высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь
Классы МПК: | C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе |
Автор(ы): | Блинов Виктор Михайлович (RU), Банных Игорь Олегович (RU), Блинов Евгений Викторович (RU), Зверева Тамара Николаевна (RU), Ригина Людмила Георгиевна (RU), Орыщенко Алексей Сергеевич (RU), Малышевский Виктор Андреевич (RU), Калинин Григорий Юрьевич (RU), Мушникова Светлана Юрьевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли (Минпромторг России) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-12-02 публикация патента:
20.06.2011 |
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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 ( в=700 МПа; 0,2=400 МПа) для высоконагруженных деталей, а также наличие ферромагнитного -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 Cr23 C6 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 -фазы.
Выполнение условия обеспечивает предотвращение образования -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 (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 ( -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 ( в=1080-1130 МПа; 0,2=915-980 МПа) при сохранении повышенной пластичности ( =30,2-34,9%; =51-53,8%) и ударной вязкости (KCU=1,10-1,31 МДж/м 2). 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 | в МПа | 0,2 МПа | , % | , % | KCU, МДж/м 2 | 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 |
Класс C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе