對(duì)氫誘導(dǎo)的脆化具有高抗性的用于氫技術(shù)的成本降低的鋼的制作方法
【專利摘要】耐腐蝕的可熱成型的和可冷成型的和可焊接的鋼，所述鋼用于氫技術(shù)、對(duì)氫誘導(dǎo)的脆化具有高抗性，且具有以下組成：0.01-0.4質(zhì)量％的碳，≤3.0質(zhì)量％的硅，0.3-30質(zhì)量％的錳，10.5-30質(zhì)量％的鉻，4-12.5質(zhì)量％的鎳，≤1.0質(zhì)量％的鉬，≤0.2質(zhì)量％的氮，0.5-8.0質(zhì)量％的鋁，≤4.0質(zhì)量％的銅，≤0.1質(zhì)量％的硼，≤1.0質(zhì)量％的鎢，≤3質(zhì)量％的鈷，≤0.5質(zhì)量％的鉭，≤2.0質(zhì)量％的至少一種以下元素：鈮、鈦、釩、鉿和鋯，≤0.3質(zhì)量％的至少一種以下元素：釔、鈧、鑭、鈰和釹，余量的鐵和熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素。
【專利說明】對(duì)氫誘導(dǎo)的脆化具有高抗性的用于氫技術(shù)的成本降低的鋼
[0001]本發(fā)明涉及在整個(gè)溫度范圍(-253到至少+100°C )，尤其是在-100°c至室溫(+250C )之間具有對(duì)氫誘導(dǎo)的脆化高抗性的耐腐蝕鋼。所提出的鋼適合于所有與氫氣接觸的金屬部件，例如氫氣罐、襯管、軸套(Boss)、閥、管線、彈簧、熱交換器、接頭或波紋管。
[0002]在氫氣氣氛中較長(zhǎng)時(shí)間暴露于機(jī)械負(fù)荷的鋼經(jīng)受氫脆。一個(gè)例外是具有高鎳含量的奧氏體不銹鋼，如材料牌號(hào)1.4435，X2CrNiMol8-14-3。在這種奧氏體鋼的情況下，至少
12.5質(zhì)量％的鎳含量被認(rèn)為是必需的，以在整個(gè)溫度范圍(-253到至少+100°C )和壓力范圍(0.1至87.5100MPa)下實(shí)現(xiàn)對(duì)氫脆的足夠的抗性。然而，鎳以及鑰是非常昂貴的合金元素，從而使得尤其對(duì)于例如機(jī)動(dòng)車領(lǐng)域中的罐組件的大規(guī)模生產(chǎn)而言缺乏成本有利的抗氫鋼。
[0003]因此本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種成本有利的鋼，所述鋼抵抗在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的氫誘導(dǎo)的脆化，尤其是在室溫和-100°c之間的最大氫脆的范圍內(nèi)，而在低溫時(shí)不具有顯著的延性-脆性過渡、具有耐腐蝕性且能夠良好地?zé)岢尚?、冷成型和焊接?br> [0004]根據(jù)本發(fā)明，這借助具有以下組成的鋼得以實(shí)現(xiàn):
[0005]0.01-0.4質(zhì)量％、優(yōu)選≤0.20質(zhì)量％、更優(yōu)選至少0.02質(zhì)量％、且尤其是
0.06-0.16質(zhì)量％的碳，
[0006]< 3.0質(zhì)量％、尤其0.05-0.8質(zhì)量％的硅，
[0007]0.3-30質(zhì)量％、優(yōu)選4-20、尤其6-15質(zhì)量％的錳，
[0008]10.5-30質(zhì)量％、優(yōu)選10.5-23質(zhì)量％、尤其最高20質(zhì)量％的鉻，
[0009]4-12.5質(zhì)量％、優(yōu)選5-10質(zhì)量％、尤其最高9質(zhì)量％的鎳，
[0010]≤1.0質(zhì)量％，尤其≤0.40質(zhì)量％的鑰，
[0011]≤0.20質(zhì)量％、尤其≤0.08質(zhì)量％的氮，
[0012]0.5-8.0質(zhì)量％、優(yōu)選最高6.0質(zhì)量％、尤其至少1.5質(zhì)量％的鋁，
[0013]( 4質(zhì)量％的銅、尤其0.3-3.5質(zhì)量％的銅，
[0014]( 0.1質(zhì)量％、優(yōu)選最大0.05質(zhì)量％、尤其最大0.03質(zhì)量％的硼，
[0015]≤1.0質(zhì)量％、尤其≤0.40質(zhì)量％的鎢，
[0016]≤3.0質(zhì)量％、尤其≤2.0質(zhì)量％的鈷，
[0017]≤0.5質(zhì)量％、尤其≤0.3質(zhì)量％的鉭，
[0018]( 2.0質(zhì)量％、優(yōu)選0.01-1.5質(zhì)量％的至少一種以下元素:鈮、鈦、釩、鉿和鋯，
[0019]^ 0.3質(zhì)量％、優(yōu)選0.01-0.2質(zhì)量％的至少一種以下元素乙、鈧、鑭、鋪和釹，
[0020]余量的鐵和熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素。
