Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь
Владельцы патента RU 2421538:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных немагнитных коррозионно-стойких сталей, используемых в машиностроении, приборостроении, судостроении и буровой технике. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, молибден, ванадий, ниобий, бор, кальций, селен, железо и в качестве неизбежных примесей серу и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,03-0,07, кремний 0,10-0,40, марганец 9,0-11,0, хром 19,5-20,5, никель 3,5-4,5, бор 0,001-0,005, молибден 0,7-1,2, ванадий 0,15-0,25, ниобий 0,10-0,20, селен 0,010-0,015, азот 0,47-0,52, кальций 0,005-0,010, сера ≤0,02, фосфор ≤0,02, железо остальное. Отношение выражения ([Ni]+0,1[Mn]-0.01[Mn]2+18[N]+30[С]) к выражению ([Cr]+1,5[Мо]+0,48[Si]+2,3[V]+1,75[Nb]) составляет 0,66÷0,76, отношение содержания углерода к содержанию азота составляет 0,06÷0,14, а отношение (Cr+2Мо+4V)/(С+N) составляет 37÷41. Сталь имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температурах 1000-1100°С с обжатием 50÷80% и последующего охлаждения в воде до комнатной температуры. Сталь обладает высокими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью и немагнитностью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, 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 близкой к предлагаемому техническому решению является сталь 07Х21Г7АН5, принятая нами за прототип [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. Недостатками прототипа является недостаточный уровень прочностных свойств (σв=700 МПа; σ0,2=400 МПа) для высоконагруженных деталей, а также наличие ферромагнитного δ-феррита в структуре стали, который недопустим для немагнитных изделий, при содержании аустенитообразующих элементов на нижнем пределе марочного состава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопрочной немагнитной коррозионно-стойкой стали, обладающей более высокими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью и немагнитностью.
Технический результат достигается тем, что в высокопрочную немагнитную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси, дополнительно введены молибден, ванадий, ниобий, бор, кальций и селен при следующем соотношении компонентов, мас.%
| углерод | 0.03-0.07 | ниобий | 0.10-0.20 |
| кремний | 0.10-0.40 | селен | 0.010-0.015 |
| марганец | 9.0-11.0 | азот | 0.47-0.52 |
| хром | 19.5-20.5 | кальций | 0,005-0,010 |
| никель | 3.5-4.5 | сера | ≤0.02 |
| бор | 0.001-0.005 | фосфор | ≤0.02 |
| молибден | 0.7-1.2 | железо | остальное |
| ванадий | 0.15-0.25 |
при этом для значений концентрации легирующих элементов выполняются условия:
где [N], [С], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия и ниобия соответственно, выраженная в мас.%:
б) соотношение содержания углерода к содержанию азота (мас.%) должно быть в пределах - 0,06÷0,14;
в) соотношение содержания 
(мас.%) должно быть в пределах 37÷41,
при этом в ней формируется развитая субзеренная структура в процессе горячей пластической деформации при температурах 1000÷1100°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.
Содержание в стали углерода [С]=0,03 и азота [N]=0,47 в минимальных указанных количествах достаточно для обеспечения высокой прочности основного металла. При содержании углерода более 0,07% и азота более 0.52% 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 над 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 0,14.
Введение в сталь 19,5-20,5% хрома необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 20,5% и никеля менее 3,5% - сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и σ-фазы.
Выполнение условия 
обеспечивает предотвращение образования σ-фазы в структуре стали, что повышает пластичность стали.
