RS58807B1 - Feritni nerđajući čelik sa odličnom otpornošću na oksidaciju, dobrom izdržljivošću na visoku temperaturu, i dobre obradivosti - Google Patents

Description

Opis

[0001] Predmetna prijava zahteva prioritet od privremene patentne prijave sa serijskim brojem 61/695,771, pod nazivom „Feritni nerđajući čelik sa odličnom otpornošću na oksidaciju sa dobrom izdržljivošću na visoku temperaturu i dobre obradivosti,” koja je podneta 31. avgusta 2012, i ne-privremene patentne prijave sa serijskim brojem 13/837,500, pod nazivom "Feritni nerđajući čelik sa odličnom otpornošću na oksidaciju, sa dobrom izdržljivošću na visoku temperaturu, i dobre obradivosti," podnete 15. marta 2013.

STANJE TEHNIKE

[0002] Poželjno je proizvesti feritni nerđajući čelik sa karakteristikama otpornosti na oksidaciju, izdržljivosti na visoku temperaturu, i dobre obradivosti. Kolumbijum i bakar su dodati u količinama da se obezbedi otpornost na visoku temperaturu, i silicijum i mangan su dodati u količinama da se obezbedi otpornost na oksidaciju. Predmetni feritni nerđajući čelik obezbeđuje bolju otpornost na oksidaciju nego poznati nerđajući čelici kao što su 18Cr-2Mo i 15Cr-Cb-Ti-Si-Mn. Dodatno, predmetni feritni nerđajući čelik je manje skup za proizvodnju nego drugi nerđajući čelici kao što je 18Cr-2Mo i može da bude proizveden bez koraka žarenja tople trake (hot band annealing – HBA).

[0003] W02012/036313 Al stavlja na uvid javnosti ploču od nerđajućeg čelika feritnog tipa otpornu na toplotu korišćenu u komponentama izduvnog sistema.

REZIME

[0004] Predmetni feritni nerđajući čelik je proizveden sa titanijumskim dodacima i niskom koncentracijom aluminijuma da se obezbedi obradivost na sobnoj temperaturi iz ekviaksijalnih zrnastih struktura koje nisu završno obrađene nakon livenja, kao što je stavljeno na uvid javnosti u američkim patentima sa brojevima 6,855,213 i 5,868, 875. Kolumbijum i bakar su dodati feritnom nerđajućem čeliku radi izdržljivosti na visoku temperaturu a silicijum i mangan su dodati da poboljšaju otpornost na oksidaciju.

DETALJAN OPIS

[0005] Feritni nerđajući čelik je proizveden korišćenjem procesnih uslova koji su poznati u stanju tehnike za primenu u proizvodnji feritnih nerđajućih čelika, kao što su procesi opisani u američkim patentima sa brojevima 6,855,213 i 5,868,875. Kolumbijum i bakar su dodati feritnom nerđajućem čeliku za izdržljivost na visoku temperaturu i silicijum i mangan su dodati da se poboljša otpornost na oksidaciju. Može se proizvesti od materijala koji ima finu ekviaksijalnu zrnastu strukturu koja nije završno obrađena nakon livenja.

[0006] Gvozdeni rastop za feritni nerđajući čelik je obezbeđen u peći za topljenje kao što je elektrolučna peć. Ovaj gvozdeni rastop može da bude formiran u peći za topljenje od čvrstog otpada koji sadrži gvožđe, otpada ugljeničnog čelika, otpada nerđajućeg čelika, čvrstih materijala koji sadrže gvožđe uključujući okside gvožđa, karbid gvožđa, direkto redukovano gvožđe, vrelo briketirano gvožđe, ili rastop može da bude proizveden uzvodno od peći za topljenje u visokoj peći ili bilo kojoj drugoj jedinici za topljenje gvožđa koja može da obezbedi gvozdeni rastop. Gvozdeni rastop će zatim biti rafinisan u peći za topljenje ili prebačen u posudu za rafinisanje kao što je posuda za argonsko-kiseoničnu dekarburizaciju ili posuda za vakuum-kiseoničnu dekarburizaciju, što je praćeno stanicom za rezanje kao što su metalurški livni lonac ili stanica za uvođenje žice.

