Коррозионно-стойкая немагнитная износостойкая сталь

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким нержавеющим сталям, предназначенным для медицинских целей, изготовления фармацевтического оборудования, инструмента, используемого в пищевой промышленности, контактирующего непосредственно с продуктами питания, и столовых приборов. Сущность изобретения заключается в том, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден и азот дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,03-0,10; кремний 0,01-0,80; марганец 14-19; хром 14-17; никель 0,2-1,0; медь 0,8-1,2; молибден 0,5-1,5; азот 0,17-0,26; тантал 0,01-0,45, железо - остальное, при этом содержание молибдена, хрома и марганца устанавливают по соотношению: (%Cr+%Mo)/%Mn = 0,8-1,36, а сумма содержаний углерода и азота должна составлять 0,21-0,36%. Сталь может содержать ниобий в количестве 0,01-0,32%, тогда содержание углерода, ниобия и тантала определяют по уравнению: %Nb = 8(%C - 0,03 - %Ta/15). 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким нержавеющим сталям, предназначенным для медицинских целей, изготовления фармацевтического оборудования, инструмента, используемого в пищевой промышленности, контактирующего непосредственно с продуктами питания, и столовых приборов.

Известна нержавеющая коррозионно-стойкая сталь 08Х18Н10Т, содержащая 0,08%C, 0,8%Si, < 2,0% Mn, 17-19%Cr и 8,0-9,5%Ni и используемая для изготовления медицинского инструмента и столовых приборов (ОСТ 14-11-242-91. Приборы столовые и принадлежности кухонные из коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали. Общие технические условия). Однако присутствие никеля в материалах, непосредственно контактирующих с человеческим организмом, крайне нежелательно, т.к. никель вызывает аллергические и канцерогенные реакции в организме и способствует развитию ряда заболеваний.

Наиболее близкой по всей сущности к предлагаемому техническому решению является сталь, содержащая менее 0,08% углерода, не более 0,8% кремния, 12-21% хрома, 14-19% марганца, менее 3,5% никеля, 0,5-4,0% молибдена, не более 2,0% меди, и 0.2-0,8% азота (см. патент США N 5308577, кл.420-57 от 30.05-94 г.).

Однако эта сталь имеет целый ряд недостатков: Во-первых, главным критерием, определяющим группу нержавеющих сталей, является хром. При содержании хрома менее 14% в стали ее нельзя называть нержавеющей и коррозионно-стойкой.

Во-вторых, пределы содержания по хрому и марганцу так широки, что охватывают несколько групп марок сталей (согласно диаграмме нержавеющих сталей Шиффлера), в том числе стали ферритного и аутенито-ферритного классов. Присутствие феррита в структуре стали или появление его в результате провоцирующего нагрева свидетельствует о том, что сталь обладает магнитными свойствами.

Приведенных выше двух этих причин уже достаточно, чтобы считать сталь непригодной для медицинских целей, фармацевтического оборудования и инструмента, столовых приборов.

Цель изобретения - создание немагнитной коррозионно= и износостойкой хорошо обрабатываемой стали для медицины, фармацевтической и пищевой промышленности.

Поставленная цель достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, хром, марганец, кремний, молибден, никель, медь, дополнительно вводят тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,03... 0,10 Хром - 14,0... 17,0 Марганец - 14,0... 19,0 Кремний - 0,01... 0,8 Молибден - 0,5... 1,5 Никель - 0,2... 1,0 Медь - 0,8... 1,2 Тантал - 0,01... 0,45
Азот - 0,17... 0,26
Железо - Остальное
причем содержание хрома, молибдена и марганца устанавливают по следующему уравнению:
(%Cr + %Mo)/% Mn = 0,8 - 1,3 а сумма содержаний углерода и азота не должна превышать 0,20... 0.36%.

Сталь может дополнительно содержать ниобий в количестве 0,01... 0.32%, при этом соотношение между содержанием углерода, тантала и ниобия определяют по уравнению %Nb = 8(%C - 0,03 - %Ta/15)
Легирование танталом способствует образованию карбида тантала и предотвращает образование карбидов хрома, т.е. обеднение хромом твердого раствора, а следовательно, способствует повышению коррозионной стойкости стали. При содержании тантала менее 0,01% количество углерода, выводимое из твердого раствора, очень мало и эффекта повышения коррозионной стойкости не наблюдается. При содержании тантала выше 0,45% может появиться ферритная (магнитная) фаза в металле и резко возрастает стоимость стали.

Введение в сплав ниобия также обеспечивает повышение его коррозионной стойкости за счет выведения углерода из твердого раствора.

