对氢诱导的脆化具有高抗性的用于氢技术的成本降低的钢的制作方法
【专利摘要】耐腐蚀的可热成型的和可冷成型的和可焊接的钢，所述钢用于氢技术、对氢诱导的脆化具有高抗性，且具有以下组成：0.01-0.4质量％的碳，≤3.0质量％的硅，0.3-30质量％的锰，10.5-30质量％的铬，4-12.5质量％的镍，≤1.0质量％的钼，≤0.2质量％的氮，0.5-8.0质量％的铝，≤4.0质量％的铜，≤0.1质量％的硼，≤1.0质量％的钨，≤3质量％的钴，≤0.5质量％的钽，≤2.0质量％的至少一种以下元素：铌、钛、钒、铪和锆，≤0.3质量％的至少一种以下元素：钇、钪、镧、铈和钕，余量的铁和熔炼产生的钢伴生元素。
【专利说明】对氢诱导的脆化具有高抗性的用于氢技术的成本降低的钢
[0001]本发明涉及在整个温度范围(-253到至少+100°C )，尤其是在-100°c至室温(+250C )之间具有对氢诱导的脆化高抗性的耐腐蚀钢。所提出的钢适合于所有与氢气接触的金属部件，例如氢气罐、衬管、轴套(Boss)、阀、管线、弹簧、热交换器、接头或波纹管。
[0002]在氢气气氛中较长时间暴露于机械负荷的钢经受氢脆。一个例外是具有高镍含量的奥氏体不锈钢，如材料牌号1.4435，X2CrNiMol8-14-3。在这种奥氏体钢的情况下，至少
12.5质量％的镍含量被认为是必需的，以在整个温度范围(-253到至少+100°C )和压力范围(0.1至87.5100MPa)下实现对氢脆的足够的抗性。然而，镍以及钥是非常昂贵的合金元素，从而使得尤其对于例如机动车领域中的罐组件的大规模生产而言缺乏成本有利的抗氢钢。
[0003]因此本发明的任务在于提供一种成本有利的钢，所述钢抵抗在整个温度范围内的氢诱导的脆化，尤其是在室温和-100°c之间的最大氢脆的范围内，而在低温时不具有显著的延性-脆性过渡、具有耐腐蚀性且能够良好地热成型、冷成型和焊接。
[0004]根据本发明，这借助具有以下组成的钢得以实现:
[0005]0.01-0.4质量％、优选≤0.20质量％、更优选至少0.02质量％、且尤其是
0.06-0.16质量％的碳，
[0006]< 3.0质量％、尤其0.05-0.8质量％的硅，
[0007]0.3-30质量％、优选4-20、尤其6-15质量％的锰，
[0008]10.5-30质量％、优选10.5-23质量％、尤其最高20质量％的铬，
[0009]4-12.5质量％、优选5-10质量％、尤其最高9质量％的镍，
[0010]≤1.0质量％，尤其≤0.40质量％的钥，
[0011]≤0.20质量％、尤其≤0.08质量％的氮，
[0012]0.5-8.0质量％、优选最高6.0质量％、尤其至少1.5质量％的铝，
[0013]( 4质量％的铜、尤其0.3-3.5质量％的铜，
[0014]( 0.1质量％、优选最大0.05质量％、尤其最大0.03质量％的硼，
[0015]≤1.0质量％、尤其≤0.40质量％的钨，
[0016]≤3.0质量％、尤其≤2.0质量％的钴，
[0017]≤0.5质量％、尤其≤0.3质量％的钽，
[0018]( 2.0质量％、优选0.01-1.5质量％的至少一种以下元素:铌、钛、钒、铪和锆，
[0019]^ 0.3质量％、优选0.01-0.2质量％的至少一种以下元素乙、钪、镧、铺和钕，
[0020]余量的铁和熔炼产生的钢伴生元素。
[0021]因此，根据本发明的钢可以采用或不采用硼制备。
[0022]通常,娃含量的下限为0.05质量％和铜含量的下限为0.05质量％.[0023]微量合金元素中尤其重要的是(a)钇、钪、镧、铺和(b)锆和铪。
[0024]根据本发明的合金可以具有0.01至0.2、尤其是至0.10质量％的钇含量，其中钇可以完全或部分地被0.01至0.2、尤其是至0.10质量％的以下元素替换:钪、镧或铈。
[0025]所述铪含量和锆含量各自为优选0.01至0.2、尤其至0.10质量％，其中铪或锆可以完全或部分地被0.01至0.2、尤其至0.10质量％的钛替换。
[0026]所述熔炼产生的钢伴生元素包括常规的生产产生的元素(例如硫或磷)以及其它并非有目的添加的合金元素。在此优选地，磷含量为< 0.05质量％ ,硫含量为< 0.4质量％、尤其< 0.04质量％。所有熔炼产生的钢伴生元素的含量为每种元素最高0.3质量％。
[0027]由于将镍含量降低至最高12.5质量％、尤其最高9质量％，将钥含量降低至最高
1.0质量％、优选最高0.4质量％、尤其完全排除钥作为合金元素，根据本发明的钢的合金成本可以大幅降低。
[0028]尽管降低了镍含量并且不含钥(即没有添加钥)，但是根据本发明的钢在氢气气氛中在-253°C到至少+100°C的整个温度范围和0.1至IOOMPa的压力仍然具有非常好的机械性质。