[0007] U nekim tehničkim rešenjima, čelik je liven iz rastopa koji sadrži dovoljno titanijuma i azota ali kontrolisanu količinu aluminijuma za formiranje malih titanijum oksidnih inkluzija da se obezbede potrebna jezgra za formiranje ekviaksijalne zrnaste strukture koja nije završno obrađena nakon livenja tako da žareni lim proizveden iz ovog čelika takođe ima poboljšane karakteristike brazdanja i obradivosti.

[0008] U nekim rešenjima, titanijum je dodat rastopu za dezoksidaciju pre livenja. Dezoksidacija rastopa sa titanijumom formira male titanijum oksidne inkluzije koje obezbeđuju jezgra koja rezultiraju ekviaksijalnom finom zrnastom strukturom koja nije završno obrađena nakon livenja. Da bi se umanjilo formiranje aluminijumskih inkluzija, t.j., aluminijum oksida, A12O3, u nekim tehničkim rešenjima aluminijum može da se ne doda ovom rafinisanom rastopu kao dezoksidans i u drugim rešenjima aluminijum se može dodati ovom rafinisanom rastopu u maloj frakciji. U predmetnom pronalasku, titanijum i azot su prisutni u rastopu pre livenja tako da je odnos proizvoda titanijuma i azota podeljen sa preostalim aluminijumom najmanje 0.14.

[0009] Ako čelik treba stabilizovati, dovoljna količina titanijuma iznad one koja je zahtevana za dezoksidaciju može da bude dodata za kombinovanje sa ugljenikom i azotom u rastopu ali poželjno manja od one koja je potrebna za zasićenje sa azotom, t.j., u podravnotežnoj količini, time izbegavajući ili barem umanjujući precipitaciju velikih titanijum nitridnih inkluzija pre očvršćavanja. Maksimalna količina titanijuma za “podravnotežu“ je generalno ilustrovana na SL. 4 američkog patenta sa brojem 4,964,926, U nekim tehničkim rešenjima, jedan ili više elemenata za stabilizaciju kao što su kolumbijum, cirkonijum, tantal i vanadijum može biti dodato rastopu takođe.

[0010] Liveni čelik je toplo prerađen u lim. Za ovu objavu, termin "lim" je predviđeno da obuhvati kontinuiranu traku ili izrezane delove formirane od kontinuirane trake i termin "toplo prerađen" znači da će liveni čelik koji nije završno obrađen biti ponovo zagrejan, ako je potrebno, i zatim smanjen do unapred određene debljine kao što je pomoću toplog valjanja. Ako je toplo valjan, čelični slab je ponovo zagrejan od 2000 do 2350 F (1093 -1288 C), toplo valjan korišćenjem završne temperature od 1500 - 1800 F (816 -982 C) i namotan na temperaturi od 1000 - 1400 F (538 - 760 C). Toplo valjani lim je takođe poznat kao "topla traka." U nekim tehničkim rešenjima, topla traka može da bude žarena na maksimalnoj temperaturi metala od 1700 - 2100 F (926 - 1149 C). U drugim tehničkim rešenjima, lim se ne podvrgava koraku žarenja tople trake. U nekim tehničkim rešenjima, topla traka može da bude očišćena od kamenca i hladno redukovana najmanje 40% do željene konačne debljine lima. U drugim tehničkim rešenjima, topla traka može da bude očišćena od kamenca i hladno redukovana najmanje 50% do željene konačne debljine lima. Nakon toga, hladno redukovan lim može da bude konačno žaren pri maksimalnoj temperaturi metala od 1800 - 2100 F (982-1149 C).

[0011] Feritni nerđajući čelik može da bude proizveden iz toplo obrađenog lima koji je napravljen pomoću brojnih metoda. Lim može da bude proizveden od slabova koji su napravljeni od ingota ili kontinuirano livenih slabova debljine od 50-200 mm koji su ponovo zagrejani na 2000 do 2350 F (1093 -1288 C) praćeno toplim valjanjem da se obezbedi polazni toplo obrađeni lim debljine 1 - 7 mm ili lim može da bude toplo obrađen od trake kontinuirano livene do debljine od 2 - 52 mm. Predmetni proces može da se primeni na lim koji je proizveden pomoću metoda gde kontinuirani liveni slabovi ili slabovi proizvedeni od ingota se dopremaju direktno u tople valjaonice sa ili bez značajnog ponovnog zagrevanja, ili ingota toplo redukovanih u slabove sa dovoljnom temperaturom da budu toplo valjani u lim sa ili bez daljeg ponovnog zagrevanja.

