Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь
Владельцы патента RU 2367710:
Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу высокопрочной немагнитной и коррозионно-стойкой стали, используемой в машиностроении, приборостроении, специальном судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, молибден, ванадий, кальций, селен, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,04-0,08, кремний 0,10-0,40, марганец 9,0-11,0, хром 20,0-21,0, никель 2,8-3,8, молибден 0,7-1,2, ванадий 0,15-0,25, кальций 0,005-0,010, селен 0,10-0,15, азот 0,5-0,55, железо и неизбежные примеси - остальное. Отношение концентрации углерода к содержанию азота составляет 0,07÷0,14, отношение содержаний (Cr+2Mo+4V)/(C+N)=35÷41, а для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие: [Ni]+0,1[Mn]+0,01[Mn]2+18[N]+30[C]/[Cr]+1,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]=0,62÷086, где [N], [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрации в стали азота, углерода, кремний, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно. Сталь имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температуре 1000÷1050°C с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры и мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры 1030÷1070°С. Повышаются прочностные характеристики и коррозионная стойкость. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, специальном судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники.
Известна коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая 0,03% углерода, 0,4÷0,6% азота; 23÷25% хрома; 5÷7% марганца, 16÷18% никеля и 4÷5% молибдена (сталь марки 1.4565S, Материалы конференции «High Nitrogen Steels 90», Aahen, 1990, p.155). Основным недостатком этой стали является низкая прочность, плохая свариваемость и высокое содержание дорогих и дефицитных никеля и молибдена.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является сталь 07Х21Г7АН5 (см. А.А.Бабаков, М.В.Приданцев. «Коррозионно-стойкие стали и сплавы». М.: Металлургия, 1971, с.168, ЧМТУ 393-60, ЦНИИЧМ), содержащая 0,05-0,10% углерода, до 0,7%) кремния, 0,15÷0,25% азота, 20÷22% хрома, 6÷8% марганца, 5÷6% никеля, железо и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор. Однако эта сталь обладает недостаточным уровнем прочностных свойств (σв=700 МПа; σ0,2=400 МПа) для высоконагруженных деталей, а также наличием ферромагнитного δ-феррита в структуре стали, которые недопустимы для немагнитных изделий, при содержании аустенитообразующих элементов на нижнем пределе марочного состава.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании высокопрочной немагнитной коррозионно-стойкой стали.
Технический результат изобретения заключается в повышении прочностных характеристик, коррозионной стойкости и немагнитности стали.
Технический результат достигается тем, что в высокопрочную немагнитную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси дополнительно введены молибден, ванадий, селен и кальций, (см. табл.А при следующем соотношении компонентов, мас.%.
| Таблица А | |||
| углерод | 0.04-0.08 | молибден | 0.7-1.2 |
| кремний | 0.10-0.40 | ванадий | 0.15-0.25 |
| марганец | 9.0-11.0 | кальций | 0.005-0.010 |
| хром | 20.0-21.0 | селен | 0.10-0.15 |
| никель | 2.8-3.8 | азот | 0.5-0.55 |
неизбежные примеси и железо - стальное,
при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:
a) ,
где [N], [C], [Si], [Mn], [N], [Cr], [Mo], [V] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена и ванадия соответственно, выраженная в массовых процентах,
б) соотношение содержания углерода к содержанию азота (мас.%) должно быть в пределах - 0,07÷0,14,
в) соотношение содержания 
(мас.%) должно быть в пределах 35÷41,
при этом в ней формируется развитая субзеренная структура в процессе горячей пластической деформации при температурах 1000÷1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры, и сталь приобретает мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры в пределах 1030÷1070°С.
Содержание в стали углерода [С]=0,04 и азота [N]=0,5 в минимальных указанных количествах достаточно для обеспечения высокой прочности основного металла. При содержании углерода более 0,08% и азота более 0.55% соответственно, трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости из-за образования при тепловых выдержках большого количества карбида хрома типа Cr23C6, и нитридов хрома типа Cr2N. В этом случае трудно получить не имеющий пор металл без использования повышенного давления азота под расплавом из-за ограниченной растворимости азота в металле такого состава. Для предотвращения образования карбидов хрома типа Cr23C6 отношение содержания углерода к содержанию азота не должно превышать 0,15. Введение в сталь 20-21% хрома необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 21% и никеля менее 2,8% - сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и σ-фазы.
Выполнение условия 
обеспечивает предотвращение образования σ-фазы в структуре стали.
