fe и примеси. В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами осуществления изделия, нержавеющая сталь имеет такую твердость по Бринеллю (HB) и ударную вязкость по Шарпи (CVN) на образцах с V-образном надрезом при -40°C, что CVN (фут-фунт)+(0,4 х HB) составляет около 160 или больше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Признаки и преимущества нержавеющих сталей и промышленных изделий, описанных в данном документе можно лучше понять посредством ссылки на прилагаемый чертеж, на котором:

[0009] Фиг.1 представляет собой график, показывающий твердость по Бринеллю и ударную вязкость по Шарпи на образцах с V-образном надрезом неограничивающих вариантов осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, по сравнению с некоторыми обычными сталями.

[0010] Читателю будут понятны вышеуказанные, а также другие детали, при ознакомлении с последующим подробным описанием некоторых неограничивающих вариантов осуществления нержавеющих сталей и промышленных изделий, согласно настоящему изобретению. Читатель также может понять некоторые из таких дополнительных деталей при выполнении или использовании нержавеющей стали и промышленных изделий, описанных в данном документе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] В настоящем описании не ограничивающих вариантов осуществления и в формуле изобретения, за исключением рабочих примеров или где указано иначе, все числа, выражающие количества или характеристики ингредиентов, сплавов и изделий, условий обработки и т.п., следует понимать, как модифицируемые во всех случаях термином «около». Соответственно, если не указано обратное, любые числовые параметры, изложенные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приближенными значениями, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить в нержавеющих сталях и промышленных изделиях согласно настоящему изобретению. В крайнем случае, и не в качестве попытки ограничения применения доктрины эквивалентов к объему защиты формулы изобретения, каждый числовой параметр должен, по меньшей мере, истолковываться в свете количества сообщенных значащих разрядов числа и путем применения обычных методов округления.

[0012] Любой патент, публикация или другой материал раскрытия, полностью или частично, который считается включенным в данный документ посредством ссылки, включен в настоящее описание только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, заявлениям или другому материалу раскрытия, изложенному в данном описании. В таком виде и в необходимом объеме описание, изложенное в настоящем документе, заменяет любой конфликтующий материал, включенный в данное описание в качестве ссылки. Любой материал или его часть, который приводится в данном документе в качестве ссылки, но противоречит существующим определениям, заявлениям или иному материалу раскрытия, изложенному в настоящем документе, включен только в той степени, чтобы не возникало никаких конфликтов между этим включенным материалом и существующим материалом раскрытия.

[0013] Настоящее изобретение, в том числе, относится к экономичным двухфазным ферритно-мартенситным нержавеющим сталям, имеющим преимущество по твердости, и пригодным для использования в различных применениях, требующих стойкости к истиранию и/или износостойкости. В частности, некоторые варианты осуществления двухфазных ферритно-мартенситных нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению содержат в мас.%, от около 11,5% до около 12% Cr, от около 0,8% до около 1,5% Mn, от около 0,75% до около 1,5% Ni, от 0% до около 0,5% Si, от 0% до около 0,2% Mo, от 0% до около 0,0025% B, Fe и примеси. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения нержавеющая сталь имеет такую твердость по Бринеллю (НВ) и ударную вязкость по Шарпи (CVN) на образцах с V-образном надрезом при -40°C, что выполняется следующее: CVN (фут-фунт)+(0,4 х НВ) составляет около 160 или больше.

[0014] В сплавах согласно настоящему изобретению можно использовать Cr для придания коррозионной стойкости. Для обеспечения достаточной коррозионной стойкости может потребоваться содержание Cr около 11,5% (в мас.%) или более. С другой стороны, избыточный Cr может нежелательно (1) стабилизировать ферритную фазу и/или (2) фазу охрупчивания, такую как сигма-фаза. Соответственно, некоторые варианты осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению содержат от около 11,5% до около 12 мас.% Cr.

