Высокопрочная коррозионностойкая сталь мартенситного класса

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим хорошей свариваемостью, не требующих тормообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений. Сталь предназначена для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от -70 до 300^oC. Сталь обладает высокими физико-механическими свойствами и имеет следующий химический состав (в вес.%): углерод - 0,04-0,09 хром - 12,5-15,0 никель - 4,0-6,5 марганец - 0,1-1,0 молибден - 2,5-3,5 азот - 0,02-1,0 кремний - 0,3-1,6 ниобий - 0,02-0,42 кобальт - 33,5-6,0
церий - 0,001-0,05
кальций - 0,001-0,05
железо
остальное
при следующем соотношении . 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке высокопрочных коррозионно -стойких сталей, обладающих хорошей свариваемостью, не требующих термообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений. Сталь предназначается для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от -70 до 300^oС.

Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса ЭР-817 (а.с. N 380149, бюл. N 9, 1978 г.), взятая авторами за аналог, следующего химического состава (вес.):
углерод 0,05-0,08
молибден 0,8-1,6
хром 13,5-15,0
лантан 0,01-0,1
никель 5,05-6,0
церий 0,02-0,2
медь 1,8-2,2
ниобий 0,03-0,45
титан 0,02-0,15
кальций 0,002-0,1
марганец 0,1-1,0
кремний 0,05-0,7
железо остальное
Эта сталь способна свариваться без последующем термической обработки, сохраняя высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Недостатком этой стали является относительно невысокий уровень прочностных характеристик основного металла:
σ_в≥ 125 кгс/мм², σ_0,2≥ 95 кгс/мм²
Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса ВНС-42 (а.с. N 1046323, бюл. N 37, 1983 г.), взятая авторами за прототип, следующего химического состава (вес.):
углерод 0,05-0,08
хром 13,0-14,5
никель 4,5-5,5
марганец 0,1-1,0
молибден 2,3-2,8
азот 0,04-0,08
кремний 0,05-0,7
железо остальное
Эта сталь после упрочняющей термической обработки: закалка с 1000-1020^oC, обработка холодом при -70^oC и отпуск при 200^oC обладает следующими механическими свойствами:
предел прочности, кгс/мм² 140-160
предел текучести, кгс/мм² 120-130
относительное удлинение, 13-16
относительное сужение, 60-65
ударная вязкость, кгс/см² 12-14
Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью под напряжением. Сталь способна свариваться в термически обработанном состоянии прочной присадкой мартенситного класса (σ_всв.соед. ≥ 110 кгс/мм²).. Недостатком этой стали является образование крупноячеистой структуры в толстых сварных швах, особенно выполненных электронно-лучевой сваркой (ЭЛС), что приводит к образованию хрупкого крупнокристаллического излома. При этом резко снижается ударная вязкость сварного шва ЭЛМ, особенно при отрицательных температурах (a_н при +20^oC 4 кгс/см²; a_н при -70^oC 1,5 кгс/см². a_ту при +20^oC 3 кгс/см²; а_ту при -70^oC 1,0 кгс/см²). Кроме того, зона термического влияния перекрестных швов и подварок склонна к коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях.

Технической задачей настоящего исследования является создание высокопрочной коррозионно -стойкой стали, эксплуатирующейся в интервале температур от -70 до 300^oC, которая обладала бы высокими физико-механическими свойствами при σ_в≥ 140 кгс/мм², способный свариваться в толстом сечении без образования хрупких изломов, с высокими характеристиками прочности и вязкости основного металла и сварного соединения и обладающей высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях, в том числе зоны термического влияния, образовавшейся при выполнении перекрестных швов и подварок.

