CN1289705C - 双联不锈钢 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双联不锈钢，以重量百分比计，其包括最多0.06%的碳、15%至小于等于25%的铬、大于3%至6%的镍、最多3.75%的锰、0.14%到0.35%的氮、最多2%的硅、大于1.4%至小于等于2.5%的钼、小于等于0.5%的铜、小于等于0.2%的钴、最多0.05%的磷、最多0.005%的硫、0.001到0.0035的硼；其余为铁和不可避免的杂质。该双联不锈钢可包含在生产制品，例如条、棒、板、片、铸件、管和管道中。也公开了一种制造这种双联不锈钢的方法。

Description

双联不锈钢
发明背景
技术领域
本发明一般涉及一种双联不锈钢。尤其是，本发明涉及一种能经济替代某些已知双联不锈钢的双联不锈钢，与某些奥氏体不锈钢，如AISI型304、316和317奥氏体不锈钢相比，它同时能提供提高的耐腐蚀性。本发明也涉及一种制造本发明的双联不锈钢的方法。可将本发明的双联不锈钢应用于，例如腐蚀性的环境，并可制造成生产用制品，例如条、棒、板、片、铸件、管道或管。
背景技术
双联不锈钢是含有由奥氏体和铁素体相混合物组成的显微结构的合金。一般来说，在具有相对更高的强度和延展性的同时，它们显示出两相的某些特性。已经提出了各种双联不锈钢，其中一些在美国专利US3650709、US4340432、US4798635、US4828630、US5238508、US5298093、US5624504和US6069441中已有描述。
早期的双相合金对普通腐蚀和氯化物应力腐蚀断裂的抵抗力适中，但当在焊接状态的条件下使用时，其性质会遭受大量损失。目前，最广泛使用的第二代双联不锈钢的一种可从宾夕法尼亚州匹兹堡市的AlleghenyLudlum公司生产的商标为AL2205(UNS S31803和/或S32205)的产品中获得。该双联不锈钢是一种含有额定铬22％、镍5.5％、钼3％、氮0.16％的合金，该合金在许多环境中提供了超出AISI型304、316和317奥氏体不锈钢的耐腐蚀性(除特别说明外，这里所有的百分比例均是指总合金重的重量的百分比)。AL2205是氮增加的双联不锈钢，它赋予氮的冶金学好处，以提高腐蚀性能和焊接态性质，同时也表现出超过传统奥氏体不锈钢两倍的屈服强度。在对普通腐蚀和氯化物应力腐蚀断裂(“SCC”)的抵抗性重要的环境中，该双联不锈钢经常以焊接管或管状部件的形式使用，也可以成形的和焊接的片状产品使用。其增加的强度为管壁厚度的降低创造了机会，并抑制了操作中的损耗。
如刚才说明的，AL2205已被管和管道的终端用户所广泛接受，尤其是当SCC成为关注点的时候，它作为316型不锈钢的低成本替代品已被广泛认可。这在很大程度上是由于AL2205比316型和317型奥氏体不锈钢的耐缝隙腐蚀性明显更强的事实。从下面的表中可以看出这种对氯化物离子缝隙腐蚀的优良抵抗性，该表列出了使用10％氯化铁溶液的ASTM工艺规程G48B的结果。提到的10％氯化铁溶液是以六水合盐的重量来计的，并相当于6重量％的无水氯化铁盐。
  10％氯化铁中的缝隙腐蚀数据
  合金   缝隙腐蚀开始的温度
  316型   27(-3℃)
  317型   35(2℃)
  AL2205   68(20℃)
但是，AL2205的非凡耐腐蚀性(和其它性质)超出了一些应用中的需要。在某些SCC应用中，虽然AL2205提供了可接受的技术解法，但它不是304、316或317型不锈钢经济实用的替代品。AL 2205较高的成本主要是由于合金元素镍(额定量5.5％)和钼(额定量3％)的用量。
因此，希望提供一种可焊接的、可成形的、具有比304、316或317型奥氏体不锈钢更高的耐腐蚀性，并比一般使用的AL2205双联不锈钢的生产成本低的双联不锈钢。
本发明概述
本发明涉及一种双联不锈钢，其包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％至小于等于25％的铬、大于3％至6％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％且小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；以及铁和不可避免的杂质。该双联不锈钢是可焊接的、可成形的、且与304、316和317型奥氏体不锈钢相比能显示出更高的耐腐蚀性的钢。