Уравнение %Nb = 8(%C - 0,03 -%Ta/15) регулирует соотношение между углеродом, танталом и ниобием в стали.

Если %Nb < 8(%C -0,03 - %Ta/15), карбидообразующее влияние тантала и ниобия недостаточно для предотвращения образования карбидов хрома.

Если %Nb > 8(%C - 0,03 - %Ta/15), возможно образование ферромагнитной фазы.

Увеличение содержания хрома в стали по сравнению с прототипом, как отмечалось выше, связано с повышением коррозионной стойкости.

Если содержание хрома менее 14%, сталь не является нержавеющей.

При содержании хрома выше 17% возрастает вероятность появления устойчивой ферритной составляющей в структуре.

Соотношение (%Cr + %Mo)/%Mn = 0,8-1,3 регулирует содержание основных легирующих элементов в металле с точки зрения получения аустенитной структуры и достижения необходимой коррозионной стойкости.

Если (%Cr + %Mo)/%Mn < 0,8, коррозионная стойкость материала из-за недостатка хрома может оказаться недостаточной; если (% Cr+%Mo)/ %Mn> 1,3 - в стали появляется ферритная составляющая.

Верхний предел содержания углерода, равный 0,1%, позволяет расширить технологические возможности выплавки.

При содержании азота менее 0,17% невозможно получить стабильную аустенитную структуру, при содержании его выше 0,26% - значительно повышается твердость стали и ухудшается ее технологичность.

Ограничения по суммарному содержанию углерода и азота имеют целью закрепление аустенитной структуры при высокой коррозионной стойкости и технологичности материала.

Если %C + %N < 0,2%, при заданном количестве основных легирующих не удается получить аустенитную структуру; если %C + % N > 0,36%, из-за существенного повышения содержания азота и соответствующего роста твердости возникают затруднения при обработке, а если сумма растет за счет углерода - снижается коррозионная стойкость.

Содержание никеля в стали ограничивается, так как превышение концентрации больше 1% может привести к нежелательным реакциям человеческого организма (аллергия, экзема и т.п.) при его непосредственном контакте с металлом. Нижний предел содержания никеля определяется технологическими соображениями.

Молибден в количестве 0,5 - 1,5% вводят для повышения коррозионной стойкости материала. При %Mo < 0,5% коррозионная стойкость может оказаться недостаточной, если % Mo > 1,5% - при некоторых соотношениях между основными легирующими возможно образование магнитной фазы.

Примеры составов сплавов приведены в таблице 1, данные по структуре сведены в таблицу 2, а механические свойства - в таблицу 3. В этих таблицах приведены данные исследований, выполненных на прутках диаметром 14,0 мм, полученных посредством свободной ковки слитков диаметром 80 мм при температуре 1200-1250^oC.

Из таблиц 1 и 2 видно, что сплавы-прототипы удовлетворяют по составу и соотношениям между легирующими заданным в патенте ограничениям, но не удовлетворяют ограничительным требованиям настоящей заявки.

Из таблицы 3 следует, что стали-прототипы не дают однофазной аустенитной структуры после провоцирующего нагрева и в отдельных случаях - после закалки.

Пример 1. Определение механических свойств.

Механические свойства определяли на пятикратных образцах диаметром 5,0 мм. Образцы вырезали из прутков диаметром 14 мм, полученных методом горячей ковки слитков. Перед изготовлением образцов горячекованые прутки закаливали от 1150^oC в воде. Испытания проведены при комнатной температуры; скорость движения подвижного захвата испытательной машины составляла 2,0 мм/мин; скорость деформации - порядка 10^-3с^-1. От каждого сплава испытано по шесть образцов.

Результаты испытаний приведены в таблице 4.

Как видно из приведенных результатов, предлагаемый материал и прототип имеют близкие механические свойства, различающиеся в пределах разброса.

Пример 2. Определение коррозионных свойств.

Испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии проводили по методу АМ ГОСТ 6032-89. В качестве объекта исследования использовали горячекованые цилиндрические прутки диаметром 14,0 мм из сталей N 1-3 (предлагаемые) и 4 (прототип). Испытания проводили после закалки от 1150^oC в воду и после провоцирующего нагрева при 650^oC - 2 часа. Из термообработанных прутков вырезали плоские образцы размерами h b 1 = 21080 мм. Контролируемые поверхности образцов шлифовали до R_A 0,8 мкм, где R_А- параметр шероховатости. Обезжиривание перед испытаниями проводили в ацетоне марки ЧДА.

