коррозионно-стойкая высокопрочная немагнитная сталь и способ ее термодеформационной обработки
Классы МПК: | C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе C21D8/02 при изготовлении плит или лент C21D8/12 при изготовлении изделий с особыми электромагнитными свойствами |
Автор(ы): | Горынин Игорь Васильевич (RU), Рыбин Валерий Васильевич (RU), Малышевский Виктор Андреевич (RU), Голуб Юлия Викторовна (RU), Гутман Евгений Рафаилович (RU), Калинин Григорий Юрьевич (RU), Малахов Николай Викторович (RU), Мушникова Светлана Юрьевна (RU), Фомина Ольга Владимировна (RU), Харьков Александр Аркадьевич (RU), Цуканов Виктор Владимирович (RU), Ямпольский Вадим Давыдович (RU), Дурынин Виктор Алексеевич (RU), Афанасьев Сергей Юрьевич (RU), Баландин Сергей Юрьевич (RU), Батов Юрий Матвеевич (RU), Немтинов Александр Анатольевич (RU), Степанов Александр Александрович (RU), Луценко Андрей Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU), ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ОБЪЕДИНЕННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ЗАВОДЫ "СПЕЦСТАЛЬ" (ООО "ОМЗ-СПЕЦСТАЛЬ") (RU), ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "СЕВЕРСТАЛЬ" (ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-08-20 публикация патента:
20.06.2010 |
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов и предназначено для использования в различных областях промышленности. Нагревают слиток из коррозионно-стойкой высокопрочной немагнитной стали, содержащей, мас.%: углерод 0,02-0,06, кремний 0,10-0,60, марганец 9,5-12,5, хром 19,0-21,0, никель 4,5-7,5, молибден 1,2-2,0, ванадий 0,08-0,22, кальций 0,005-0,010, натрий 0,005-0,010, ниобий 0,05-0,15, магний 0,0005-0,001, азот 0,40-0,60, алюминий 0,005-0,01, серу 0,003-0,012, фосфор 0,004-0,025, свинец 0,0002-0,005, висмут 0,0002-0,005, олово 0,0002-0,005, мышьяк 0,0002-0,005, медь 0,05-0,2 и железо остальное. Деформируют слиток в пластину в температурном диапазоне 1240-1000°С с суммарной степенью деформации 40-94%. Охлаждают пластину на воздухе для контроля качества поверхности и ее зачистки. Деформируют полученную пластину в диапазоне температур 1240-1000°С с фиксацией суммарной степени деформации 45-65% по 10-14% за проход в лист, толщина которого в 2,5-3,5 раза меньше толщины пластины. Подстуживают полученный лист на воздухе до 1000-950°С и контролируют температуру по его поверхности. Окончательно деформируют лист за 2-3 прохода по 8-12% за проход с последующим ускоренным охлаждением со скоростью 10-50°С/с до температуры 100-150°С по поверхности листа и дальнейшим охлаждением на воздухе. Сталь обладает повышенными прочностными и пластическими характеристиками, ударной вязкостью и имеет низкую магнитную проницаемость. 2 н.п. ф-лы, 4 табл.
Формула изобретения
1. Сталь коррозионно-стойкая высокопрочная немагнитная, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, кальций, ниобий, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит натрий, магний и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,02-0,06 |
кремний | 0,10-0,60 |
марганец | 9,5-12,5 |
хром | 19,0-21,0 |
никель | 4,5-7,5 |
молибден | 1,2-2,0 |
ванадий | 0,08-0,22 |
кальций | 0,005-0,010 |
натрий | 0,005-0,010 |
ниобий | 0,05-0,15 |
магний | 0,0005-0,001 |
азот | 0,40-0,60 |
алюминий | 0,005-0,01 |
железо и примеси | остальное, |
при этом в качестве примесей она содержит серу 0,003-0,012 мас.%, фосфор 0,004-0,025 мас.%, свинец 0,0002-0,005 мас.%, висмут 0,0002-0,005 мас.%, олово 0,0002-0,005 мас.%, мышьяк 0,0002-0,005 мас.% и медь 0,05-0,2 мас.%, а между компонентами выполняются следующие соотношения:
,
([C]-0,02)·8,3 [Nb]+[V],
где [C], [N], [Cr], [Mo], [Nb], [V] - содержание в стали углерода, азота, хрома, молибдена, ниобия и ванадия.
