Коррозионностойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу аустенитной коррозионностойкой особо чистой свариваемой стали, используемой в изделиях для хранения и транспортировки жидких и газообразных сильно агрессивных сред, вакуумно-плотных деталей и установок, приборов космической техники, атомной и термоядерной энергетики, электрофизической аппаратуры. Целью изобретения является создание особо чистой коррозионностойкой вакуумно-плотной аустенитной свариваемой стали, не обладающей склонностью к выкрашиванию карбидов, нитридов и карбонитридов титана, с очень малым содержанием сульфидов, фосфидов, оксидов и легкоплавких примесей. Коррозионностойкая сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас. углерод 0,005 0,015; кремний 0,1 0,3; марганец 1,3 1,8; сера 0,005 0,015; фосфор 0,005 0,015; хром 17 18; никель 13 14, медь 0,05 0,15; титан 0,01 0,03; ниобий 0,1 0,3; азот 0,005 0,015; кислород 0,001 0,005, церий, скандий (сумма) 0,01 0,06; железо остальное. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии аустенитных коррозионностойких особо чистых свариваемых сталей, используемых в изделиях для хранения и транспортировки жидких и газообразных сильно агрессивных сред, вакуумно-плотных деталей и установок в целом, приборов космической техники, атомной и термоядерной энергетики, электрофизической аппаратуры и др.

Аустенитные хромоникелевые стали типа 18-8 (стали марок 08Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, Х18Н10Б и др.), применяемые для упомянутых изделий, при всех их достоинствах обладают склонностью к выкрашиванию карбидов и нитридов титана (и ниобия). Это часто приводит к потере герметичности изделий, особенно тонкостенных (твэлы, мембраны, оболочки и др.), ибо названные ранее фазы иногда выкрашиваются. Кроме этого они "отравляют" содержимую среду.

Карбиды титана (TiC), нитриды титана (TiN) или их карбонитриды Ti(C,N) как и ниобийсодержащие подобные фазы в аустенитных сталях в большинстве случаев залегают в виде скоплений, строчек. Это приводит не только к снижению вязко-пластических свойств, но и, как правило, к возникновению в этих местах микротрещин.

Таким образом, карбиды, нитриды и карбонитриды титана (и ниобия) не благоприятны в аустенитных стабилизированных сталях (и сплавах). Однако они необходимы, как известно, для предотвращения или ослабления склонности к межкристаллитной коррозии, так как предотвращают обеднение приграничных участков хромом, вследствие выпадения карбидов Cr₂₃C₆. Предотвратить склонность к межкристаллитной коррозии можно и путем удаления углерода. Но последний при обычном металлургическом процессе не может полностью быть выведен из стали вследствие особых трудностей. Так за период с 1958 г. по настоящее время минимальное содержание углерода в аустенитных хромоникелевых сталях и сплавах при обычной выплавке уменьшилось с 0,08 до 0,02% Это достигалось как чистотой железа (матрицы), так и чистотой легирующих элементов, а также применением специальных видов вакуумных переплавов.

Предотвращение попадания азота также неизбежно требует применения защит, т. е. исключение контакта жидкого металла с воздухом. Это также достигается применением чистых шихтовых материалов и специальной технологии выплавки.

Качество металла и его рабочей поверхности зависит и от содержания сульфидов, фосфидов, оксидов и легкоплавких примесей. Они не только ухудшают чистоту, делают металл более легкоплавким, повышают анизотропность, например между телом и его границами, но и способствуют вакуумной неплотности.

Описанное показывает неизбежность применения вакуумной выплавки. Теоретические исследования и эксперимент показывают, что применение одного из способов вакуумного переплава (индукционный, дуговой, плазменный и др.) не эффективно для достижения высокой чистоты металла. Для этой цели необходим, как минимум, двойной вакуумный переплав. Но это приводит к увеличению расхода металла, применению чистых шихтовых материалов, задолженности технологического оборудования, усложнению металлургического процесса и др. т.е. к значительному удорожанию полуфабрикатов. Резкое снижение содержания углерода в стали, будет способствовать увеличению δ-феррита, а также появлению мартенсита при операциях холодной пластической деформации. Этот элемент, как и азот, является сильным аустенитно-образующим элементом. Отсутствие или значительное уменьшение углерода, а также и азота, может быть компенсировано только никелем или марганцем. Марганец более слабый аустенизатор, чем никель. Кроме того, он заметно понижает сопротивляемость общей коррозии. Изложенное показывает, что повышение стабильности коррозионностойкой аустенитной стали неизбежно требует повышение содержания в ней никеля до 13-14% Указанное свидетельствует о довольно сложной проблеме получения аустенитной коррозионностойкой технологичной свариваемой стали особо высокой чистоты и вакуумной плотности.