С увеличением содержания никеля более 4,5% - 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 и ниобия в количестве 0.15-0.25% и 0,1-0,2% соответственно обеспечивает мелкозернистую структуру за счет нитридов ниобия и повышение прочности (за счет образования мелкодисперсных нитридов ванадия). При меньших концентрациях ванадия и ниобия положительный эффект от его введения незначителен. Увеличение содержания ванадия и ниобия более 0.25% и 0,20% приводит к снижению прочности металла из-за обеднения твердого раствора азотом в результате образования термически устойчивых нитридов ниобия, диссоциирующих в аустените при температурах выше 1150°С, и снижению ударной вязкости из-за увеличения количества нитридов ванадия. Дополнительное введение в сталь молибдена от 0,7% до 1,2% препятствует образованию в металле ферромагнитной фазы (δ-феррита). Добавки кальция и селена в количествах соответственно 0,005-0,010 и 0,010-0,015%, улучшая морфологию неметаллических включений, повышают пластичность металла и его технологичность, особенно обрабатываемость резанием. Если кальция и селена в металле меньше соответственно 0,005 и 0,010% - значительного эффекта от их введения не обеспечивается, при увеличении их содержания более соответственно 0,010 и 0,015% дальнейшего улучшения свойств не достигается. Введение в состав стали бора 0,001-0,005% улучшает пластичность металла при горячем нагреве за счет уменьшения крупного зерна в слябах. При содержании бора более 0,005% сталь разрушается вдоль границ зерен при температурах выше 1100°С из-за образования легкоплавкой эвтектики бора.
Выполнение условия:
обеспечивает получение неферромагнитной стали (µ<1,01 Гс/Э). При уменьшении значений отношения менее 0,66 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита). При значении отношения более 0,76 в стали не достигается необходимый уровень растворимости азота.
Аустенит с развитой субзеренной структурой в предлагаемой стали, обеспечивающей высокие прочностные свойства, можно получить в результате горячей пластической деформации (ковки или прокатки) при температурах 1000-1100°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 горячей деформации предотвращает образование в объеме металла нитридных фаз, снижающих пластичность стали, и ферромагнитной фазы - мартенсита.
Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 50 кг. При температуре 1100°С металл ковали на прутки 13×13 мм. Структуру металла определяли на рентгеновском дифрактометре. Механические испытания проводили на машине Инстрон-1185.
У стали после горячей деформации (в процессе ковки) достигается высокое упрочнение (σв=1080-1130 МПа; σ0,2=915-980 МПа) при сохранении повышенной пластичности (δ=30,2-34,9%; ψ=51-53,8%) и ударной вязкости (KCU=1,10-1,31 МДж/м2). Результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.
| Таблица 2 | ||||||||
| Механические свойства и магнитная проницаемость стали. | ||||||||
| Сталь | № плавки | Обработка | σв МПа | σ0,2 МПа | δ, % | ψ, % | KCU, МДж/м2 | µ, Гс/Э |
| Прототип | Закалка от 1100°С в воду | 692 | 395 | 31 | 63 | 2,9 | 1,009 | |
| Предлагаемая | 1 | Ковка при 1100°С, охлаждение в воде | 1080 | 915 | 31,9 | 53,8 | 1,31 | 1,009 |
| 2 | Ковка при 1070°С, охлаждение в воде | 1100 | 941 | 31,8 | 52,4 | 1,20 | 1,008 | |
| 3 | Ковка при 1000°С, охлаждение в воде | 1130 | 980 | 30,2 | 51,0 | 1,10 | 1,007 |
1. Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и в качестве неизбежных примесей серу и фосфор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий, ниобий, бор, кальций и селен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,03-0,07 |
| кремний | 0,10-0,40 |
| марганец | 9,0-11,0 |
| хром | 19,5-20,5 |
| никель | 3,5-4,5 |
| бор | 0,001-0,005 |
| молибден | 0,7-1,2 |
| ванадий | 0,15-0,25 |
| ниобий | 0,10-0,20 |
| селен | 0,010-0,015 |
| азот | 0,47-0,52 |
| кальций | 0,005-0,010 |
| сера | ≤0,02 |
| фосфор | ≤0,02 |
| железо | остальное, |
при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:
,где [N], [С], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия и ниобия соответственно, выраженная в мас.%,
отношение концентрации углерода к содержанию азота составляет 0,06÷0,14, а отношение содержания
в мас.% составляет 37÷41.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температурах 1000÷1100°С с обжатием 50÷80% и последующего охлаждения в воде до комнатной температуры.
