Феррито-мартенситная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к ферритомартенситной стали, предназначенной для применения в качестве жаростойкого и коррозионно-стойкого свариваемого, преимущественно листового (до 6 мм), материала для изделий, работающих в слабо- и среднеагрессивных средах, например для глушителей автомобилей и других выхлопных систем (ДВС), для железнодорожных вагонов из нержавеющей стали, печного оборудования, нефте- и газопроводов, сантехоборудования и бытовых приборов, для сельскохозяйственной техники и агропромышленного производства (орудия для обработки земли, зерносушила). Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01 - 0,065; кремний 0,1 - 0,8; марганец 0,8 - 1,5; хром 8,5 - 16; алюминий 0,05 - 0,25; никель 0,5 - 2,5; титан 0,05 - 0,25; кальций 0,005 - 0,1; редкоземельные металлы 0,005 - 0,1; бор 0,005 - 0,05; фосфор 0,05 - 0,18; железо остальное. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии. Сталь предназначается для широкого применения в качестве жаростойкого и коррозионно-стойкого свариваемого материала преимущественно в толщине до 6 мм, в том числе для использования в системах выхлопных газов ДВС, автомобильных глушителей и др. (выпускных труб, нейтрализаторов и прочих узлов); для сельскохозяйственной техники агропромышленного производства (орудия для обработки земли, зерносушила и пр.); для железнодорожных вагонов из нержавеющей стали (взамен стали 08Х18Н10Т, 10Х13Г18Д и др.); для сантехнического оборудования и бытовых приборов; для труб подогревателей и других изделий, работающих в слабо- и среднеагрессивных средах на уровне первой ступени устойчивости по содержанию хрома в стали (> 12% хрома).

Известна ферритная хромистая коррозионно-стойкая и жаростойкая сталь 12SR, разработанная фирмой "Армко" ("Аrmco"), США, которая принимается в качестве аналога, следующего химического состава, мас. C 0,02 Cr 12,0 Si 0,50 Mn 0,25 Al 1,2 Ti 0,3 Nb 0,6 Fe Остальное Сталь характеризуется следующим уровнем механических свойств: Предел прочности, МПа 496 Предел текучести, МПа 345 Относительное удлинение, 31,5 Твердость, НRB 80,5 Недостатком аналога является повышенное содержание алюминия (1,2%) и титана (0,3%). Это приводит к загрязнению стали неметаллическими включениями и окислами "вторичного окисления" при разливке металла, что снижает технологичность стали в металлургическом произ- водстве и снижает пластичность стали, т.е. снижается технологичность стали и при штамповке.

Окислы алюминия и титана "вторичного окисления" распределяются в стали неравномерно по высоте слитка и длине раската (полосы), возникает неоднородность структуры металла, а следовательно, и нестабильность механических свойств.

Вторым существенным недостатком стали 12SR является то, что она содержит дефицитный ниобий (0,6%).

Известна хромистая сталь следующего химического состава, мас. C 0,01-0,06 Cr 10,5-16,5 Si 0,3-1,5 Mn 0,3-1,5 Al 0,03-0,45 Zr 0,51-1,5 Примеси: Ni До 0,3 Сu До 0,3 S До 0,025 P До 0,035 N До 0,03 Железо Остальное Данная сталь принимается в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются те же, что и для аналога: недостаточная пластичность стали и нестабильность механических свойств по длине раската полосы и пониженная технологичность стали в металлургическом производстве и при штамповке.

При разливке металла наблюдаются "затягивание" (закупорка) различного стакана и разъедание огнеупорной пробки стопорного устройства. Все это приводит к загрязнению стали неметаллическими включениями и окислами "вторичного окисления" и снижению пластичности и нестабильности механических свойств стали.

Причиной указанных недостатков прототипа является повышенное содержание алюминия (до 0,45%) и циркония (0,51-1,5%).

Цель изобретения устранение недостатков, присущих прототипу, повышение пластичности стали, достижение большей структурной однородности стали, стабильности механических свойств и технологичности процессов в металлургическом и машиностроительном производстве.