[0015] В сплавах согласно настоящему изобретению можно использовать Mn для улучшения способности к деформационному упрочнению. Для достижения желаемых эффектов упрочнения может потребоваться содержание Mn, составляющее около 0,8% (в мас.%) или более. С другой стороны, избыточный Mn может нежелательно отделяться во время обработки нержавеющих сталей. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению содержание Mn составляет от около 0,8% до около 1,5 мас.%. В некоторых других вариантах осуществления содержание Mn в нержавеющих сталях может составлять от около 1,0% до около 1,5 мас.%. В некоторых вариантах осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению добавка Mn в сочетании с добавкой других легирующих элементов может предпочтительно влиять на способность к деформационному упрочнению таким образом, что стали приобретают твердость около 450 HB или больше.

[0016] В сплавах согласно настоящему изобретению можно использовать Ni для способствования стабилизации мартенситной фазы из двухфазных (мартенситно-ферритных) сплавов. Может потребоваться содержание Ni около 0,75 мас.% или более для получения материала, содержащего более высокие уровни содержания мартенсита, чем в нержавеющей стали Duracorr^® 300. Без опоры на какую-либо теорию, содержание никеля в сплавах может повышать твердость сплава мартенситной фазы путем стабилизации образования аустенита при термической обработке с обеспечением большего количества времени для диффузии углерода. С другой стороны, из-за высокой стоимости никеля может быть желательным ограничить содержание Ni. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления сталей, согласно настоящему изобретению, содержание Ni составляет от около 0,75% до около 1,5% (в мас.%), с целью обеспечения экономичной двухфазной нержавеющей стали с высокими уровнями твердости до около 350 HB в сочетании с более высокой хрупкостью, чем в обычной нержавеющей стали Duracorr^® 300. В дополнительных вариантах осуществления содержание Ni в нержавеющих сталях согласно настоящему изобретению может составлять от около 1,0 до около 1,5 мас.%.

[0017] В некоторых вариантах осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению уровень Si можно ограничивать с целью: (1) дестабилизации ферритной фазы двухфазных нержавеющих сталей и/или (2) исключения фазы охрупчивания, такой как сигма фаза. Соответственно, некоторые варианты осуществления сталей согласно настоящему изобретению содержат от 0% до не более, чем около 0,5 мас.% Si.

[0018] В некоторых вариантах осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, уровень Mo можно ограничивать с целью (1) дестабилизации ферритной фазы двухфазных нержавеющих сталей, и/или (2) исключения фазы охрупчивания, такой как сигма-фаза. Соответственно, некоторые варианты осуществления сталей согласно настоящему изобретению, содержат от 0% до не более около 0,2 мас.% Mo. В некоторых других вариантах осуществления сталей согласно настоящему изобретению, концентрация Mo составляет от 0% до не более около 0,1 мас.%.

[0019] В двухфазных нержавеющих сталях согласно настоящему изобретению можно использовать B для улучшения мартенситной твердости. Некоторые варианты осуществления сталей согласно настоящему изобретению, содержат от 0% до около 0,0025 мас.% B. В некоторых вариантах осуществления сталей, содержание B может составлять от около 0,002% до около 0,0025 в мас.%.

[0020] Побочные элементы и примеси в описанных сплавах могут включать в себя, например, один или более из следующего, C, N, P и S. В некоторых вариантах осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, общее содержание данных элементов составляет не более 0,1 в мас.%. В некоторых вариантах осуществления наличие C можно обеспечивать в сталях, описанных в данном документе, в количестве не более 0,025 мас.%. В некоторых вариантах осуществления наличие S можно обеспечивать в сталях, описанных в данном документе, в количестве не более 0,01 мас.%. В некоторых вариантах осуществления наличие N можно обеспечивать в сталях, описанных в данном документе, в количестве не более 0,03 мас.%. Случайные уровни содержания различных металлических элементов также могут быть представлены в вариантах осуществления сплавов согласно настоящему изобретению. Например, некоторые не ограничивающие варианты осуществления сплавов согласно настоящему изобретению могут включать в себя до 0,25 мас.% меди (Cu).

