высокопрочная коррозионно-стойкая высокоазотистая немагнитная сталь
Классы МПК: | C22C38/38 с более 1,5 % марганца по массе |
Автор(ы): | Орыщенко Алексей Сергеевич (RU), Малышевский Виктор Андреевич (RU), Калинин Григорий Юрьевич (RU), Мушникова Светлана Юрьевна (RU), Харьков Олег Александрович (RU), Гутман Евгений Рафаилович (RU), Банных Олег Александрович (RU), Блинов Виктор Михайлович (RU), Зверева Тамара Николаевна (RU), Блинов Евгений Викторович (RU), Банных Игорь Олегович (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли (Минпромторг России) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-12-02 публикация патента:
10.08.2011 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу высокопрочной коррозионно-стойкой высокоазотистой немагнитной стали, используемой в машиностроении, приборостроении, судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, азот, молибден, ванадий, кальций, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,03-0,07, кремний от 0,1 до менее 0,2, марганец 6,0-8,0, хром 15,0-17,0, молибден 0,5-0,7, ванадий 0,15-0,25, азот 0,50-0,65, кальций 0,005-0,01, железо и неизбежные примеси остальное. В качестве неизбежных примесей она содержит серу 0,020 и фосфор 0,020. Сталь после аустенизации при 1050-1070°С имеет гомогенную аустенитную структуру, а для ее компонентов выполняются следующие условия: (0,1[Mn]-0,01[Mn]2+18[N]+30[С])/([Cr]+1,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V])=0,68÷0,80 и {Cr+2Мо+4V)/(С+N)=28÷35. Повышаются прочностные характеристики, коррозионная стойкость и немагнитность. 3 табл.
Формула изобретения
Сталь высокопрочная коррозионно-стойкая высокоазотистая немагнитная, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,03-0,07 |
кремний | от 0,1 до менее 0,2 |
марганец | 6,0-8,0 |
хром | 15,0-17,0 |
молибден | 0,5-0,7 |
ванадий | 0,15-0,25 |
азот | 0,50-0,65 |
кальций | 0,005-0,01 |
железо и неизбежные примеси, | |
в том числе сера 0,020 и фосфор 0,020 | остальное, |
при этом она имеет гомогенную аустенитную структуру после аустенизации при 1050-1070°С, и выполняются следующие условия:
,
где [N], [С], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно, выраженная в мас.%, а соотношение содержаний мас.% находится в пределах 28÷35.
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 менее 0,15% углерода, менее 0,25% азота; 17÷19% хрома; 7,5÷10% марганца, 4÷6% никеля и менее 1% кремния (сталь марки AISI 202, Metals Handbook. Ninth Edition. Volume 13. Corrosion. / Ed. L.J.Korb, D.L.Olson. - USA: ASM International, 1994. - 500 с.). Известна коррозионно-стойкая немагнитная сталь 12Х17Г9Н4 (отечественный аналог стали AISI 202).
Основным недостатком этих сталей является низкая прочность ( в=688-720 МПа; 0,2=340-370 МПа) и высокое содержание дорогого и дефицитного никеля.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является сталь 10Х14Г9Д2СА (см. Хосино Кадзуо, Морита Катаро, японский патент), содержащая 0,06÷0,15% углерода, 0,05÷0,15% азота; 13÷15% хрома; 7÷11% марганца, 1÷4% меди и 0,3÷1% кремния, железо и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор. Однако эта сталь обладает недостаточным для высоконагруженных немагнитных деталей уровнем прочностных свойств ( в=790 МПа; 0,2=360 МПа), недостаточный уровень магнитной проницаемости и коррозионной стойкости.
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, азот, железо и неизбежные примеси дополнительно введены молибден, ванадий и кальций (таблица 1) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,03-0,07 | ванадий | 0,15-0,25 |
кремний | от 0,10 до менее 0,20 | азот | 0,50-0,65 |
марганец | 6,0-8,0 | сера | 0,020 |
хром | 15,0-17,0 | фосфор | 0,020 |
молибден | 0,5-0,7 | кальций | 0,005-0,01 |
железо и неизбежные примеси | ост. |
при этом для значений концентраций легирующих элементов должны выполняться условия:
где [N], [С], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно, выраженная в массовых процентах.
б) соотношение содержания мас.% должно быть в пределах 28÷35.
Содержание в стали углерода [С]=0,03 и азота [N]=0,50-0,65 достаточно для обеспечения высокой прочности основного металла. При содержании углерода более 0,07% и азота более 0,65% соответственно трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости из-за образования при тепловых выдержках большого количества нитридов хрома типа Cr2N.
Введение в сталь 15-17% хрома необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 17% и азота менее 0,50% - сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и -фазы, а при содержании хрома менее 15% сталь будет иметь пониженную коррозионную стойкость.
Выполнение условия обеспечивает предотвращение образования -фазы в структуре стали.
Получение содержания марганца на уровне 6-8% обеспечивает стабильность аустенита по отношению к (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 0,7% в металле может образовываться ферромагнитная фаза ( -феррит). Добавка кальция в количестве 0,005-0,010% улучшает морфологию неметаллических включений, повышает пластичность металла и его технологичность, особенно обрабатываемость резанием. Если кальция в металле меньше 0,005% - значительного эффекта от их введения не обеспечивается, при увеличении его содержания более 0,010% дальнейшего улучшения свойств не достигается.
Выполнение условия:
обеспечивает получение неферромагнитной стали (µ<1,01 Гс/Э). При уменьшении значений отношения менее 0,68 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита). При значении отношения более 0,80 в стали не достигается необходимый уровень растворимости азота.
Сталь с высоким содержанием азота (в 1,5-1,7 раза выше равновесной концентрации) выплавляли при использовании повышенного давления азота над расплавом. Слитки подвергаются горячей пластической деформации (ковке или прокатке) при температурах 900-1050°С с обжатием 50÷80%. Сталь характеризуется гомогенной аустенитной структурой, полученной в результате аустенитизации при 1050-1070°С. Температура ниже 1050°С недостаточна для растворения нитридов хрома и ванадия, нагрев выше 1070°С приводит к образованию высокотемпературного -феррита.
Сталь выплавляли в специальной индукционной печи емкостью 40 кг при использовании повышенного давления азота над расплавом. При температуре 900-1050°С металл ковали на заготовки, которые затем прокатывали на пластины размером 16×300×600 мм. Аустенитизацию осуществляли при 1050°С с последующей закалкой в воду. Механические испытания проводили на машинах ZWICK/ROELL. Для оценки коррозионной стойкости применяли индекс питтингостойкости, определяемый по формуле: PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N.
У стали после аустенитизации достигается высокое упрочнение в=880-940 МПа; 0,2=580-606 МПа) при удовлетворительной ударной вязкости (KCV=35,0-42,4 Дж/см2). Результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3.
Как следует из таблиц 2 и 3, сталь предложенного состава ( № 1-3) обладает более высокими значениями прочностных характеристик ( в, 0,2), низкой магнитной проницаемостью (µ) и в значительной степени увеличенными показателями коррозионной стойкости (PRE) по сравнению со сталью, принятой нами в качестве прототипа. Таким образом, изделия из стали предложенного состава будут обладать повышенным уровнем эксплуатационных характеристик.
Класс C22C38/38 с более 1,5 % марганца по массе