[0012] Titanijum je korišćen za dezoksidaciju rastopa feritnog nerđajućeg čelika pre livenja. Količina titanijuma u rastopu je 0.30% ili manje. Ukoliko nije izričito drugačije navedeno, sve koncentracije navedene kao "%" su maseni procenti. U nekim tehničkim rešenjima, titanijum može da bude prisutan u podravnotežnoj količini. Kao što je ovde korišćeno, termin "podravnoteža" znači da je količina titanijuma kontrolisana tako da je proizvod rastvorljivosti formiranih jedinjenja titanijuma ispod nivoa zasićenja na temperaturi likvidusa čelika čime se izbegava prekomerno taloženje titanijum nitrida u rastopu. Prekomerni azot nije problem za one proizvođače koji prerađuju rastope feritnih nerđajućih čelika u posudi za argonsko kiseoničnu dekarburizaciju. Azot koji je značajno ispod 0.010% može da bude dobijen pri rafinaciji nerđajućeg čelika u posudi za argonsko kiseoničnu dekarburizaciju time dozvoljavajući povećanoj količini titanijuma da bude tolerisana i da još uvek bude u podravnoteži.

[0013] Da bi se obezbedila mesta nukleacije neophodna za formiranje livenih ekviaksijalnih feritnih zrna koja nisu završeno obrađena, dovoljno vremena posle dodavanja titanijuma u rastop treba da prođe kako bi se omogućilo formiranje titanijum oksidnih inkluzija pre livenja rastopa. Ako je rastop liven odmah posle dodavanju titanijuma, struktura odlivka, bez završne obrade, može da uključi veća kolumnarna zrna. Količinu vremena koja treba da prođe može odrediti običan stručnjak u oblasti bez nepotrebnog eksperimentisanja. Ingoti liveni u laboratoriji manje od 5 minuta posle dodavanja titanijuma rastopu su imali velika livena, bez završne obrade, kolumnarna zrna čak i kada je proizvod titanijuma i azota podeljen sa preostalim aluminijumom bio najmanje 0.14.

[0014] Dovoljno azota bi trebalo da bude prisutno u čeliku pre livenja tako da odnos proizvoda titanijuma i azota podeljen sa aluminijumom je najmanje 0.14. U predmetnom pronalasku, količina azota prisutna u rastopu je 0.020%.

[0015] Iako koncentracije azota nakon topljenja u elektrolučnoj peći mogu biti visoke i do 0.05%, količina rastvorenog N može se redukovati tokom rafinisanja gasom argonom u posudi za argonsko kiseoničnu dekarburizaciju do manje od 0.02%. Taloženje suvišnog TiN može se izbeći redukovanjem podravnotežne količine Ti koja treba da se doda u rastop za bilo koji dati sadržaj azota. Alternativno, količina azota u rastopu može se redukovati u posudi za argonsko kiseoničnu dekarburizaciju za očekivanu količinu Ti sadržanu u rastopu.

[0016] Ukupni preostali aluminijum može se kontrolisati ili umanjiti u odnosu na količine titanijuma i azota. Minimalne količine titanijuma i azota moraju biti prisutne u rastopu u odnosu na aluminijum. Odnos proizvoda titanijuma i azota podeljen sa preostalim aluminijumom najmanje 0.14 i najmanje 0.23 u nekim tehničkim rešenjima. Da bi se umanjile količine titanijuma i azota potrebne u rastopu, količina aluminijuma je <0.020%. U nekim tehničkim rešenjima, količina aluminijuma je ≤0.013% a u drugim tehničkim rešenjima, ona je redukovana na ≤0.010%. Ako aluminijum nije namenski legiran sa rastopom tokom prerade ili livenja kao što je za dezoksidaciju neposredno pre livenja, ukupan aluminijum treba kontrolisati ili redukovati na manje od 0.020%. Mora se imati u vidu da aluminijum može nenamerno biti dodat rastopu kao nečistoća prisutna u dodatku legure drugog elementa, npr., titanijuma. Legure titanijuma mogu da sadrže i do 20% Al koji može da doprinese ukupnom Al u rastopu. Pažljivim kontrolisanjem praksi rafinisanja i livenja, rastop koji sadrži <0.020% aluminijuma može se dobiti.