2. Способ термодеформационной обработки коррозионно-стойкой высокопрочной немагнитной стали по п.1, включающий нагрев слитка, деформацию слитка в пластину в температурном диапазоне 1240-1000°С с суммарной степенью деформации 40-94%, охлаждение пластины на воздухе для контроля качества поверхности и ее зачистки, деформирование полученной пластины в диапазоне температур 1240-1000°С с фиксацией суммарной степени деформации 45-65% по 10-14% за проход в лист, толщина которого в 2,5-3,5 раза меньше толщины пластины, подстуживают полученный лист на воздухе до 1000-950°С, контролируют температуру по его поверхности и окончательно деформируют за 2-3 прохода по 8-12% за проход с последующим ускоренным охлаждением со скоростью 10-50°С/с до температуры 100-150°С по поверхности листа и дальнейшим охлаждением на воздухе.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в судостроительной, химической, газонефтедобывающей, электротехнической, геодезии, медицинской областях промышленности.
Известен ряд марок стали, применяемых в указанных отраслях промышленности (например, нержавеющие немагнитные марки сталей типа 08Х18Н10Т, 08Х16Н15М3, 10Х18Н12Т и многие другие их аналоги, в том числе и более высокого уровня легирования, а также стали аустенитного класса дополнительно легированные азотом).
Это следующие стали:
- коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая до 0,03% углерода, 0,4-0,6% азота, 23-25% хрома, 5-7% марганца, 16-18% никеля и 4-5% молибдена [1]. Основным недостатком этой стали является невысокая прочность, плохая свариваемость и высокое содержание дорогостоящего никеля и молибдена;
- сталь коррозионно-стойкая, маломагнитная марки 07Х21Г7АН5 [2], содержащая 0,05-0,10% углерода, до 0,7% кремния, 0,15-0,25% азота, 20-22% хрома, 6-8% марганца, 5-6% никеля, 0,05-0,15% ниобия, железо и неизбежные примеси - остальное. Однако эта сталь также обладает недостаточным уровнем прочностных свойств ( 0,2~400 МПа), наличием ферромагнитного дельта-феррита при содержании аустенитообразующих элементов на нижнем пределе марочного состава. Кроме того, эта сталь склонна к межкристаллитной коррозии (МКК).
Рассмотренные стали при существующей технологии их производства не обладают необходимым уровнем прочности ( 0,2 не более 400-450 МПа), немагнитности (магнитная проницаемость µ>1,05 Гс/Э), имеют больший износ при трении в паре лед - поверхность корпуса судна (в случае применения стали в корпусе ледокола - ледовый пояс).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сталь марки 04Х20Н6Г11М2АФБ по патенту РФ № 2205889 от 10.06.2003. Бюллетень № 16, содержащая компоненты в следующем соотношении:
углерод | 0,04-0,9 |
кремний | 0,10-0,60 |
марганец | 5,0-12,0 |
хром | 19,0-21,0 |
никель | 4,5-9,0 |
молибден | 0,5-1,5 |
ванадий | 0,10-0,55 |
кальций | 0,005-0,010 |
ниобий | 0,03-0,30 |
азот | 0,40-0,70 |
неизбежные примеси и железо | остальное. |
Недостатками прототипа являются нестабильные прочностные и пластические характеристики, повышенная магнитная проницаемость, низкая износостойкость в ледовых условиях, плохая свариваемость, склонность к межкристаллитной коррозии и пониженный уровень горячей технологической пластичности.
Техническим результатом изобретения является получение коррозионно-стойкой стали повышенного уровня прочности, обладающей более стабильными характеристиками механических свойств, пониженной склонностью к межкристаллитной коррозии, повышенной износоустойчивостью в ледовых условиях, улучшенной свариваемостью, низкой магнитной проницаемостью и повышенной горячей технологической пластичностью.
