Сплав на основе железа с эффектом памяти формы

 

Изобретение относится к металлургии, в частности сплавам на основе железа с эффектом памяти формы Цель изобретения повышение кор розионной стойкости и жаростойкости при сохранении уровня восстанавливаемой деформации не менее 70% Сплав содержит (мас.%) 5-20 хрома 2.0-8,0 кремния, по меньшей мере одного элемента, выбранного-из группы, включающей в себя 0,1-14,& марганца. 0,1-20 0 никеля , 0 1-30,0 кобальта; 0.1-3,0 меди. О 001-0,400 азота, где N1 + 0.5 Мп + 0,4 Со + + 0,06 С + 0,002 N 0,67 (Сг + 1,2 Si)-3, остальное железо и случайные примеси 2 табл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4613661/02 (22) 16.03.89 (31) 63-83494 (32) 05,04.88 (33) JP(46) 15;06.92. Бюл. ¹ 22 (71) НКК Корпорейшн (JP) (72) Ютака Мория, Тетсуя Санпеи и Хисатоси

Тагава (J P) (53) 669.15 26 82(088.8) (56) Заявка Японии N 61-201761. кл, С 22 С 38/18, 1986. (54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе железа с эффектом памяти формы, Цель изобретения — повышение коррозионной стойкости и жаростойкости при сохранении уровня восстанавливаемой деформации не менее 70%, Сплав включает, мас.7(,: хром 5.0-20,0; кремний 2,0 — 8,0, по меньшей мере один элемент из группы, мас. : марганец 0,1-14,8, никель 0,1-20,0; кобальт 0.1 — 30,0. медь 0,-1—

3.0, азот. 0,001-0,400, причем:, Ni + 0,5 Мп +

+ 0,4 Мо + 0;06 Cu + 0,002N > 0,67 (Сг +

+ 1,2 Si), а,остальное железо, При добавке в сплав определенного количества хрома можно уменьшить энергию дефектов упаковки аустенита, увеличить предел текучести аустенита и улучшить.коррозионностойкость и сопротивление сплава .окислению сплава при высоких температурах.

При добавке кремния в сплав в определенном количестве можно уменьшить энер„„. Ж„„1741611 АЗ

rs»s С 22 С 38/02, 38/16, 38/18 (57) Изобретение относится к металлургии, в частности сплавам на основе железа с эффектом памяти формы. Цель изобретения — повышение коррозионной стойкости и жаростойкости при сохранении уровня восстанавливаемой деформации не менее

70%: Сплав содержит (мас.%) 5-20 хрома;

2,0-8,0 кремния; по меньшей мере одного элемента, выбранного. из группы, включающей всебя 0,,1-14,8 марганца; 0.1 —.20,0 никеля; 0,1-30.0 кобальта; 0.1-3,0 меди:

0,001-0,400 азота, где Ni + 0.5 Mn + 0,4 Со +

+ 0,06 С + 0,002 N 0.67 (Сг + 1,2 Si)-3, остальное железо и случайные примеси, 2 табл. гию дефектов упаковки аустенита и улучшить сопротивление сплава окислению при высоких температурах.

При добавке в сплав по меньшей мере одного элемента, например марганца, никеля. кобальта, меди или азота, в заданном количестве можно целать так, чтобы исходная фаза сплава до подвергания сплава пластической деформации состояла исключительно из эустенита или главным образом, аустенита и небольшого количества к -мартенсита.

Посредством ограничения в определенных пределах отношения общего содержа- ния марганца, никеля, кобальта, меди и/или азота, которые являются элементами. образующими аустенит. и общему содержанию хрома и/или кремния, которые являются элементами, образующими феррит, можно сделать так. чтобы исходная фаза сплава, до подвергания сплава пластической деформации. содержала исключительно аустенит

1741611 или глфеным образом аустенит и небольшое количество к -мартенсита.