[0017] Dodatno primeni titanijuma za stabilizaciju, drugi pogodni stabilizacioni elementi mogu takođe da uključe kolumbijum, vanadijum ili njihove smeše. U nekim tehničkim rešenjima, ako je drugi stabilizacioni element korišćen u kombinaciji sa titanijumom, npr., kolumbijum ili vanadijum, ovaj drugi stabilizacioni element može biti ograničen na ≤ 0.50% kada je potrebna duboka obradivost. Pronalazak uključuje kolumbijum u koncentracijama od 0.5% ili manje. Neka tehnička rešenja uključuju kolumbijum u koncentracijama od 0.28 -0.43%. Vanadijum može da bude prisutan u količinama manjim od 0.5%. Neka tehnička rešenja feritnih nerđajućih čelika uključuju 0.008 - 0.098% vanadijuma.

[0018] Bakar poboljšava izdržljivost na visoku temperaturu. Feritni nerđajući čelici sadrže 1.0 - 2.0% bakra. Neka tehnička rešenja uključuju 1.16-1.31% bakra.

[0019] Silicijum je generalno prisutan u feritnim nerđajućim čelicima u količini od 1.0 -1.7%. U nekim tehničkim rešenjima, silicijum je prisutan u količini od 1.27 - 1.35%. Mala količina silicijuma generalno je prisutna u feritnom nerđajućem čeliku da unapredi formiranje feritne faze. Silicijum takođe poboljšava otpornost na oksidaciju pri visokoj temperaturi i obezbeđuje izdržljivost na visoku temperaturu. U većini tehničkih rešenja, silicijum ne prelazi oko 1.7% jer čelik može postati suviše tvrd i može se negativno uticati na izduženje.

[0020] Mangan je prisutan u feritnom nerđajućem čeliku u količini od 0.4 - 1.5%. U nekim tehničkim rešenjima, mangan je prisutan u količini od 0.97 - 1.00%. Mangan poboljšava otpornost na oksidaciju i otpornost na odlamanje na visokim temperaturama. Prema tome, neka tehnička rešenja uključuju mangan u količinama od najmanje 0.4%. Međutim, mangan formira austenit i utiče na stabilizaciju feritne faze. Ako količina mangana prekoračuje oko 1.5%, može se uticati na stabilizaciju i obradivost čelika.

[0021] Ugljenik je prisutan u feritnom nerđajućem čeliku u količini od do 0.02%. U nekim tehničkim rešenjima, sadržaj ugljenika je ≤ 0.02%. U još nekim tehničkim rešenjima, on je 0.0054-0.0133%.

[0022] Hrom je prisutan u nekim tehničkim rešenjima feritnih nerđajućih čelika u količini od 15-20%. Ako je hroma više od oko 25%, obradivost čelika može biti redukovana.

[0023] U nekim tehničkim rešenjima, kiseonik je prisutan u čeliku u količini <100 ppm. Kada je rastop čelika pripremljen redom u posudi za rafinaciju argonsko kiseoničnom dekarburizacijom i posudi za legiranje metalurškog livnog lonca, kiseonik u rastopu može biti u opsegu od 10-60 ppm time obezbeđujući veoma čist čelik koji ima male titanijum oksidne inkluzije koje pomažu u formiranju nukleacionih mesta odgovornih za finu livenu ekviaksijalnu zrnastu strukturu koja nije završno obrađena.

[0024] Sumpor je prisutan u feritnom nerđajućem čeliku u količini od ≤0.01%.

[0025] Fosfor može pogoršati obradivost u toplom valjanju i može da uzrokuje rupičastu (pitting) koroziju. Prisutan je u feritnom nerđajućem čeliku u količini od

[0026] Kao mangan, nikl formira austenit i utiče na stabilizaciju feritne faze. U skladu sa tim, u nekim tehničkim rešenjima, nikl je ograničen na ≤1.0%. U nekim tehničkim rešenjima, nikl je prisutan u količinama od 0.13- 0.19%.