[0021]因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼可以采用或不采用硼制備。
[0022]通常,娃含量的下限為0.05質(zhì)量％和銅含量的下限為0.05質(zhì)量％.[0023]微量合金元素中尤其重要的是(a)釔、鈧、鑭、鋪和(b)鋯和鉿。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的合金可以具有0.01至0.2、尤其是至0.10質(zhì)量％的釔含量，其中釔可以完全或部分地被0.01至0.2、尤其是至0.10質(zhì)量％的以下元素替換:鈧、鑭或鈰。
[0025]所述鉿含量和鋯含量各自為優(yōu)選0.01至0.2、尤其至0.10質(zhì)量％，其中鉿或鋯可以完全或部分地被0.01至0.2、尤其至0.10質(zhì)量％的鈦替換。
[0026]所述熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素包括常規(guī)的生產(chǎn)產(chǎn)生的元素(例如硫或磷)以及其它并非有目的添加的合金元素。在此優(yōu)選地，磷含量為< 0.05質(zhì)量％ ,硫含量為< 0.4質(zhì)量％、尤其< 0.04質(zhì)量％。所有熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素的含量為每種元素最高0.3質(zhì)量％。
[0027]由于將鎳含量降低至最高12.5質(zhì)量％、尤其最高9質(zhì)量％，將鑰含量降低至最高
1.0質(zhì)量％、優(yōu)選最高0.4質(zhì)量％、尤其完全排除鑰作為合金元素，根據(jù)本發(fā)明的鋼的合金成本可以大幅降低。
[0028]盡管降低了鎳含量并且不含鑰(即沒有添加鑰)，但是根據(jù)本發(fā)明的鋼在氫氣氣氛中在-253°C到至少+100°C的整個(gè)溫度范圍和0.1至IOOMPa的壓力仍然具有非常好的機(jī)械性質(zhì)。
[0029]因此，根據(jù)本發(fā)明的鋼在-50°C的測(cè)試溫度和40MPa氫氣的氣體壓力下的拉伸試驗(yàn)中，在5 X ΙΟ-51/s的伸長(zhǎng)速率時(shí),相對(duì)面積減少(Relative Reduction of Area, RRA ；=在空氣、氬氣或氦氣中的面積減少Z除以/在氫氣中的面積減少ZX 100% )為至少80%，優(yōu)選至少90%。相應(yīng)的相對(duì)拉伸強(qiáng)度R_Rm、相對(duì)屈服點(diǎn)R_Rp0.2和相對(duì)斷裂伸長(zhǎng)R_A5為至少90%。所述鋼具有非常好的可焊性、在低溫下時(shí)不具有顯著的延性-脆性過渡、具有高的耐腐蝕性和非常好的可熱成型性和可冷成型性。
[0030]可以將根據(jù)本發(fā)明的鋼固溶退火(AT)。也可以將其以冷成型，尤其是冷拉或冷軋來應(yīng)用。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的鋼可以是奧氏體份額為至少90質(zhì)量％的穩(wěn)定的奧氏體鋼。然而，所述鋼也可以具有奧氏體-鐵素體鋼(雙相鋼)的形式。因此，S-鐵素體份額例如為10-90，尤其10-60體積％。值得注意的是，即使在高的δ-鐵素體含量的情況下也具有非常高的耐氫性。
[0032]因此，例如具有以下組成(以質(zhì)量％計(jì))的根據(jù)本發(fā)明的鋼A具有奧氏體-鐵素體結(jié)構(gòu)(雙相鋼):
[0033]
0.06-0.16% C
0.05-0.3%Si
8-12%Mn

13.5-17.5% Cr
6-9% Ni
2.5-4.5%Al
0-0.04% B
[0034]余量的鐵和熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素。
[0035]在此，所述鋼的δ-鐵素體含量為15-35體積％。在固溶退火狀態(tài)(AT)，屈服點(diǎn)Rp0.2在-50°C在40MPa的氫氣氣氛中為大于500MPa。在此，相對(duì)面積減少(=在氦氣中的面積減少Z除以/在氫氣中的面積減少X 100% )為介于85%和100%之間。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的鋼在整個(gè)_253°C到至少+100°C的溫度范圍和0.1至IOOMPa的壓力范圍具有對(duì)氫!脆的聞抗性。
[0037]因此，具有奧氏體-鐵素體結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的鋼是具有高強(qiáng)度的用于氫技術(shù)的成本有利的耐氫材料，且因此尤其非常適合用于彈簧。