根据本发明的一个特殊实施方式，该双联不锈钢包括，以重量百分比计，最多0.03％的碳、19.5％到22.5％的铬、大于3％至4％的镍、最多2％的锰、0.14％到0.20％的氮、最多1％的硅、1.5％到2.0％的钼、最多0.4％的铜、最多0.3％的磷、0.001％的硫，和0.0015％到0.0030％的硼；铁和不可避免的杂质。
本发明的双联不锈钢也可主要由下列物质构成：以重量百分比计，最多0.03％的碳、19.5％到22.5％的铬、大于3％至4％的镍、最多2％的锰、0.14％到0.20％的氮、最多1％的硅、1.5％到2.0％的钼、最多0.4％的铜、最多0.3％的磷、0.001％的硫，和0.0015％到0.0030％的硼；铁和不可避免的杂质。
本发明也涉及生产制品，例如，由本发明的双联不锈钢制造或包括本发明的双联不锈钢的条、棒、板、片、铸件、管或管道。当意图在含氯的环境中使用时，由本发明的双联不锈钢形成的制品是特别有利的。
另外，本发明涉及制造双联不锈钢的方法，根据本发明的方法，可提供包括最多0.06％的碳、15％至小于等于25％的铬、大于3％至6％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％且小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；以及铁和不可避免的杂质的双联不锈钢。将这种钢固溶退火并冷却。可将这种钢进一步处理成生产制品或任何其它所希望的形式。
本发明包括以下方面：
1.一种双联不锈钢，其包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；铁和不可避免的杂质。
2.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多0.03％的碳。
3.如项1所述的双联不锈钢，其中包含15％至小于等于21％的铬。
4.如项1所述的双联不锈钢，其中包含大于3％至3.5％的镍。
5.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多2％的锰。
6.如项1所述的双联不锈钢，其中包含0.14％至0.20％的氮。
7.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多1％的硅。
8.如项1所述的双联不锈钢，其中包含1.5％至2.0％的钼。
9.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多0.4％的铜。
10.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多0.03％的磷。
11.如项1所述的双联不锈钢，其中包含最多0.001％的硫。
12.如项1所述的双联不锈钢，其中包含0.0015％至0.003％的硼。
13.如项1所述的双联不锈钢，其中该钢是可焊接并可成形的。
14.一种双联不锈钢，其基本上由以重量百分比计的最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；铁和不可避免的杂质所组成。
15.一种双联不锈钢，其包括，以重量百分比计，最多0.03％的碳、15％至小于等于21％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多2％的锰、0.14％到0.20％的氮、最多1％的硅、1.5％到2％的钼、高达0.4％的铜、小于0.2％的钴、最多0.03％的磷、0.001％到0.0035％的硼；铁和不可避免的杂质。
16.一种包括双联不锈钢的生产制品，其包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；铁和不可避免的杂质。
17.如项16所述的制品，其中所述钢是以选自条、棒、板、片、铸件、管和管道的制品形式。
18.一种制造双联不锈钢的方法，该方法包括：
以重量百分比计，提供包括最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼，以及铁和不可避免的杂质的双联不锈钢合金；
将该钢固溶退火；并
冷却该钢。
19.如项3的双联不锈钢，其中包含15％到20.5％的铬。
20.如项3的双联不锈钢，其中包含大于3％至3.5％的镍。
21.如项1的双联不锈钢，其中所述杂质是钨。
22.如项14的双联不锈钢，其基本上由15％至小于等于21％的铬组成。
23.如项22的双联不锈钢，其基本上由15％到20.5％的铬组成。