Технический результат достигается тем, что высокопрочная аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, кальций, ниобий, азот, примеси и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит натрий, магний, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,02-0,06 |
кремний | 0,10-0,60 |
марганец | 9,5-12,5 |
хром | 19,0-21,0 |
никель | 4,5-7,5 |
молибден | 1,2-2,0 |
ванадий | 0,08-0,22 |
кальций | 0,005-0,010 |
натрий | 0,005-0,010 |
ниобий | 0,05-0,15 |
магний | 0,0005-0,001 |
азот | 0,40-0,60 |
алюминий | 0,005-0,01 |
железо и примеси | остальное |
при этом в качестве примесей она содержит серу 0,003-0,012 мас.%, фосфор 0,004-0,025 мас.%, свинец 0,0002-0,005 мас.%, висмут 0,0002-0,005 мас.%, олово 0,0002-0,005 мас.%, мышьяк 0,0002-0,005 мас.% и медь 0,05-0,2 мас.%, а между компонентами выполняются следующие соотношения:
- соотношение содержания углерода к содержанию азота
- соотношение суммы карбидообразующих элементов, с учетом коэффициентов активности, к углероду выражено следующим эмпирическим выражением:
где [C], [MN], [Cr], [Mo], [Nb], [V] - содержание в стали углерода, азота, хрома, молибдена, ниобия и ванадия;
- суммарное количество ванадия и ниобия соответствует следующему соотношению: (%С-0,02)·8,3 % Nb+% V.
Содержание углерода в диапазоне 0,02-0,06% и азота 0,40-0,60%, задающее указанное соотношение, обеспечивает образование необходимого количества и дисперсности карбонитридных фаз, способствующих упрочнению стали в ходе термодеформационного воздействия. При большем содержании углерода и азота в стали увеличивается склонность к хрупкому разрушению в связи с повышенным количеством и размером частиц карбонитридной фазы и ее неравномерным распределением, в том числе как по границам зерен и блоков, так и по плоскостям скольжения, а также повышается склонность к МКК.
При указанном содержании углерода и азота образуются карбиды хрома типа Me23C6 и нитриды хрома типа Cr2N, карбонитриды ниобия и ванадия типа Nb(C, N) и VN. Указанные карбонитридные фазы могут выделяться также на стадиях дополнительной термической обработки после закалки и промежуточных технологических нагревов.
Хром в указанных количествах необходим для обеспечения коррозионной стойкости, а также растворимости азота, который в сочетании с основными аустенитообразующими элементами - Ni, Mn, обеспечивает стабильность аустенитной структуры без образования феррита и сигма-фазы. При данном составе по содержанию никеля и марганца и их взаимным соотношением достигается наибольшая стабильность аустенита и способность растворения в рассматриваемом объеме (0,4-0,6%) азота. При содержании данных легирующих элементов (Ni, Mn) ниже заявляемого предела невозможно добиться чисто аустенитной структуры, а при большем их количестве, хотя и достигается чисто аустенитная структура, но образующийся гамма-твердый раствор обладает повышенным уровнем прочности при горячем пластическом деформировании в узком температурном интервале деформирования - 1220-950°С. Это затрудняет процесс прокатки и ковки заготовок из стали с повышенным содержанием марганца, при этом уровень сдаточных механических свойств остается практически на прежнем уровне.
Введение в сталь ванадия и ниобия в указанных количествах обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение прочности за счет образования мелкодисперсных карбонитридов ванадия и ниобия. При этом выполнение условия зависимости суммарного содержания ванадия и ниобия от содержания углерода необходимо для связывания в карбиды избыточного углерода и тем самым предотвращения межкристаллитной коррозии.
Содержание молибдена свыше 2,0% при заданном содержании хрома, марганца и никеля может привести к образованию ферромагнитной фазы ( -феррит), в соответствии с этим повышению магнитной проницаемости µ>1,05 Гс/Э. При этом также снижаются характеристики пластичности и ударной вязкости, особенно в поперечном направлении.
Легирование кальцием и натрием в указанном количестве (по 0,005÷0,010% в составе металла) способствует улучшению раскисленности стали на стадии выплавки и уменьшению количества оксидов (особенно на базе алюминия и кремния). При содержании кальция и натрия менее 0,005% каждого эффект раскисления незначителен, а в количестве больше 0,010% каждого дальнейшего раскисления практически не происходит, так как происходит выгорание излишков этих элементов. Дополнительно раскисление и модифицирование стали производят добавлением алюминия и магния в указанном количестве (по анализу в металле).
Регламентированное содержание примесных элементов позволяет улучшить характеристики пластичности, как в горячем состоянии при деформировании, так и в холодном состоянии в эксплуатационных условиях. Содержание примесных элементов ниже минимального содержания в соответствии с заявленным составом труднодостижимо в современных условиях производства и может быть достигнуто только в лабораторных условиях с применением особочистых шихтовых материалов. Верхняя граница по содержанию примесных элементов определена тем их содержанием, при котором уже начинается эффект высокотемпературной и низкотемпературной хрупкости.