[0029]因此，根据本发明的钢在-50°C的测试温度和40MPa氢气的气体压力下的拉伸试验中，在5 X ΙΟ-51/s的伸长速率时,相对面积减少(Relative Reduction of Area, RRA ；=在空气、氩气或氦气中的面积减少Z除以/在氢气中的面积减少ZX 100% )为至少80%，优选至少90%。相应的相对拉伸强度R_Rm、相对屈服点R_Rp0.2和相对断裂伸长R_A5为至少90%。所述钢具有非常好的可焊性、在低温下时不具有显著的延性-脆性过渡、具有高的耐腐蚀性和非常好的可热成型性和可冷成型性。
[0030]可以将根据本发明的钢固溶退火(AT)。也可以将其以冷成型，尤其是冷拉或冷轧来应用。
[0031]根据本发明的钢可以是奥氏体份额为至少90质量％的稳定的奥氏体钢。然而，所述钢也可以具有奥氏体-铁素体钢(双相钢)的形式。因此，S-铁素体份额例如为10-90，尤其10-60体积％。值得注意的是，即使在高的δ-铁素体含量的情况下也具有非常高的耐氢性。
[0032]因此，例如具有以下组成(以质量％计)的根据本发明的钢A具有奥氏体-铁素体结构(双相钢):
[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]余量的铁和熔炼产生的钢伴生元素。
[0035]在此，所述钢的δ-铁素体含量为15-35体积％。在固溶退火状态(AT)，屈服点Rp0.2在-50°C在40MPa的氢气气氛中为大于500MPa。在此，相对面积减少(=在氦气中的面积减少Z除以/在氢气中的面积减少X 100% )为介于85%和100%之间。
[0036]根据本发明的钢在整个_253°C到至少+100°C的温度范围和0.1至IOOMPa的压力范围具有对氢!脆的闻抗性。
[0037]因此，具有奥氏体-铁素体结构的根据本发明的钢是具有高强度的用于氢技术的成本有利的耐氢材料，且因此尤其非常适合用于弹簧。
[0038]此外，所述钢可以用于用作生产、储存、分配和利用氢气的系统的装置和部件，尤其是当所述装置或者部件与氢气接触时。这尤其适用于管线、控制装置、阀和其它关断设备、容器、热交换器、轴套和衬管、接头、压力传感器等，包括这些装置的部件，例如弹簧和波纹管。
[0039]由于根据本发明的钢的高屈服点Rp0.2，所述部件的重量可以显著降低，由此减少燃料消耗。
[0040]具有以下组成(以质量％计)的根据本发明的钢B具有稳定的奥氏体结构:
[0041]
【权利要求】
1.耐腐蚀的、可热成型的和可冷成型的和可焊接的钢，所述钢用于氢技术、对氢诱导的脆化具有高抗性，且具有以下组成: .0.01-0.4质量％的碳， ≤3.0质量％的硅， 0.3-30质量％的锰， 10.5-30质量％的铬， 4-12.5质量％的镍， ≤1.0质量％的钥， ≤0.20质量％的氮， 0.5-8.0质量％的铝， ^ 4.0质量％的铜， ≤0.1质量％的硼， ≤1.0质量％的钨， ≤5.0质量％的钴， ≤0.5质量％的钽， ≤2.0质量％的至少一种以下元素:铌、钛、钒、铪和锆， ≤0.3质量％的至少一种以下元素:钇、钪、镧、铈和钕， 余量的铁和熔炼产生的钢伴生元素。
2.根据权利要求1的钢，其特征在于，铝含量为2-6质量％。
3.根据权利要求1或2的钢，其特征在于，镍含量为最高9质量％。
4.根据前述权利要求任一项的钢，其特征在于，锰含量为4-20质量％。
5.根据前述权利要求任一项的合金，其特征在于，所述合金包含0.3-3.5质量％的铜。
6.根据前述权利要求任一项的合金，其特征在于，所述合金包含0.005-0.06质量％的硼。
7.根据前述权利要求任一项的钢，其特征在于，所述钢包含<0.40质量％的钥。
8.根据前述权利要求任一项的钢，其特征在于，铬含量为10.5-23质量％。
9.根据前述权利要求任一项的钢，其特征在于，所述钢包含0.01至0.2质量％的钇，其中所述钇可以完全或部分地被0.01至0.2质量％的钪和/或镧和/或铈替换。
10.根据前述权利要求任一项的合金，其特征在于，所述合金包含0.01至0.2质量％的铪和/或锆，其中所述铪或锆可以完全或部分地被0.01至0.2质量％的钛替换。
11.根据前述权利要求任一项的合金，其特征在于，所述合金包含最多至0.3质量％的钽。
12.根据前述权利要求任一项的合金，其特征在于，所述合金包含最多至3.0质量％的钴。
13.根据前述权利要求任一项的钢，其特征在于，所述钢构成为具有至少10质量％的δ-铁素体份额的奥氏体钢或奥氏体-铁素体钢≤双相钢)的形式。
14.根据前述权利要求任一项的合金在机动车中用于氢技术的用途。
【文档编号】C22C38/00GK103917678SQ201280054167
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2011年11月2日
【发明者】J·瑙曼, W·雷斯特内尔, W·泰森, S·韦伯, T·米施尔, M·马丁 申请人:宝马股份公司