24.如项14的双联不锈钢，其基本上由大于3％至3.5％的镍组成。
25.如项22的双联不锈钢，其基本上由大于3至3.5％的镍组成。
26.如项14的双联不锈钢，其基本上由最多0.4％的铜组成。
27.如项15的双联不锈钢，其中包含15％到20.5％的铬。
28.如项15的双联不锈钢，其中包含大于3％至3.5％的镍。
29.如项27的双联不锈钢，其中包含大于3％至3.5％的镍。
30.如项15的双联不锈钢，其中包含小于0.4％的铜。
31.如项15的双联不锈钢，其中所述杂质是钨。
32.如项16的生产制品，其中所述双联不锈钢包含15％至小于等于21％的铬。
33.如项32的生产制品，其中所述双联不锈钢包含15％到20.5％的铬。
34.如项16的生产制品，其中所述双联不锈钢包含大于3％至3.5％的镍。
35.如项32的生产制品，其中所述双联不锈钢包含大于3％至3.5％的镍。
36.如项16的生产制品，其中所述双联不锈钢包含最多0.4％的铜。
37.如项16的生产制品，其中所述杂质是钨。
38.如项18的方法，其中所述双联不锈钢包含15％至小于等于21％的铬。
39.如项38的方法，其中所述双联不锈钢包含15％到20.5％的铬。
40.如项18的方法，其中所述双联不锈钢包含3％到3.5％的镍。
41.如项38的方法，其中所述双联不锈钢包含3％到3.5％的镍。
42.如项18的方法，其中所述双联不锈钢包含最多0.4％的铜。
43.如项18的方法，其中所述杂质是钨。
本发明的详细描述
本发明涉及一种双联不锈钢，其包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％至小于等于25％的铬、大于3％至6％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％且小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；以及铁和不可避免的杂质。本发明的前述双联不锈钢优选包含退火状态下的20-80体积％的奥氏体和铁素体相中的每一相。本发明的双联不锈钢是可焊接的、可成形的、且比304型、316型和317型奥氏体不锈钢的耐腐蚀性更高的材料。
根据本发明的某些实施方式，该双联不锈钢可包括，以重量百分比计，最多0.03％的碳、19.5％到22.5％的铬、3％到4％的镍、最多2％的锰、0.14％到0.20％的氮、最多1％的硅、1.5％到2.0％的钼、最多0.4％的铜、最多0.3％的磷、0.001％的硫，和/或0.0015％到0.0030％的硼；铁和不可避免的杂质。在需要可成形性和强度、同时又要保持必要的耐腐蚀性水平的管的使用中，这些范围尤其适合。本发明的双联不锈钢可包括本领域已知的各种其它合金添加物和添加剂。由于合金添加物，尤其是镍和钼的低含量，因此本发明的双联不锈钢的实施方式比普遍使用的AL2205双联不锈钢的生产成本低。但是，本发明的双联不锈钢仍能提供稳定的奥氏体相(相对于导致形变的马氏体)和所希望的耐腐蚀性水平。下面是与AL2205相比较的本发明的某些实施方式的镍和钼含量。
  元素Ni和Mo的量(重量百分比)
  合金   本发明的双联不锈钢实施方式   AL2205
  Ni   大于3.0至4.0   额定量5.5％
  Mo   1.5至2.0   额定量3％
尽管与AL2205相比，镍和钼的含量降低，但本发明的双联不锈钢的评价实施方式表现出比304、316和317型奥氏体不锈钢明显更强的点状/缝隙的耐腐蚀性。如现有技术中所周知的，316和317型不锈钢对点状/缝隙腐蚀的抵抗性比304型不锈钢更强。
作为本发明的一个实施例，本发明人生产了一种包括以下重量百分比组成的双联不锈钢的一次熔炼：0.018％碳、0.46％锰、0.022％磷、0.0034硫、0.45％硅、20.18％铬、3.24％镍、1.84％钼、0.21％铜、0.166％氮和0.0016％硼(此后称为“实施例1”)。如下面说明的，本发明的双联不锈钢的这个实施方式显示出比316和317型奥氏体不锈钢明显更强的点状耐腐蚀性，与此同时，由于镍和钼的含量降低，与AL2205相比，其保持了较低的生产成本。
  点状耐腐蚀性
  合金   临界点状腐蚀温度(“CPT”)
  316型不锈钢   59(15.0℃)
  317型不锈钢   66(18.9℃)
  实施例1   88.3(31.3℃)