Настоящее изобретение основано на указанных результатах и сплав на железной основе с ЭЗФ имеет высокую коррозионную стойкость и жаростойкость и содержит, мас.%: хром 5,0-20,0, кремний 2,0 — 8,0, по меньшей мере, одного элемента, выбранного из группы, включающей в себя, мас.%: марганец 0,1 — 14,8, никель 0,1 — 20,0, кобальт

0,1-30,0, медь 0,1-3,0 и азот 0,001-0,400, где; Ni+ 0,5 Мп+ 0,4 Со+ 0,06 Cu+ 0,002 N 0,67 (Сг + 1,2 Si) — 3, остальное железо и случайные примеси.

Хром выполняет функцию снижения энергии дефектов упаковки аустенита и улучшает корроэионную стойкость и сопротивление сплава окислению при высоких температурах. Кроме того, хром имеет другую функцию, а именно улучшение предела текучести аустенита. Однако при содержании хрома выше 5,0 мас.% требуемый эффект не может достигаться, С другой сгороны, содержание хрома свыше 20.0 мас.% не допускается по следующим причинам. Поскольку хром является элементом, образующим феррит,.то повышенное содержание хрома препятствует образованию аустенита. Поэтому для образования аустенита в сплав добавляют по меньшей мере один элемент из группы: марганец, никель. кобальт и азот; которые являются аустенитобразующими элементами. Для повышенного содержания хрома упомянутые аустенитобразующие элементы необходимо также добавлять в большом количестве.

Однако добавка аустенитобразующих элементов в большом количестве является нецелесообразной с экономической точки зрения. Кроме того, повышенное содержание хрома стремится вызвать более простое образование д -фазы в сплаве, По этим при-. чинам при содержании хрома свыше

20,0 мас. необходимость высокого содержанияя аустенитобразующих элементов приводит к экономическим потерям, а образование д-фазы вызывает ухудшение свойства восстанавливать форму, обрабатываемость и пластичность сплава. Поэтому содержание хрома должно быть ограничено в пределах 5,0 — 20,0 мас,%.

Кремний снижает энергию дефектов упаковки аустенита и улучшает жаростойкость увеличивает предел текучести аустенита. Однако.при содержании кремния ниже 2,0 мас.% не достигается требуемый эффект. С другой стороны, при содержании кремния свыше 8,0 мас. пластичности сплава серьезно уменьшается и эначительно ухудшается способность обработки в ro рячем и холодном состоянии, Поэтому содержание кремния должно быть ограничено пределом от 2,0 до 8,0 мас.%.

5 Согласно изобретению в сплав добавляют хром и кремний, которые являются ферритобразующими элементами, и кроме того, в сплав добавляют по меньшей мере один из следующих элементов: марганец, никель, 10 кобальт, медь и азот, являющиеся аустенитобразующими элементами, чтобы исходная фаза сплава до пластической деформации содержала исключительно аустенит или главным образом аустенит и не15 большое количество к -мартенсита.

Марганец является сильным элементом, который. образует аустенит и имеет функцию сделать исходную фазу сплава до приложения пластической деформации к

20 сплаву, состоящую исключительно из аустенита и главным образом аустенита и небольшого количества я -мартенсита. Однако при содержании марганца ниже 0,1 мас.% требуемый указанный эффект не достигается. С

25 другой стороны, при содержании марганца свыше 14,8 мас.% коррозионная стойкость и жаростойкость ухудшается. Поэтому содержание марганца должно быть ограничено пределом 0,1-14,8 мас.%.

30 Эффект содержания марганца на удлинение при разрушении в сплаве на желез- ной основе, способном восстанавливать форму, был исследован посредством следующего испытания на разрыв, Содержание

35 марганца свыше 14,8 мас.% приводит к низкому удлинению при разрушении сплава в результате образования д -фазы.