От каждой стали испытано по 6 образцов. Образцы выдерживали в кипящем водном растворе сернокислой меди и серной кислоты в присутствии металлической меди (1000 см³ воды, 130 г сернокислой меди и 120 см³ серной кислоты). Продолжительность выдержки при испытаниях составляла 24 часа. Извлеченные из раствора образцы промывали в 20% р-ре HNO₃, а затем - в воде и изгибали на 90^oC на испытательной машине 1231 НИКИМП на оправке с радиусом закругления 2,0 мм. Осмотр изогнутых образцов проводили с помощью лупы при увеличении 12^x. Результаты контроля приведены в таблице 5.

Таким образом, сталь - прототип (сплав N 4) обнаруживает повышенную сравнительно с предлагаемыми сплавами склонность к МКК, особенно в состоянии после провоцирующего нагрева. Предлагаемые стали склонности к МКК по методу АМ не обнаруживают.

Металлографическое исследование стойкости против МКК по методу АМ.

Металлографическое исследование проводили на пластинах, вырезанных из неизогнутых участков указанных выше образцов. Образцы-шлифы вырезали в направлении, перпендикулярном контролируемой поверхности, причем плоскость реза являлась плоскостью шлифа. Длина шлифа по контролируемой поверхности составляла 20 мм. Наличие и глубину МКК проверяли на шлифах, отобранных от всех образов, испытанных на изгиб. Анализ проводили путем микроскопического исследования нетравленых шлифов при увеличении 250^x. На образцах, отобранных от предлагаемых сплавов в закаленном состоянии, коррозионного растрескивания не наблюдали. Отдельные коррозионные трещины, не превышавшие в глубину 5-10 мкм, что согласно ГОСТ 6032-89 не является признаком коррозии, наблюдали только в образцах, подвергнутых провоцирующему нагреву. На образцах из сплава-прототипа (N4) в закаленном состоянии наблюдаются отдельные коррозионные трещины, проникающие на глубину до 40 мкм, что является признаком коррозии. После провоцирующего нагрева 4 из 6 испытанных образов стали-прототипа оказываются пораженными трещинами глубиной до 50-60 мкм. Следовательно, в отличие от предлагаемой стали, сталь-прототип в закаленном состоянии обладает пониженной сопротивляемостью МКК, а в состоянии после провоцирующего нагрева - не отвечает требованиям ГОСТ по коррозионной стойкости. Предлагаемая сталь как в закаленном, так и дополнительно нагретом состоянии удовлетворяет требованиям ГОСТ 6032-89 в отношении коррозионной устойчивости по методу АМ.

Пример 3. Определение медицинских свойств.

По международным стандартам, в частности ISO/TR 10271:1993(E), все металлические материалы, работающие во внешнем или внутреннем контакте с человеческим организмом, тестируются на выход металлических ионов в модельную среду. В соответствии с требованиями стандарта проводили испытания предлагаемых сталей (NN1-3), стали-прототипа (N5) и стандартно применяемой для бытовых и медицинских целей стали 1Х18Н10Т. Определяли выход металлических ионов в раствор после выдержки в лимонной кислоте и дистиллированной воде. Испытания проводили в термостате при температуре 37^oC с выдержкой в течение 2 недель. Наличие металлических ионов в жидкостных вытяжках определялось атомно-адсорбционным методом. Испытывали образцы с помощью поверхности 32 см². В качестве эталона для оценки результатов анализа приняты данные о предельно допустимых концентрациях металлических ионов в питьевой воде (ПДК по ГОСТ 2874-82). Результаты проверки приведены в таблице 6.

Из приведенных данных видно:
содержание металлических ионов в вытяжках из предлагаемых сплавов не превышает норм ПДК как к лимонной кислоте, так и в дистиллированной воде;
вытяжки из сплава-прототипа не укладываются в нормы ПДК по содержанию хрома и молибдена в случае испытаний в лимонной кислоте.

Следовательно, предлагаемые составы превосходят стали-прототипы по устойчивости против выхода металлических ионов в модельную среду.

Формула изобретения

1. Коррозионно-стойкая немагнитная износостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,03 - 0,1
Кремний - 0,01 - 0,08
Марганец - 14 - 19
Хром - 14 - 17
Никель - 0,2 - 1,0
Медь - 0,8 - 1,2
Молибден - 0,5 - 1,5
Азот - 0,17 - 0,26
Тантал - 0,01 - 0,45
Железо - Остальное
при этом содержание хрома, молибдена и марганца устанавливают по соотношению
(%Cr + %Mo)/%Mn = 0,8 - 1,36,
а сумма содержаний углерода и азота составляет 0,21 - 0,36%.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий в количестве 0,01 - 0,32%, а содержание углерода, ниобия и тантала определяют по соотношению
%Nb = 8(%C - 0,03 - %Ta/15).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2