316和317型奥氏体不锈钢的CTP基于ASTM工艺规程G-48A。根据这个工艺规程，在要求的温度下将该材料样品浸渍在含6％氯化铁溶液的烧杯中72小时，然后对蚀斑的征兆做出评价。随着温度升高而重复该试验，从而确定点状腐蚀出现的温度。实施例1的CPT是通过ASTM工艺规程G150来测量的。根据这个工艺程序，通过将材料样品放入含1摩尔(大约5.85重量％)氯化钠溶液的电化学槽内，并相对饱和甘汞电极(SCE)将其极化到+700mV电势，来确定通过ASTM工艺程序G-48A测定的相同值，CPT。溶液的温度以每分钟1℃的速率增加，并对腐蚀电流进行监控。在某个温度下，电流迅速增加并超过每平方厘米100毫安的临界值，这个温度就被记录为CPT。样品上的蚀损斑点就可用肉眼确定。
另外，本发明人在本发明的范围内也发展了另一种双联不锈钢，其包含，以重量百分比计，0.021％碳、0.50％锰、0.022％磷、0.0014％硫、0.44％硅、20.25％铬、3.27％镍、1.80％钼、0.21％铜、0.167％氮和0.0016％硼(此后称为“实施例2”)，并评价了该钢的各种机械性质。结果示于下面。如所期望的，实施例2的机械性质超过了ASTM规范A240对AL2205的最小值要求。而且，虽然实施例2的屈服强度和抗张强度比AL2205低，但是它们是可比较的。但是重要的是，这些值明显超过了ASTM规范A240对304、316和317型奥氏体不锈钢的最小强度要求。
  机械性质
  合金标准   0.2％偏离屈服强度   最终的抗张强度   ％伸长率
  ASTM A 240最小值304不锈钢   30,000   75,000   40.0
  ASTM A 240最小值316不锈钢   30,000   75,000   40.0
  ASTM A 240最小值317不锈钢   30,000   75,000   35.0
  ASTM A 240最小值AL2205双联不锈钢   65,000   90,000   25
  AL 2205不锈钢   85,000   125,000   30
  实施例2   83,000   114,000   37
因此，本发明的双联不锈钢可成为AL2205的较低成本替代品。如本发明实施例1和2所说明的，本发明的双联不锈钢的实施方式在机械性质上，可与AL2205相比较，并且其对点状/缝隙的耐腐蚀性明显强于316和317型不锈钢。
本发明也涉及生产制品，例如，由本发明的双联不锈钢构成或包括本发明的双联不锈钢的条、棒、板、片、铸件、管和管道。根据本发明的这些实施方式，双联不锈钢制品包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％至小于等于25％的铬、大于3％至6％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫和0.001到0.0035的硼；铁和不可避免的杂质。由本发明的双联不锈钢形成的制品在含氯环境中使用时是特别有利的。
另外，本发明涉及一种制造双联不锈钢的方法。根据本发明的方法，提供一种双联不锈钢，其包括，以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％至小于等于25％的铬、大于3％至6％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫和0.001％到0.0035％的硼；铁和不可避免的杂质。根据该方法，这种钢随后进行固溶退火并冷却。可使用本领域普通技术人员周知的技术进一步处理这种钢制成制品，如上面提到的那些，或者处理成其它任何所希望的形式。
可以理解，这里的描述说明了与清楚理解本发明相关的本发明的一些方面。为简化对发明的描述，没有介绍那些对本领域的熟练技术人员来说很明显、而对发明的更好理解没有帮助的某些方面。虽然仅有关某些实施方式描述了本发明，但考虑到前面的介绍，本领域的熟练技术人员将会认识到，许多本发明的实施方式、改进和变换都是可以实施的。本发明的所有这种变换和改进都由前面的描述和下列权利要求所覆盖。

Claims (37)

1.一种双联不锈钢，其组成如下：以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；余量的铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中碳为最多0.03％。
3.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中铬为15％至小于等于21％。
