Высокопрочная нержавеющая сталь и изделие, выполненное из нее

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу нержавеющей хромоникелевой стали высокой прочности и пластичности, а также к изделию, выполненному из нее, и может быть использовано при производстве холоднокатаной ленты, полосы, листа, высокопрочной проволоки и канатов, пружин, медицинского инструмента, режущего инструмента, крепежа, деталей конструкций и т.д. Высокопрочная нержавеющая сталь содержит компоненты, мас. %: углерод 0,15-0,45, хром 12,0-16,5, никель 3,0-5,0, железо - остальное, при этом содержание углерода и никеля находится в следующей зависимости: хром = 25,7-(17,5^oC18,0) углерод - (1,2^oC1,4) никель. Высокопрочное коррозионностойкое изделие выполняют из стали вышеуказанного состава.

Изобретение относится к области металлургии, к составам нержавеющих хромо-никелевых сталей высокой прочности и пластичности, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве пружин, медицинского инструмента, режущего инструмента, крепежа, деталей конструкций, деталей нефтеперерабатывающей и нефтехимической аппаратуры, оборудования пищевой промышленности, холоднокатановой ленты, полосы, листа и изделий из них, высокопрочной проволоки и канатов.

Известны высокопрочные нержавеющие мартенситностареющие стали, например, сталь, содержащая углерод до 0,03 никель 70,1 4,0 кобальт 10,0 20,0 хром 10,0 14,0 молибден 70,1 4,0 медь 0,1 2,0 кремний 0,5 2,0 ванадий 0,05 1,0 железо остальное.

После закалки от 900^oC и отпуска при 600^oС сталь имеет следующие механические свойства: предел прочности (σ_B) 110 180 кг/мм², предел текучести (σ_0,2) 105 70 кг/мм², относительное удлинение (δ) 10 20% (Авторское свидетельство СССР N 438723, МКИ С22С38/52, 1972 г.).

Известна мартенситностареющая нержавеющая сталь, содержащая масс.

углерод 0,03 0,09
марганец 2,3 3,4
хром 10,0 12,0
титан 0,2 0,4
молибден 3,5 5,5
никель 3,5 4,5
кобальт 4,8 9,0
железо остальное
После закалки от 1050^oC c охлаждением в воде, обработки холодом (- 70^oC) в течение 2 час. и охлаждении на воздухе свойства стали: s_B до 176 кг/мм², σ_0,2 до 153 кг/мм²,δ до 19,5% (Авторское свидетельство СССР N 1047990, МКИ С22С38/52, 1982 г.)
Стали этого типа содержат значительное количество дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов и требуют специальных методов выплавки.

Известны высокопрочные высокоуглеродистые нержавеющие стали мартенситного класса, например, сталь 65Х13, содержащая
углерод 0,62 0,72
хром 12,0 14,0
марганец 0,25 0,80
кремний 0,20 0,50
железо остальное
(Технические условия ТУ 14-1-4105-86)
Стали этого типа в высокопрочном состоянии имеют низкую пластичность (d< 5%).

Известны изделия, выполненные из высокопрочной коррозионностойкой стали, например, проволока или лента. Сталь содержит (вес): углерод до 0,27, кремний до 1,9, марганец до 0,8, хром до 0,19, железо остальное. Прочность проволоки диаметром 1 мм составляет 230 255 кгс/мм² (суммарное обжатие при изготовлении проволоки 60%).

(Авторское свидетельство СССР N 834223, МКИ С22С38/44, описание; 1979 г. )
Известны изделия, выполненные из высокопрочной коррозионностойкой стали, в том числе проволока и лента. Сталь содержит (вес%): углерод до 0,3, кремний до 2,5, марганец до 2,5, хром до 22,0, никель до 4,9, молибден до 3,5, азот до 0,25, медь до 3,0, железо остальное. Предел прочности проволоки диаметром 0,8 мм составляет 233 254 кгс/мм² (суммарное обжатие при изготовлении проволоки 80%).

(Авторское свидетельство СССР N 990864, МКИ С22С38/44, описание, 1981 г. )
Недостатком известных изделий является их высокая стоимость, обусловленная наличием в стали, из которой они изготовлены, дорогостоящих и дефицитных легирующих.

Известны изделия, выполненные из высокопрочной нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, в частности, лента. Сталь содержит (%): никель до 14,0, хром до 17,5, кобальт до 5,5, молибден до 5,0, бериллий до 2,5, алюминий до 0,5, ниобий до 2,0, бор до 0,1, железо остальное. Механические свойства ленты толщиной 0,3 мм после закалки, наклепа 15 20% дисперсионного твердения при 400 550^oC составляют: σ_B 230 260 кг/мм², δ 1 2% HV 600 700.

(Авторское свидет. СССР N 427089, МКИ С22С38/56, описание, 1972 г.)
Недостатком этих изделий является не только довольно высокая стоимость, но также и низкая пластичность.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является сталь переходного аустенитно-мартенситного класса марки 301, содержащая углерод ≅ 0,15 мас. хром 16 18 мас% никель 6 8 мас% азот 0,03 мас. которая после закалки и холодной деформации на 50% имеет s_0,2 1800Н/мм²; σ_B 1900Н/мм², δ 10%
(Ф. Б. Пикеринг "Физическое металловедение и разработка сталей" М. "Металлургия" 1982 г. с. 149 155). Прочность и пластичность известной стали недостаточно высокая.