Это достигается тем, что ферритомартенситная сталь, включающая углерод, кремний, марганец, железо, хром, алюминий, медь, серу, азот, дополнительно содержит никель, титан, кальций, редко- земельные металлы (РЗМ) (Се, Lа и др. ), бор и фосфор при следующем соотношении ингредиентов, мас. Углерод 0,010-0,065 Кремний 0,10-0,80 Марганец 0,80-1,50 Хром 8,5-16,0 Алюминий 0,05-0,25 Никель 0,5-2,5 Титан 0,05-0,25 Кальций 0,005-0,10 РЗМ (Се, Lа и др. ) 0,005-0,10 Бор 0,005-0,05 Фосфор 0,05-0,18 Медь Не более 0,50 Сера Не более 0,03 Азот Не более 0,03 Железо Остальное Хром в заданных пределах обеспечивает коррозионную устойчивость стали в агрессивных средах и жаростойкость при высоких температурах (до 850^оС).

Марганец в заданных пределах устраняет структурные превращения в промежуточной области температур (500-750^оС) с образованием структур игольчатого δ-феррита, верхнего и нижнего игольчатого троостита (бейнита, zwischenstufe), приводящих к охрупчиванию, особенно при сварке, устраняя склонность стали к образованию трещин в зоне термического влияния сварного шва.

Кроме того, марганец связывает серу в устойчивые дисперсные сульфиды и способствует их более равномерному распределению во всем объеме стали.

Аналогичные действия оказывают на формирование структуры стали алюминий, титан, кальций, РЗМ и бор. Они связывают вредные примеси (углерод, кислород и серу) в устойчивые дисперсные карбиды, нитриды, оксиды и сульфиды этих элементов, выделяющихся равномерно в объеме стали, предотвращая тем самым выделение карбидов, нитридов, оксидов и сульфидов хрома по границам зерен феррита, охрупчивающих сталь.

Никель и фосфор в заданных пределах концентрируются преимущественно по границам основной ферритной структуры, совершенствуя их структуру и уплотняя их кристаллографическое строение, повышая тем самым межзеренную связь ферритной стали.

Таким образом, предложенный химический состав хромистой стали обеспечивает получение в стали более совершенной мелкозернистой основной ферритной и мелкодисперсной тонкой субмикроструктуры как внутри зерен, так и их границ, обеспечивая тем самым повышение уровня всего комплекса полезных свойств пластичности, прочности и стабильности механических и физических свойств, что соответствует критерию "изобретательский уровень" полученного качества стали.

Сталь может разливаться без затруднений методом непрерывной разливки.

Сталь может выплавляться в обычных электросталеплавильных печах с применением низкоуглеродистого феррохрома, в том числе методом переплава углеродистых и хромистых отходов, или с применением более современных и экономичных методов выплавки в конвертерах (методы АОД, ВОД, АКР и др.).

Сталь изготовляется методом горячей и холодной прокатки в виде листа, рулонной стали и ленты и сваривается всеми известными методами сварки, в том числе в производстве сварных труб.

В табл. 1 приведен химический состав исследованных хромистых сталей.

В табл. 2 представлены результаты механических испытаний исследованных хромистых сталей в отожженном состоянии толщиной 1,5 мм, как предлагаемой стали (1, 2, 3, 4, 5), так и известных (6, 7, 8, 9). Данные показывают преимущества предлагаемой стали по уровню пластичности (δ₅ > 40%) и стабильности механических свойств на этом уровне пластичности, в то время как известная сталь не достигает этого уровня пластичности (δ₅ 34,0-38,5%) и требуемой стабильности механических свойств.

Физические характеристики предлагаемой стали. Плотность, ρ˙ 10³, кг/м³ 7,76 Модуль упругости, Е, ГПа, 238 Коэффициент линейного расширения, α˙ 10⁶ при 20 100^оС 10,7 при 20 500^оС 11,5 при 20 1000^оС 13,0
Коэффициент теплопроводности, λ, Вт/мК.

Удельное электросопротивление, ρ˙ 10⁶, Ом ˙ м.

Температура Т, ^оС T λ ρ 20 22,73 0,72 100 22,73 0,78 200 22,98 0,85 300 24,20 0,92 400 25,12 0,97 500 26,10 1,05 600 26,10 1,15 700 26,21 1,23 800 26,33 1,29 900 26,96 1,33
Таким образом, заявленная новая сталь обладает высоким техническим эффектом и изобретательским уровнем.

Формула изобретения

ФЕРРИТО-МАРТЕНСИТНАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, алюминий, никель, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, кальций, редкоземельные металлы, бор при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,010 0,065
Кремний 0,10 0,80
Марганец 0,80 1,50
Хром 8,5 16,0
Алюминий 0,05 0,25
Никель 0,5 2,5
Титан 0,05 0,25
Кальций 0,005 0,10
Редкоземельные металлы 0,005 0,10
Бор 0,005 0,05
Фосфор 0,05 0,18
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1