Ближайшим прототипом является американская нестабилизированная аустенитная сталь марки 342, широко применяемая в ядерной энергетике. Эта сталь содержит, мас. Углерод не более 0,03 Кремний не более 1,0 Марганец не более 2,0 Сера не более 0,030 Фосфор не более 0,045 Хром 18-20 Никель 8-12 Железо Остальное Нестабилизированная титаном сталь обычной выплавки с довольно высоким содержанием серы и фосфора (а также легкоплавких элементов) может быть использован в промышленности только в изделиях, не подвергающихся сварке и при низких и умеренных температурах. В других случаях она подвержена межкристаллитной коррозии вследствие отсутствия стабилизатора титана (или ниобия и тантала) при значительно высоком содержании углерода (С ≅ 0,03%).

Преимущество рекомендованного в данном случае подхода очевидно и в связи с этим предлагается особо чистая коррозионностойкая вакуумно-плотная аустенитная сталь при следующем содержании компонентов, мас. Углерод 0,005-0,015 Кремний 0,1-0,3 Марганец 1,3-1,8 Сера 0,005-0,010 Фосфор 0,005-0,015 Хром 17,0-18,0 Никель 13,0-14,0 Медь 0,05-0,15 Титан 0,01-0,03 Ниобий 0,1-0,3 Азот 0,005-0,015 Кислород 0,001-0,005 РЗМ (Ce+Sc) 0,01-0,06 Железо Остальное Была произведена вакуумно-индукционная выплавка стали и произведен последующий вакуумно-дуговой переплав, а затем осуществлена горячая поковка и термическая обработка. Также была оценена балльность по неметаллическим включениям, исследована равномерность их распределения по сечению поковки, склонность к трещинообразованию материала, оценена склонность к межкристаллитной коррозии и исследована величина зерна стали после относительно низкой (мелкозернистая сталь) и высокой (крупнозернистая сталь) термической обработки.

Результаты испытаний предлагаемой и известной сталей приведены в табл. 1-4.

Предлагаемая сталь имеет очень низкое содержание неметаллических включений (табл. 2). Если в стали-прототипе балльность составляет 2,5-3,0, то предложенная сталь двойного вакуумного переплава была довольно чистой и максимальная балльность была в пределах 0,5-1,0.

Низкое содержание оксидов, силикатов, сульфидов, карбидов и нитридов титана связывается также и с чистотой шихтовых материалов.

Предложенная сталь не склонна к межкристаллитной коррозии при испытании по методу АМ ГОСТ 6032-86. После провоцирующего нагрева при температуре 650^оС, выдержке в течение 1 ч сталь не обнаружила склонности к межкристаллитной коррозии (табл.3). Это значит, что изделия из этого металла может подвергаться сварке. Сталь-прототип, как и следовало ожидать, склонна к межкристаллитной коррозии.

Предлагаемая сталь менее склонна к росту зерна после высокотемпературной аустенизации (табл. 4). Это связывается с микролегированием стали ниобием (0,1-0,3% ). Карбиды ниобия NbC, располагаясь по границам зерен, тормозят их рост. Это особенно важно при сварке крупногабаритных изделий. Ниобий также подавит и возможную склонность к межкристаллитной коррозии.

Небольшое содержание меди (0,05-0,15%) способствует повышению коррозионной стойкости.

Введение редкоземельных элементов (церий+скандий) в количестве (0,01-0,06%) способствует не только улучшению качества металла против выкрашивания включений (особенно граничного вещества), но и их более равномерного распределения по сечению зерна. В этом случае металл становится более изотропным, что способствует повышению его пластичности.

Ожидаемый технико-экономический эффект выразится в возможности создания новых образцов специальной техники с улучшенными тактико-техническими данными.

Формула изобретения

КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь, титан, ниобий, азот, кислород, церий и скандий при следующем содержании компонентов, мас.

Углерод 0,005 0,015 Кремний 0,1 0,3 Марганец 1,3 1,8 Сера 0,005 0,015 Фосфор 0,005 0,015 Хром 17,0 18,0 Никель 13,0 14,0
Медь 0,05 0,15
Титан 0,010 0,03
Ниобий 0,1 0,3
Азот 0,005 0,015
Кислород 0,001 0,005
Церий + скандий 0,01 0,06
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3