Известны изделия, например, лента, выполненная из высокопрочной нержавеющей стали марки 07Х16Н6. Если при изготовлении изделий пластическую деформацию осуществляют при комнатной температуре, то прочность изделий s_B не превышает 185 кгс/мм² при относительном удлинении δ 10% Прочность изделий может быть повышена до 200 кгс/мм² при снижении d до 2 3% путем проведения пластической деформации при -200^oC. Таким образом, изделия из известной стали не обладают высоким комплексом прочностных и пластических свойств.

(Ю.П. Гордеев, В.Б. Спиридонов "Выбор оптимальной температуры деформации хромоникелевых сталей для получения высокопрочного состояния", МиТОМ 1977 г. N 3 с. 24 28, прототип изобретения "Изделие".)
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопрочной нержавеющей стали и изделий из нее, сочетающих высокие прочность, пластичность, коррозионную стойкость при отсутствии в стали дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности стали и изделий, выполненных из нее, при сохранении уровня коррозионной стойкости.

Сущность изоретения заключается в том, что предлагаемая сталь содержит углерод, хром никель и железо в следующем соотношении компонентов, мас%
углерод 0,15 0,45
хром 12,0 16,5
никель 3,0 5,0
железо и примеси остальное,
при этом содержание хрома, углерода и никеля находится в следующей зависимости:
мас. Сч 25,7 (17,5 + 18,0) мас. С (1,2 + 1,4) мас. Ni, а также в том, что высокопрочные коррозионностойкие изделия выполняют из стали вышеуказанного состава.

Соодержание в стали 12,0 16,5 мас. хрома обеспечивает ее коррозионные свойства.

(А. А. Бабаков, М. В. Приданцев "Коррозионностойкие стали и сплавы" М. "Металлургия", 1971 г. с.7).

При содержании хрома менее 12% не обеспечиваются коррозионные свойства нержавеющей стали. При содержании хрома более 16,5% в структуре стали появляется d ферит, который приводит к снижению механических свойств стали.

Содержание в стали 0,15 0,45 мас. углерода обеспечивает достижение высокой прочности за счет получения высокопрочного мартенсита. При содержании углерода выше 0,45% пластичность стали снижается. При содержании углерода менее 0,15% не обеспечиваются высокие прочностные свойства.

Содержание никеля в количестве 3,0 5,0 мас. обеспечивает необходимую устойчивость аустенита и пластичность стали в упрочненном состоянии. Повышение содержания никеля выше 5,0% приводит к удорожанию стали без дальнейшего повышения ее свойств. При содержании никеля менее 3% не обеспечивается высокий уровень пластичности стали.

Определенное соотношение содержания в стали хрома, углерода и никеля, описываемое приведенной математической зависимостью, обеспечивает достижение оптимальной устойчивости аустенита. При отклонении от этого соотношения аустенит стали оказывается либо слишком неустойчивым и тогда сталь после закалки содержит мартенсит, что приводит к снижению пластичности, либо слишком устойчивым и тогда при холодной деформации возникает мало мартенсита деформации и не достигается высокая прочность.

Выполнение изделий из предложенной стали обеспечивает высокий уровень их свойств, как механических (прочности и пластичности), так и коррозионной стойкости.

Пример 1. Сталь, содержащая 0,36 мас. углерода, 13,0 мас. хрома, 5,0 мас. никеля, остальное железо и примеси, после выплавки в открытой индукционной печи, ковки, закалки от температуры, обеспечивающей растворение карбидов, и холодной пластической деформации прокаткой имеет s_0,2 2080 Н/мм², σ_B 2175 Н/мм², δ 14,0% твердость НРС 57, т.е. превосходит прототип как по прочности, так и по пластичности, при том же уровне коррозионной стойкости, обеспечиваемом содержанием более 12% хрома.

Пример 2. Высокопрочную коррозионностойкую ленту толщиной 1,05 мм изготавливали из стали, содержащей (мас.): углерод 0,16, 16,1, никель 5,0, железо и примеси остальное. Выплавка и обработка стали осуществлялась по технологии, описанной в примере 1. Путем холодной деформации прокаткой со степенью деформации 55% изготавливали ленту толщиной 1,05 мм. Механические свойства ленты: s_0,2 2030 Н/мм², σ_B 2110 Н/мм², δ 8% HRC 8% HRS 56.

Формула изобретения

1. Высокопрочная нержавеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,15 0,45
Хром 12,00 16,50
Никель 3 5
Железо Остальное
при выполнении следующего соотношения: хром 25,7 (17,5 18,0) углерод (1,2 1,4) никель.

2. Изделие, выполненное из высокопрочной нержавеющей стали, содержащей углерод, хром, никель и железо, отличающееся тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,15 0,45
Хром 12 16
Никель 3 5
Железо Остальное
при выполнении следующего соотношения: хром 25,7 (17,5 18,0) углерод (1,2 1,4) никель.