[0027] Molibden takođe poboljšava otpornost na koroziju. Neka tehnička rešenja uključuju 3.0% ili manje molibdena. Neka tehnička rešenja uključuju 0.03 - 0.049% molibdena.

[0028] Za neke primene, može biti poželjno da se uključi bor u čelike predmetnog pronalaska u količini od ≤ 0.010%. U nekim tehničkim rešenjima, bor je prisutan u količini od 0.0001 -0.002%. Bor može da poboljša otpornost na sekundarnu radnu krtost čelika tako da je manje verovatno da će se čelični lim podeliti tokom primena dubokog izvlačenja i primena za formiranje u više koraka.

[0029] U nekim tehničkim rešenjima, feritni nerđajući čelici mogu takođe da uključe druge elemente za koje je poznato u oblasti proizvodnje čelika da mogu biti prisutni kao rezidualni elementi t.j., nečistoće iz procesa proizvodnje čelika.

PRIMER 1

[0030] Tehnička rešenja feritnih nerđajućih čelika i uporedni referentni čelici su napravljeni sa sastavima prikazanim u tabeli 1 ispod.

[0031] Materijali identifikovani kao "Lab materijali" su obrađeni na laboratorijskoj opremi prema sledećim parametrima. Svaki ingot je ponovo zagrejan na temperaturu od 2300ºF (1260ºC). Toplo je valjan do debljine trake od 0.200" (5.08 mm). Tada je podvrgnut žarenju tople trake na temperaturi od 1825-1975ºC (996 - 1079ºC). Zatim je hladno valjan do debljine od 0.079 - 0.098" (2.0 - 2.5mm). Hladno valjana traka je konačno žarena na temperaturi od 1885 - 1950ºF (1029 - 1066ºC).

[0032] Materijali identifikovani kao "fabrički materijal" su obrađeni na proizvodnoj opremi u fabrici prema sledećim parametrima. Svaki slab je ponovo zagrejan na temperaturu od 2273 -2296ºF (1245 - 1258ºC). Zatim je toplo valjan do debljine trake od 0.200 - 0.180" (5.08 - 4.57 mm). Osim gde je navedeno u primerima ispod, toplo valjana traka je zatim podvrgnuta žarenju tople trake na temperaturi od 1950 - 2000ºF (1066 - 1083ºC). Posle hladnog valjanja do 0.079 - 0.059" (2.0 - 1.5 mm), traka je konačno žarena na temperaturi od 1900-2000ºF (1038 - 1093ºC).

[0033] Materijali identifikovani kao "pronalazak" u napomenama su tehnička rešenja feritnih nerđajućih čelika predmetne objave. Materijali identifikovani kao "referenca" nisu tehnička rešenja feritnih nerđajućih čelika predmetne objave. U stvari, dva su dobro poznata ranija proizvoda: HT #831187 je nerđajući čelik tip 444 i HT #830843 je 15 CrCb nerđajući čelik, koji je proizvod AK Steel Corporation, Vest Čester, Ohajo.

PRIMER 2

[0034] Otpornost na oksidaciju nekoliko nekoliko kompozicija čelika opisanih u primeru 1 i tabeli 1 iznad je ispitivana na 930ºC tokom 200 sati na vazduhu. Rezultati ispitivanja su navedeni u tabeli 2 ispod. Svaka od pojedinačnih kompozicija je identifikovana svojim odgovarajućim ID brojem. Otpornost na oksidaciju je procenjena korišćenjem dva faktora. Jedan je bio količina dobijene mase, a drugi je bio stepen odlamanja. Za svaki materijal, osim HT #920097, prijavljena vrednost povećane mase je prosek dva ispitivanja. Za HT #920097, osam uzoraka je ispitano i minimum, prosek, i maksimum od ovih osam testova su prijavljeni.

Tabela 2 Rezultati ispitivanja otpornosti na oksidaciju na 930°C tokom 200 sati na vazduhu.