При данных условиях по легированию основными элементами и ограничения содержания примесных элементов большое значение для обеспечения требуемых характеристик при их стабильных значениях имеет пониженное содержание углерода. При его стабильном содержании ниже 0,06% обеспечивается более равномерная структура без выделения грубодисперсных карбидных фаз, в основном содержащих хром. Это способствует стабилизации характеристик механических свойств, подавлению межкристаллитной коррозии и, соответственно, повышению износоустойчивости в ледовых условиях, улучшению свариваемости и повышению горячей пластичности (сравнительные данные по этим параметрам представлены в табл. № 4).
Для достижения указанного технического результата большое значение имеет термодеформационная обработка заявленной стали. В качестве прототипа термодеформационной обработки принят режим горячей пластической деформации [3], состоящий из нагрева слитков до температуры 1200°С с выдержкой 3 часа с последующим деформированием на пластины толщиной 50 мм, которые после охлаждения нагреваются до 1100°С в течение 30 мин и прокатываются на пластины толщиной 14 мм за 10-12 проходов (суммарная степень деформации - 72-75%). Температура конца прокатки составляет ~850°С.
Недостатками такой термодеформационной обработки стали являются невысокие значения пластических характеристик и недостаточный уровень значений ударной вязкости стали.
По режиму-прототипу требуемые свойства не достигаются вследствие того, что при низкой температуре окончания деформации (850°С) происходит сильное текстурирование металла (т.е. направленное вдоль прокатки слоистое расположение деформированных зерен), при котором на границах субзерен наблюдаются выделения нитридных и карбидных частиц, образующихся непосредственно в процессе пластической деформации у стали с повышенным содержанием углерода.
Технический результат изобретения достигается тем, что термодеформационная обработка стали заявленного состава включает в себя нагрев слитка, деформацию слитка в пластину в температурном диапазоне 1240-1000°С/с суммарной степенью деформации 40-94%, охлаждение пластины на воздухе до температуры 10-40°С для контроля качества поверхности и ее зачистки, деформирование полученной пластины в диапазоне температур 1240-1000°С с фиксацией суммарной степени деформации 45-65% по 10-14% за проход в лист, толщина которого в 2,5-3,5 раза меньше толщины пластины, подстуживают полученный лист на воздухе до 1000-950°С, контролируют температуру по его поверхности и окончательно деформируют за 2-3 прохода по 8-12% за проход с последующим ускоренным охлаждением со скоростью 10-50°С/с до температуры 100-150°С по поверхности листа и дальнейшим охлаждением на воздухе.
При заявляемом способе термодеформационной обработки заявленная сталь обладает мелкозернистой чисто аустенитной структурой, которая обеспечивает высокий комплекс механических характеристик. При несоблюдении температуры начала и окончания термодеформационного воздействия, степени деформации и скорости охлаждения после деформирования получение высокопрочной ( 0,2 850 МПа) немагнитной стали становится невыполнимой задачей.
В случае изменения заданных температурно-деформационных режимов возможны существенные отклонения механических свойств от оптимального уровня. С повышением температуры окончания деформирования будут падать характеристики прочности и несколько повышаться характеристики пластичности и ударной вязкости. С понижением температуры окончания деформирования значительно возрастают характеристики прочности, но падают характеристики пластичности и ударной вязкости.
Термодеформационная обработка также требует регламентации в зависимости от толщины проката. На начальном этапе термодеформационного воздействия кузнечные или листовые слитки деформируют на пластины, толщина которых определяется заданной толщиной листов. В толщинах листов от 10 до 100 мм толщина пластин составляет 2,5-3,5 толщины листа.
Степень деформации пластин зависит от планируемой толщины листа и определяется следующим соотношением:
Степень деформации пластин =
где h3 - толщина слитка (обычно 500 мм)
h2 - толщина пластины.
Степень деформации, % | 94 | 88 | 82 | 76 | 70 | 58 | 40 |
Толщина пластины, мм, h2 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 210 | 300 |
Для получения оптимальной степени деформации листа, определяемой соотношением равным 65-70% (h1 - толщина листа) соотношение размеров пластин и листов должно быть следующим:
h1 - толщина листа, мм | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 70 | 100 |
h 2 - толщина пластины, мм | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 210 | 300 |
При указанных соотношениях геометрических параметров толщин пластин и листов можно получить требуемый комплекс механических и физических характеристик стали.