С увеличением содержания никеля более 3,8% - из-за снижения растворимости азота в металле невозможно получить сталь с заданным количеством азота. Получение содержания марганца на уровне 9-11% обеспечивает стабильность аустенита по отношению к γ→α(М) превращению, повышает растворимость азота и способствует раскислению металла. Введение в сталь ванадия в количестве более 0,15% обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение прочности (за счет образования мелкодисперсных нитридов ванадия. При меньших концентрациях ванадия положительный эффект от его введения незначителен. Увеличение содержания ванадия более 0,25% приводит к снижению прочности металла из-за обеднения твердого раствора азотом в результате образования термически устойчивых нитридов ванадия, диссоциирующих в аустените при температурах выше 1150°С. При содержании молибдена более 1,2% в металле может образовываться ферромагнитная фаза (δ-феррит). Добавки кальция и селена в количествах соответственно 0,005-0,010 и 0,10-0,15%) улучшая морфологию неметаллических включений, повышают пластичность металла и его технологичность, особенно обрабатываемость резанием. Если кальция и селена в металле меньше соответственно 0,005 и 0,10% - значительного эффекта от их введения не обеспечивается, при увеличении их содержания более соответственно 0,010 и 0,15% дальнейшего улучшения свойств не достигается.
Выполнение условия:
обеспечивает получение неферромагнитной стали (µ<1,01 Гс/Э). При уменьшении значений отношения менее 0,62 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита). При значении отношения более 0,86 в стали не достигается необходимый уровень растворимости азота. Аустенит с развитой субзеренной структурой в предлагаемой стали можно получить в результате горячей пластической деформации (ковки или прокатки) при температурах 1000-1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры. Пластическая деформация при температурах ниже 1000°С снижает пластичность и ударную вязкость стали и затрудняет процесс получения качественных изделий из-за высокого сопротивления металла пластическому деформированию. Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств стали достигается при обжатии 50÷80%. Обжатия менее 50% не обеспечивают требуемый уровень прочностных свойств, а обжатия более 80% приводят к значительному снижению пластичности. Высокая скорость охлаждения в воде от температуры закалки предотвращает образование в объеме металла нитридных фаз, снижающих пластичность стали, и ферромагнитной фазы - мартенсита.
Нагрев под закалку до температур 1030÷1070°С достаточен для растворения нитридов хрома при сохранении мелкозернистой структуры из-за наличия небольшого количества трудно растворимых частиц нитридов ванадия. При температуре нагрева под закалку менее 1030°С не достигается полное растворение нитридов, ухудшается вязкость и пластичность стали. При температурах нагрева под закалку выше 1070°С увеличиваются размеры зерен аустенита в результате интенсивного растворения нитридов ванадия.
Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 50 кг. При температуре 1050°С металл ковали на прутки 13×13 мм. Структуру металла определяли на рентгеновском дифрактометре. Механические испытания проводили на машине Инстрон-1185.
После испытаний сталь имела следующие значения (σв=874 МПа; σ0,2=495 МПа; δ=57%; Ψ=69,3%), результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.
| Таблица 1. | |||||||||||||
| Химический состав стали. | |||||||||||||
| Сталь | № плавки | Содержание элементов | |||||||||||
| N | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | Ca | S | P | Se | ||
| Прототип | 1 | 0.2 | 0.06 | 0.5 | 7.0 | 21.5 | 5.5 | - | - | - | 0.015 | 0.020 | - |
| Предлагаемая | 2 | 0.5 | 0.04 | 0.1 | 9.0 | 19.1 | 3.18 | 0.7 | 0.10 | 0.005 | 0.015 | 0.014 | 0.10 |
| 3 | 0.51 | 0.04 | 0.26 | 10.7 | 19.9 | 2.9 | 0.9 | 0.17 | 0.006 | 0.004 | 0.017 | 0.11 | |
| 4 | 0.55 | 0.09 | 0.4 | 11.0 | 21.0 | 3.8 | 1.2 | 0.25 | 0.010 | 0.017 | 0.020 | 0.15 |
| Таблица 2. Механические свойства и магнитная проницаемость стали. |
||||||||
| Сталь | №плавки | Обработка | σв, МПа | σ0,2, МП а | δ, % | ψ, % | KCU, МДж/м2 | µ, Гс/Э |
| Прототип | 1 | Закалка от 1050°С | 700 | 400 | 25 | 62 | 2,8 | 1,003 |
| 2 | Закалка от1050°С | 874 | 495 | 57,0 | 69,3 | 2,98 | 1,003 | |
| Предлагаемая | Ковка при 1050°С | 1086 | 935 | 31,9 | 53,1 | 1,27 | 1,004 | |
| 3 | Ковка при 1050°С | 1106 | 961 | 31,2 | 52,4 | 1,25 | 1,014 | |
| 4 | Ковка при 1050°С | 1135 | 986 | 30,0 | 51,3 | 1,19 | 1,007 |
1. Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий, кальций и селен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,04-0,08 |
| кремний | 0,10-0,40 |
| марганец | 9,0-11,0 |
| хром | 20,0-21,0 |
| никель | 2,8-3,8 |
| молибден | 0,7-1,2 |
| ванадий | 0,15-0,25 |
| кальций | 0,005-0,010 |
| селен | 0,10-0,15 |
| азот | 0,5-0,55 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие
где [N], [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрации в стали азота, углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно, мас.%,
отношение концентрации углерода к содержанию азота составляет 0,07÷0,14, а отношение содержании
в мас.% составляет 35÷41.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температуре 1000÷1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.
3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры 1030÷1070°С.