[0021] В соответствии с некоторыми не ограничивающими вариантами осуществления двухфазные ферритно-мартенситные нержавеющие стали согласно настоящему изобретению содержат в мас.%: от около 11,5% до около 12% Cr; от около 1,0% до около 1,5% Mn; от около 1,0% до около 1,5% Ni; от 0% до около 0,5% Si; от 0% до около 0,1% Mo; от 0% до около 0,0025% B; от 0% до около 0,025% C; от 0% до около 0,01% S; от 0% до около 0,03% N, Fe и примеси. В некоторых вариантах осуществления нержавеющие стали дополнительно содержат P. В некоторых вариантах осуществления общая концентрация C, N, P, и S составляет не более, чем около 0,1 мас.%. В некоторых вариантах осуществления концентрация B в сталях составляет от около 0,002% до около 0,0025 мас.%. В некоторых вариантах осуществления стали содержат не более 0,25 мас.% Cu.

[0022] В соответствии с некоторыми не ограничивающими вариантами осуществления двухфазные ферритно-мартенситные нержавеющие стали согласно настоящему изобретению по существу содержат в мас.%: от около 11,5% до около 12% хрома; от около 0,8% до около 1,5% марганца; от около 0,75% до около 1,5% никеля; от 0% до около 0,5% кремния; от 0% до около 0,2% молибдена; от 0% до около 0,0025% бора; от 0% до около 0,025% углерода; от 0% до около 0,01% серы; от 0% до около 0,03% азота; при необходимости по меньшей мере одно из следующих, медь и фосфор; железо и примеси.

[0023] В соответствии с некоторыми не ограничивающими вариантами осуществления двухфазные ферритно-мартенситные нержавеющие стали согласно настоящему изобретению по существу содержат в мас.%: от около 11,5% до около 12% хрома; от около 1,0% до около 1,5% марганца; от около 1,0% до около 1,5% никеля; от 0% до около 0,5% кремния; от 0% до около 0,1% молибдена; от 0% до около 0,0025% бора; от 0% до около 0,025% углерода; от 0% до около 0,01% серы; от 0% до около 0,03% азота; при необходимости по меньшей мере одно из следующих, медь и фосфор; железо и примеси.

[0024] В соответствии с некоторыми не ограничивающими вариантами осуществления двухфазные ферритно-мартенситные нержавеющие стали согласно настоящему изобретению содержат в мас.%: от около 11,5% до около 12% хрома; от около 0,8% до около 1,5% марганца; от около 0,75% до около 1,5% никеля; от 0% до около 0,5% кремния; от 0% до около 0,2% молибдена; от 0% до около 0,0025% бора; от 0% до около 0,025% углерода; от 0% до около 0,01% серы; от 0% до около 0,03% азота; при необходимости по меньшей мере одно из следующих, медь и фосфор; железо и примеси.

[0025] В соответствии с некоторыми не ограничивающими вариантами осуществления, двухфазные ферритно-мартенситные нержавеющие стали согласно настоящему изобретению содержат в мас.%: от около 11,5% до около 12% хрома; от около 1,0% до около 1,5% марганца; от около 1,0% до около 1,5% никеля; от 0% до около 0,5% кремния; от 0% до около 0,1% молибдена; от 0% до около 0,0025% бора; от 0% до около 0,025% углерода; от 0% до около 0,01% серы; от 0% до около 0,03% азота; при необходимости по меньшей мере одно из следующих, медь и фосфор; железо и примеси.

[0026] Для заданной стали твердость, в целом, находится в обратной зависимости от хрупкости. В настоящем изобретении твердость по Бринеллю (HB) является основной мерой твердости, и ударная вязкость по Шарпи (CVN) на образцах с V-образном надрезом при -40°C является основной мерой хрупкости. Со ссылкой на фиг.1, для некоторых вариантов осуществления сталей согласно настоящему изобретению CVN (фут-фунт)+(0,4 x HB) стали составляет около 160 или больше. В некоторых вариантах осуществления твердость стали согласно настоящему изобретению, составляет около 300 HB или более и CVN составляет около 50 футов на фунт (68 Дж) или более. В некоторых вариантах осуществления, стали согласно настоящему изобретению, обладают способностью к деформационному упрочнению во время эксплуатации до твердости около 450 HB или больше.

ПРИМЕРЫ

[0027] Таблица 1 содержит составы и некоторые свойства варианта осуществления двухфазных ферритно-мартенситных нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, и обычной нержавеющей стали ATI 412^TM и обычной нержавеющей стали Duracorr^® 300. Расплавы трех сплавов, представленных в таблице 1, расплавляли в слябы весом около 15,000 фунтов (6800 кг), и прокатывали при температуре около 1950 °F (1066 °C) для получения материала толщиной около 6 мм. После прокатки сталь подвергали отжигу при температуре 766°C или 843°C в течение 15 минут и воздушному охлаждению.