Пример
Была выплавлена сталь заявляемого состава. Химический состав заявляемой стали и стали-прототипа представлен в таблице 1.
Механические свойства заявляемой стали после горячей прокатки и стали-прототипа определяли на поперечных образцах: разрывных, тип III № 4 по ГОСТ 1497, ударных, тип II по ГОСТ 9454. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Была проведена термодеформационная обработка стали заявляемого состава ( № 2 табл. 1) по двум режимам. По заявляемому режиму слиток нагревали до температуры 1240°С и деформировали на пластину толщиной 100 мм в температурном диапазоне 1240-1000°С с суммарной степенью деформации 60%, затем охлаждали на воздухе и после визуального осмотра поверхности ее зачищали, на втором этапе пластину деформировали на лист толщиной 40 мм в диапазоне температур 1240-1000°С с суммарной степенью деформации 60% за 5 обжатий по 10-14% за проход, затем лист охлаждали на воздухе до 1000° и проводили контроль температуры по поверхности листа. При температуре 1000°С проводили два обжатия по 9-10% за проход с последующим ускоренным контролируемым охлаждением листа (УКО) со скоростью 20°С/с до температуры 150°С по поверхности.
По режиму-прототипу слиток нагревали до температуры 1200°С с выдержкой 3 часа, затем деформировали на пластины толщиной 50 мм, которые после охлаждения снова нагревали до 1100°С в течение 30 мин и проводили деформирование на пластины толщиной 14 мм за 10 проходов. Суммарная степень деформации составляла 72%, температура окончания деформирования была 860°С.
Механические свойства стали после термодеформационной обработки по двум режимам определяли на поперечных образцах: разрывных, тип III № 4 по ГОСТ 1497, ударных, тип II по ГОСТ 9454. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
Как видно из таблиц 2 и 3, заявляемая сталь по сравнению с прототипом имеет более высокие прочностные и пластические характеристики, значения ударной вязкости, а также низкие значения магнитной проницаемости и может быть использована в судостроительной, электротехнической, химической и других областях промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сталь марки 1.4565S, материалы конференции «High Nitrogen Steeds 90», Aahen, 1990, р.155.
2. А.А.Бабаков, М.В.Приданцев. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М., Металлургия, 1971 г., с.168, ЧМТУ 393-60, ЦНИИЧМ.
3. Г.Ю.Калинин, В.А.Малышевский, С.Ю.Мушникова, В.Д.Ямпольский. «Влияние режима горячей пластической деформации на механические свойства и структуру высокопрочных коррозионно-стойких аустенитных сталей, легированных азотом». Вопросы материаловедения, 2002, № 2 (30), с.5.
Таблица 2 | |||||||
Механические и магнитные свойства заявляемой стали и прототипа | |||||||
Сталь | Механические свойства | ||||||
В, МПа | 0,2, МПа | 5, % | , % | KCV кДж/м 2 | µ, Гс/Э | ||
Заявляемая, | 1 | 1028 | 878 | 38 | 68 | 185 | 1,005 |
№ № составов | 2 | 1100 | 900 | 37 | 65 | 138 | 1,005 |
3 | 1125 | 980 | 32 | 64 | 121 | 1,005 | |
Сталь-прототип | 825 | 680 | 29 | 57 | 85 | 1,008-1,10 | |
Примечание. | |||||||
1. Свойства стали заявляемого состава и прототипа определяли на образцах, вырезанных из листов толщиной 20÷40 мм. | |||||||
2. Приведенные данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на точку. |
Таблица 3 | |||||
Механические свойства заявляемой стали после термодеформационной обработки по заявляемому режиму и режиму-прототипу | |||||
Режимы термодеформационной обработки | Механические свойства | ||||
в, МПа | 0,2, МПа | 5, % | , % | KCV кДж/м 2 | |
Заявляемый режим | 1079 | 920 | 35 | 66 | 130 |
Сталь-прототип | 1160 | 1020 | 14 | 35 | 25 |
Примечание. | |||||
Приведенные данные усреднены по результатам испытаний трех образцов на точку. |
Класс C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе
Класс C21D8/02 при изготовлении плит или лент
Класс C21D8/12 при изготовлении изделий с особыми электромагнитными свойствами