4.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中镍为大于3％至3.5％。
5.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中锰为最多2％。
6.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中氮为0.14％至0.20％。
7.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中硅为最多1％。
8.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中钼为1.5％至2.0％。
9.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中铜为最多0.4％。
10.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中磷为最多0.03％。
11.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中硫为最多0.001％。
12.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中硼为0.0015％至0.003％。
13.如权利要求1所述的双联不锈钢，其中该钢是可焊接并可成形的。
14.一种双联不锈钢，其组成如下：以重量百分比计，最多0.03％的碳、15％至小于等于21％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多2％的锰、0.14％到0.20％的氮、最多1％的硅、1.5％到2％的钼、高达0.4％的铜、小于0.2％的钴、最多0.03％的磷、0.001％到0.0035％的硼；余量的铁和不可避免的杂质。
15.一种包括双联不锈钢的生产制品，其组成如下：以重量百分比计，最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼；余量的铁和不可避免的杂质。
16.如权利要求15所述的制品，其中所述钢是以选自条、棒、板、片、铸件、管和管道的制品形式。
17.一种制造双联不锈钢的方法，该方法包括：
以重量百分比计，提供组成如下的双联不锈钢合金：最多0.06％的碳、15％到22.5％的铬、大于3％至小于等于4％的镍、最多3.75％的锰、0.14％到0.35％的氮、最多2％的硅、大于1.4％至小于等于2.5％的钼、小于等于0.5％的铜、小于等于0.2％的钴、最多0.05％的磷、最多0.005％的硫、0.001％到0.0035％的硼，以及余量的铁和不可避免的杂质；
将该钢固溶退火；并
冷却该钢。
18.如权利要求3的双联不锈钢，其中铬为15％到20.5％。
19.如权利要求3的双联不锈钢，其中镍为大于3％至3.5％。
20.如权利要求1的双联不锈钢，其中所述杂质是钨。
21.如权利要求14的双联不锈钢，其中铬为包含15％到20.5％。
22.如权利要求14的双联不锈钢，其中镍为大于3％至3.5％。
23.如权利要求21的双联不锈钢，其中镍为大于3％至3.5％。
24.如权利要求14的双联不锈钢，其中铜为小于0.4％。
25.如权利要求14的双联不锈钢，其中所述杂质是钨。
26.如权利要求15的生产制品，其中所述双联不锈钢中的铬为15％至小于等于21％。
27.如权利要求26的生产制品，其中所述双联不锈钢中的铬为15％到20.5％。
28.如权利要求15的生产制品，其中所述双联不锈钢中的镍为大于3％至3.5％。
29.如权利要求26的生产制品，其中所述双联不锈钢中的镍为大于3％至3.5％。
30.如权利要求15的生产制品，其中所述双联不锈钢中的铜为最多0.4％。
31.如权利要求15的生产制品，其中所述杂质是钨。
32.如权利要求17的方法，其中所述双联不锈钢中的铬为15％至小于等于21％。
33.如权利要求32的方法，其中所述双联不锈钢中的铬为15％到20.5％。
34.如权利要求17的方法，其中所述双联不锈钢中的镍为3％到3.5％。
35.如权利要求32的方法，其中所述双联不锈钢中的镍为3％到3.5％。
36.如权利要求17的方法，其中所述双联不锈钢中的铜为最多0.4％。
37.如权利要求17的方法，其中所述杂质是钨。
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