[0028] Механические свойства экспериментального варианта осуществления стали, перечисленные в таблице 1, были измерены, и проведено сравнение с двумя упомянутыми обычными сталями. Твердость по Бринеллю и CVN при -40°C (фут-фунт) для трех сплавов приведены в таблице 1. Испытания на растяжение проводили в соответствии со стандартном A370 Американского общества по испытанию материалов (ASTM) при комнатной температуре с использованием шарикового индентора из карбида вольфрама на образцах длиной испытываемой части около 5 см и толщиной около 0,5 см. Испытания по Шарпи проводили в соответствии со стандартом ASTM A370 и E23 при температуре около -40 °С на поперечных образцах размером примерно 10 мм х 2,5 мм. Поскольку данные образцы по размеру не соответствуют стандарту ASTM-A370, измеренная ударная вязкость в таблице 1 преобразована в значения для образца со стандартными размерами.

[0029] Как показали результаты эксперимента в таблице 1, экспериментальный образец стали, согласно настоящему изобретению, продемонстрировал очень хорошую твердость и хрупкость (ударную вязкость CVN) по сравнению с обычными сплавами. Это было особенно неожиданным и удивительным. Коммерчески доступными сплавами, обеспечивающими сравнимую твердость и прочность, как правило, являются углеродистые стали, которые не выдерживают агрессивных сред.

[0030] В некоторых возможных неограничивающих вариантах осуществления, двухфазные нержавеющие стали, согласно настоящему изобретению, получают с использованием традиционных методов производства нержавеющей стали, в том числе, например, путем расплавления исходных материалов в электрической печи, обезуглероживания с помощью AOD-процесса и литья в слитке. Слитки могут быть отлиты, например, путем непрерывного литья заготовок или заливки слитков. В некоторых вариантах осуществления, отлитый материал можно подвергнуть термической обработке (аустенизации) или продавать в прокатанном виде.

Таблица 1.

[0031] Потенциальное использование сплавов согласно настоящему изобретению является обширным. Как описано и засвидельствовано выше, двухфазные нержавеющие стали, описанные в данном документе, могут использоваться во многих областях, где важна стойкость к истиранию и/или износостойкость. Промышленные изделия, для которых использование сталей согласно настоящему изобретению особенно преимущественно, включают в себя, например, детали и оборудование, используемые при добыче из нефтенасыщенных песчаников, и детали, и оборудование, используемые при переработке сахара. Другие области применения нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению будут очевидны для практикующих специалистов обычной квалификации. Специалисты в данной области техники могут легко изготовить эти и другие промышленные изделия из нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, используя известные способы производства.

[0032] Хотя приведенное выше описание представило лишь необходимое ограниченное число вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные изменения в сплавах и изделиях и других деталях примеров, которые были описаны и проиллюстрированы в данном документе, могут быть выполнены специалистами в данной области техники, и все такие модификации будут оставаться в пределах принципа и объема настоящего изобретения, который выражен в данном описании и в прилагаемой формуле изобретения. Например, несмотря на то, что настоящее изобретению обязательно представило только ограниченное число вариантов осуществления нержавеющих сталей согласно настоящему изобретению, а также обязательно только описывает ограниченное число промышленных изделий, включая нержавеющие стали, следует понимать, что настоящее изобретению и связанная с ними формула изобретения не имеет ограничений. Специалисты в данной области техники могут легко распознать дополнительные составы стали, и могут изготовить дополнительные промышленные изделия в соответствии и в духе необходимого ограниченного числа вариантов осуществления, описанных в данном документе. В связи с этим понятно, что настоящее изобретение не ограничивается некоторыми вариантами осуществления, описанными или включенными в данный документ, но предназначено для охвата модификаций, которые находятся в пределах принципа и объема настоящего изобретения, определенными в формуле изобретения. Специалистам в данной области техники также понятно, что в вышеописанных вариантах осуществления могут быть сделаны изменения без отхода от общего изобретательского замысла.