[0038]此外，所述鋼可以用于用作生產(chǎn)、儲(chǔ)存、分配和利用氫氣的系統(tǒng)的裝置和部件，尤其是當(dāng)所述裝置或者部件與氫氣接觸時(shí)。這尤其適用于管線、控制裝置、閥和其它關(guān)斷設(shè)備、容器、熱交換器、軸套和襯管、接頭、壓力傳感器等，包括這些裝置的部件，例如彈簧和波紋管。
[0039]由于根據(jù)本發(fā)明的鋼的高屈服點(diǎn)Rp0.2，所述部件的重量可以顯著降低，由此減少燃料消耗。
[0040]具有以下組成(以質(zhì)量％計(jì))的根據(jù)本發(fā)明的鋼B具有穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu):
[0041]
【權(quán)利要求】
1.耐腐蝕的、可熱成型的和可冷成型的和可焊接的鋼，所述鋼用于氫技術(shù)、對(duì)氫誘導(dǎo)的脆化具有高抗性，且具有以下組成: .0.01-0.4質(zhì)量％的碳， ≤3.0質(zhì)量％的硅， 0.3-30質(zhì)量％的錳， 10.5-30質(zhì)量％的鉻， 4-12.5質(zhì)量％的鎳， ≤1.0質(zhì)量％的鑰， ≤0.20質(zhì)量％的氮， 0.5-8.0質(zhì)量％的鋁， ^ 4.0質(zhì)量％的銅， ≤0.1質(zhì)量％的硼， ≤1.0質(zhì)量％的鎢， ≤5.0質(zhì)量％的鈷， ≤0.5質(zhì)量％的鉭， ≤2.0質(zhì)量％的至少一種以下元素:鈮、鈦、釩、鉿和鋯， ≤0.3質(zhì)量％的至少一種以下元素:釔、鈧、鑭、鈰和釹， 余量的鐵和熔煉產(chǎn)生的鋼伴生元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的鋼，其特征在于，鋁含量為2-6質(zhì)量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鋼，其特征在于，鎳含量為最高9質(zhì)量％。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鋼，其特征在于，錳含量為4-20質(zhì)量％。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金，其特征在于，所述合金包含0.3-3.5質(zhì)量％的銅。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金，其特征在于，所述合金包含0.005-0.06質(zhì)量％的硼。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鋼，其特征在于，所述鋼包含<0.40質(zhì)量％的鑰。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鋼，其特征在于，鉻含量為10.5-23質(zhì)量％。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鋼，其特征在于，所述鋼包含0.01至0.2質(zhì)量％的釔，其中所述釔可以完全或部分地被0.01至0.2質(zhì)量％的鈧和/或鑭和/或鈰替換。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金，其特征在于，所述合金包含0.01至0.2質(zhì)量％的鉿和/或鋯，其中所述鉿或鋯可以完全或部分地被0.01至0.2質(zhì)量％的鈦替換。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金，其特征在于，所述合金包含最多至0.3質(zhì)量％的鉭。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金，其特征在于，所述合金包含最多至3.0質(zhì)量％的鈷。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鋼，其特征在于，所述鋼構(gòu)成為具有至少10質(zhì)量％的δ-鐵素體份額的奧氏體鋼或奧氏體-鐵素體鋼≤雙相鋼)的形式。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的合金在機(jī)動(dòng)車中用于氫技術(shù)的用途。
【文檔編號(hào)】C22C38/00GK103917678SQ201280054167
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月2日
【發(fā)明者】J·瑙曼, W·雷斯特內(nèi)爾, W·泰森, S·韋伯, T·米施爾, M·馬丁 申請(qǐng)人:寶馬股份公司