Никель является сильным элементом, который образует аустенит и имеет функ40 цию сделать исходную фазу сплава до пластической деформации, содержащей исключительно аустенит и главным образом аустенит и небольшое количество к -мартинсита. Однако при содержании никеля ниже

45 0,1 мас. требуемый эффект не может быть достигнут. С другой стороны, при содержании никеля свыше 20.0 мас. точка превращения r. -мартенсита (далее обозначена

"точка М$" ) смещается главным образом в

50 сторону низкотемпературной зоны и температура, при которой прилагается пластическая деформация к сплаву, становится очень низкой. поэтому содержание никеля должно быть ограничено пределом 0,1-20,0 мас., Кобальт представляет аустенитобразующий элемент и имеет функцию сделать исходную фазу сплава до приложения пластической деформации. исключительно состоящую из аустенитэ или главным обра1.74161 1

30

40

50

55 зом. аустенита в небольшого количества F. мартенсита. Кроме того, кобальт не снижает точку MS, тогда как марганец, никель, кобальт и азот снижают точку MS, Поэтому кобальт является очень эффективным элементом для регулирования точки MS в требуемом температурном диапазоне, Однако при содержании кобальта ниже 0,1 мас. требуемый эффект не достигается, С другой стороны, при содержании кобальта свыше

30,0 мас.% не достигается особенное улучшение упомянутого эффекта. Поэтому содержание кобальта должно быть ограничено пределом 0,1-30,0 мас. .

Медь является аустенитобразующим элементом и имеет функцию сделать исходную фазу сплава до приложения пластической деформации, исключительно состоящей из аустенита или главным образом аустенита и небольшого количества кмартенсита. Кроме того, медь имеет функцию улучшить коррозионную стойкость сплава. Однако при содержании сплава ниже 0.1 мас, требуемый эффект не достигается. С другой стороны, при содержании меди свыше 3,0 мас. образование к-мартенсита исключается. Причиной является то, что медь увеличивает энергию дефектов упаковки аустенита. Таким образом содержание меди должно быть ограни <ено пред.елом 0,1-3,0 мас.%.

Азот является аустенитобразующим элементом и имеет функцию сделать исходную фазу сплава до приложения пластической деформации, исключительно состоящую из аустенита или главным образом аустенита и небольшого количества кмартенсита. Кроме того. азот улучшает коррозионную стойкость сплава и увеличивает предел текучести аустенита. Однако при содержании азота ниже 0.001 мас,7 требуемый эффект не достигается. С другой стороны, при содержании азота свыше

0,400 мас.% упрощается образование нитридов хрома и кремния и ухудшается свойство восстанавливать форму сплава.

Поэтому содержание азота должно быть ограничено пределом 0,001-0.400 мас. .

Отношение общего содержания аустенитобраэующих элементов к общему содержанию ферритобразующих элементов.

Необходимо, чтобы исходная фаза до приложения пластической деформации сплава при определенной температуре состояла исключительно из аустенита или в основном из аустенита и небольшого количества я-мартенсита. Поэтому согласно настоящему изобретению должны быть удовлетворены следующие формулы помимо упомянутых ограничений химического состава предложенного сплава:

Ni + 0,5 Mn + 0.4 Со+ 0,06 Cu+ 0,002 N >

> 0,67 (Cr + 1,2 Si) — 3

Способность аустенитобразующих элементов образовывать аустенит выражена следующим образом в значениях эквивалента никеля: эквивалент никеля = Nl +

+0,5 Mn + 0,4 Со + 0,06 Cu + 0,002 N.

Эквивалент никеля является индикатором способности образовывать аустенит.

Способность ферритобраэующих элементов, содержащихся в сплаве, образовывать феррит выражена следующим образом в значениях эквивалента хрома: эквивалент хрома = Cr + 1,2 Si. Эквивалент хрома является индикатором способности образовывать феррит.

Если удовлетворяется данная формула, то исходная фаза сплава до приложения пластической деформации к сплаву при определенной температуре может исключительно состоять из аустенита или главным образом аустенита и небольшого количества «-мартенсита.

Содержание углерода. фосфора и серы, которые являются примесями, должно предпочтительно составлять; до 1 мас.о углерода, 0,1 мас. фосфора и 0.1 мас. серы.

Пример. Легированные стали согласно настоящему изобретению. с химическим составом указанным в табл. 1. плавили в плавильной печи при атмосферном давлении или в вакууме, затем отливали в слитки.

Затем полученные слитки нагревали до температуры в интервалах 1000 — 1250 С и прокатывали в горячем состоянии до толщины

12 мм для приготовления образцов предлагаемых легированных сталей и сравнительных образцов.