PRIMER 3

[0035] Longitudinalne zatezne karakteristike na visokoj temperaturi nekoliko kompozicija čelika iz primera 1 su ispitane prema proceduri ASTM Standardnog E21 ispitivanja zatezanja. Rezultati ovih ispitivanja su navedeni ispod:

1

PRIMER 4

[0036] Longitudinalne zatezne karakteristike nekoliko čeličnih kompozicija iz primera 1 su ispitane prema proceduri ASTM Standarda E8/E8M. Pored toga, vrednosti r (plastic strain ratio - odnos plastične deformacije) pri rastezanju su ispitivane u skladu sa procedurom ASTM Standarda E517. Otpornost na brazdanje kompozicija je takođe određena na kvalitativnoj skali od 0-6, gde 0 je najbolje, a 6 je neprihvatljivo. Rezultati ovih ispitivanja su navedeni u nastavku:

Tabela 4 Longitudinalne zatezne karakteristike (ASTM E8/E8M), r-vrednosti pri rastezanju, i otpornosti na brazdanje.

PRIMER 5

[0037] Longitudinalne zatezne karakteristike nekoliko kompozicija čelika iz primera 1 su ispitane prema proceduri ASTM Standardnog E8/E8M ispitivanja. Pored toga, vrednosti r pri rastezanju su ispitivane prema proceduri ASTM Standarda E517. Otpornost na brazdanje kompozicija je takođe određena na kvalitativnoj skali od 0-6, gde 0 je najbolje, a 6 je neprihvatljivo. Rezultati ovih ispitivanja su navedeni u nastavku:

Tabela 5 Longitudinalne zatezne karakteristike (ASTM E8/E8M), r-vrednosti pri rastezanju, i otpornosti na brazdanje.

1

PRIMER 6

[0038] Četiri uzorka tople trake A, B, C, i D od zagrejanog #920097 su proizvedena u fabrici. Laboratorijska studija je sprovedena da bi se ispitao efekat procesa žarenja tople trake i temperatura žarenja tople trake za viši r epruvete (izvlačenje ili sposobnost izvlačenja), čiji rezultati su prikazani u tabeli 6. Niža temperatura žarenja tople trake i obrada bez žarenja tople trake rezultovala višim r epruvete sa nešto nižim zateznim izduženjem i nižom otpornošću na brazdanje, ali sve u okviru prihvatljivog opsega.

(1825ºF = 996ºC; 1900ºF= 1038ºC; 1975ºF= 1079ºC).

Tabela 6 - Longitudinalne zatezne karakteristike (ASTM E8/E8M), r-vrednosti pri r z n i rn i n r z n

PRIMER 7

[0039] Jedan fabrički proizveden kalem tople trake sa sastavom datim u tabeli 1 (HT #930354, CL #681158-03) je završno-obrađen bez žarenja tople trake do 1.5 mm gejdža. Kada je korak žarenja tople trake bio uključen, fabrički proizvedeni kalemi od HT#930354 rezultovali su r vrednostima epruvete od 1.34, 1.31, 1.38, i 1.34, kao što je prikazano u tabeli 5. Kada korak žarenja tople trake nije bio uključen, rezultiralo je u višem r epruvete od 1.46, kao što je prikazano u tabeli 7 ispod.

Tabela 7 -Longitudinalne zatezne karakteristike (ASTM E8/E8M), r-vrednosti pri rastezanju, i otpornosti na brazdanje.

[0040] Ograničenja ovog pronalaska trebalo bi da budu određena iz priloženih patentnih zahteva.

1

Claims (1)

Patentni zahtev

1. Feritni nerđajući čelik koji se sastoji od sledećih elemenata po masenom procentu:

0.020% ili manje ugljenika

0.020% ili manje azota

15-20% hroma

0.30% ili manje titanijuma

0.28-0.50% kolumbijuma

1.0-2.00% bakra

1.0-1.7% silicijuma

0.4-1.5% mangana

0.050% ili manje fosfora

0.01% ili manje sumpora

0.020% ili manje aluminijuma

po izboru jednog ili više elemenata odabranih od grupe koja se sastoji od 3.0% ili manje molibdena, 0.010% ili manje bora, 0.5% ili manje vanadijuma, i 1.0% ili manje nikla, i pri čemu su ostatak gvožđe i neizbežne nečistoće,

pod uslovom da je odnos:

(% titanijuma x % azota) / % aluminijuma ≥ (I)

ispunjen.

Izdaje i štampa: Zavod za intelektualnu svojinu, Beograd, Kneginje Ljubice 5