Эта задача достигается за счет дополнительного легирования кобальтом, ниобием, церием и кальцием при следующем соотношении элементов (вес.):
углерод 0,04-0,09
хром 12,5-15,0
никель 4,0-6,5
молибден 2,5-3,5
марганец 0,1-1,0
азот 0,02-0,1
кремний 0,3-1,6
ниобий 0,02-0,42
кобальт 3,5-6,0
церий 0,001-0,05
кальций 0,001-0,05
железо остальное
Примеси
сера 0,018
фосфор 0,02
Причем должно выполняться определенное соотношение никеля, кобальта и молибдена:

Данная зависимость позволяет обеспечить оптимальное соотношение между элементами -упрочнителями и элементами, обеспечивающими необходимое количество остаточного аустенита, что гарантирует получение высокой ударной вязкости при отрицательных температурах вплоть до -70^oC основного металла и сварного соединения. Наличие церия и кальция уменьшает содержание примесей на границах зерен, тем самым меняя кинетику старения по границам зерен и уменьшая степень охрупчивания, Легирование повышенным содержанием кремния позволяет получить высокий предел прочности сварного соединения до σ_в 120-130 кгс/мм².

Подобранное суммарное содержание углерода и азота позволяет измельчить структуру сварного шва, а комплексное легирование ниобием и кремнием обеспечивает требуемое содержание дельта-феррита в сварном шве (2-4%). Cr-экв. ферритообразования по структурной диаграмме Потака-Сагалевич равен 2-5, что позволяет устранить хрупкий излом и существенно повысить ударную вязкость сварного шва.

Кроме того, легирование ниобием благодаря образованию карбонитридов ниобия уменьшает содержание углерода и азота в основном металле; повышение содержания кремния позволяет обеспечить высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением сварных соединений, в том числе при наличии подварок и перекрестных швов, выполненных по варианту: "термическая обработка + сварка".

Новая сталь после термической обработки по оптимальному режиму: закалка, охлаждение и отпуск обладает следующими свойствами:
предел прочности, σ_в кгс/мм² 140-160
предел текучести, σ_0,2 кгс/мм² 120-130
относительное удлинение, δ₅% 15-20
относительное сужение, Ψ% 55-65
ударная вязкость а_н кгс/см² 10-20
ударная вязкость образцов с усталостной трещиной а_ту кгс/см² при +20^oC 5-7
при -70^oC 2-4
предел прочности сварного соединения ЭЛС s_в кгс/мм² 130
ударная вязкость шва ЭЛС а_н кгс/см² при +20^oC 10-12
при -70^oC 8-10
ударная вязкость шва ЭЛС с усталостной трещиной a_ту кгс/см² при +20^oC 5,5-6,5
при -70^oC 4,0-5,0
Сварные соединения, выполненные по варианту "термообработка + сварка" без присадки, в том числе при наличии подварок и перекрестных швов, не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением в камере солевого тумана КСТ 35 (5% NaCl при температуре 35^oC) при напряжении σ 90 -100 кгс/мм² в течение 12 месяцев испытаний.

Как видно из приведенных данных, при высоких значениях характеристик прочности, пластичности и вязкости основного металла сталь имеет высокие свойства сварных соединений, в том числе в толстых сечениях, выполненных электронно-лучевой сваркой по варианту: "термообработка + сварка".

Таким образом, применение предложенной стали позволит получить силовые сварные узлы с высокой прочностью и вязкостью эксплуатируемые при температурах от -70 до 300^oC во всеклиматических условиях, что позволит повысить ресурс и увеличить надежность изделий.

В табл. 1 приведены примеры осуществления; в табл. 2 механические свойства.

Формула изобретения

1 Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая углерод, хром, никель, марганец, молибден, азот, кремний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, кобальт, церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.3 Углерод7 0,04 0,093 Хром7 12,5 15,0 3 Никель7 4,0 6,53 Марганец7 0,1 1,03 Молибден7 2,5 - 3,53 Азот7 0,02 0,13 Кремний7 0,3 1,63 Ниобий7 0,02 0,423 Кобальт7 3,5 6,03 Церий7 0,001 - 0,053 Кальций7 0,001 0,053 Железо7 Остальное1 причем выполняется соотношение никель (кобальт + молибден) ≧ 5:8

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2