После этого определяли свойство вос- станавливать форму. коррозионную стойкость и жаростойкость для каждого предлагаемого образца предложенного сплава и образца сравнительных сплавов посредством описанных ниже испытаний.

Результаты этих испытаний представлены в табл. 2.

Свойство восстанавливать форму исследовано испытанием на разрыв, которое заключалось в следующем: отрезали образец в виде круглого прутка-диаметром 6 мм и расчетной длины 30 мм от каждого образца. К каждому образцу прилагали деформацию растяжения 4 при температуре, указанной в табл. 2, затем каждый образец нагревали до определенной температуры выше точки Af и близкой к точке Af, затем измеряли расчетную длину каждого образца

1741611

Таблица 1

Химиче

Si Mn

6.1

7.6

2.8

5.8

6.1

5,8

2,4

6.2

2.7

5,9

5.8

5.9

14,6

5,8

14,3

4,8

1,3

1.7

14.0

2.8

5,3

5,9

9,1

13,2

13,4

11,2

18,5

8,3

18.1

13,1

13.4

13.3

4.5, 10,8

О 1, 200

16.3, 4.9 !

20.0 4.0

5,8, 5.7 после приложения растягивающего усилия и нагрева, и вычисляли степень восстановления формы на основе результата измерения расчетной длины для оценки свойства сплава восстанавливать форму для каждого 5 образца. Результат испытания на растяжение также показан в табл. 2, Степень восстановления формы вычислили согласно следующей формуле:

Степень восстановления формы, %=

X 100, -1 -0 где Lp — начальная расчетная длина образ- 15 ца; — расчетная длина образца после приложения растягивающего усилия, Lz — расчетная длина после нагрева.

Для определения коррозионной стойко- 20 сти каждого образца применяли испытание воздействием воздуха в течение года. После завершения испытания оценивали состояния возникновения ржавчины через визуальный осмотр каждого образца. 25

Результат этого испытания также показан в табл. 2, Критериями оценки возникновения ржавчины были следующие: Π— ржавчина не наблюдалась, о — до некоторой степени 30 отмечалась ржавчина, х — отмечалась серьезная ржавчина.

Жаростойкость исследована испытанием на высокотемпературное окисление, которое заключается в нагреве каждого 35 образца до 6 0 С на открытом воздухе; и визуального контроля состояния окисления поверхности каждого образца после нагрева для оценки стойкости каждого образца к окислению при высоких температурах.

Критерии оценки состояния окисления следующие: Π— окисление не отмечалось, о — окисление до некоторой степени, х— отмечено серьезное окисление.

Как было описано, сплав на железной основе, способный восстанавливать форму, коррозионную стойкость и жаростойкость, можно применять для соединения труб, различных крепежных устройств и т.п., а также в качестве биоматериала, причем он позволяет снизить производственные расходы и, следовательно, получить эффекты, полезные для промышленности.

Формула изобретения

Сплав на основе железа с эффектом памяти формы, содержащий кремний и хром, отличающийся тем, что. с целью повышения коррозионной стойкости и жа-. ростойкости при сохранении уровня восстанавливаемой деформации не менее 70%. сплав дополнительно содержит по меньшей мере один компонент из группы; марганец, никель, кобальт, медь и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 5,3 — 20,0

Кремний 2,4 — 7,6

По меньшей мере один элемент из группы

Марганец 0,1 — 14,8

Никель 1,1-20,0

Кобальт 1,0-30,0

Медь 0,6-2,8

Азот 0,002 — 0,378

Железо Остальное причем Ni + 0,5 Mn + 0,4 Со + 0,06 Cu +

+ 0,002 N > 0,67 (Cr i- 1,2 Si) — 3.

1741611

Таблица 2

Составитель О.Сидорова

Редактор М.Недолуженко Техред М.Моргентал Корректоо Т.Палий

Заказ 2095 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5.

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина. 101

П р и м е ч а н и е. Критериямиоценки свойства восстанавливатьформубыли следукнцие показатели; Π— степень восстановления "- формы по крайней мере 70%; о — степень восстановления,. формы от 30 до ниже 70%: х — степень восстановления формы ниже 30%.

I Ь