Ферритная сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к железо-хром-алюминиевым сплавам. Предлагаемая сталь может быть использована, в частности, при производстве ленты для изготовления каталитических нейтрализаторов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Ферритная сталь, содержащая хром, алюминий, марганец, серу, фосфор, иттрий, железо, дополнительно содержит карбонитриды циркония и титана при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром - 18,5-20,5; алюминий - 4,5-5,5; марганец - 0,01-0,5; сера - 0,001-0,005; фосфор - 0,001-0,025; иттрий - 0,004-0,08; карбонитриды титана и циркония - 0,002-0,015; железо - остальное. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к металлургии, а именно к железо-хром-алюминиевым сплавам. Предлагаемая сталь может быть использована, в частности, при производстве ленты для изготовления каталитических нейтрализаторов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

К сталям указанного назначения предъявляются повышенные требования окалиностойкости, пластичности, сварочных свойств, необходимых для обеспечения технологичности изготовления конечной продукции.

Известны железо-хром-алюминиевые сплавы, в которых с целью придания им стойкости к высокотемпературному окислению добавляется иттрий. Патент США N 3027252 предлагает сплав, устойчивый к окислению при высокой температуре, в котором 25-95% хрома, 0,5-4,0% алюминия, 0,5-3,0% иттрия. Сплав имеет на поверхности нерастрескивающуюся окисную пленку.

Патент США N 4230489 предлагает добавить 1-2% кремния для усиления антикоррозионных свойств. Существующие железо-хром-алюминиевые сплавы, содержащие значительное количество иттрия обладают удовлетворительной устойчивостью к термическому окислению и хорошим сцеплением окисных пленок, однако использование дорогостоящего иттрия, его существенное выгорание во время плавки, разливки слитка и перехода в шлак значительно удорожает сталь.

Сплав, производство которого менее дорого за счет использования более дешевых элементов и по устойчивости к термическому окислению применимый в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания предложен в патенте США N 4414023. Сталь представляет собой железо-хром-алюминиевый сплав с добавками редкоземельных металлов, в частности церий и/или лантан. Сталь содержит: 8,0-25% хрома, 3,0-8,0% алюминия, 0,002-0,5% лантана, церия, ниодима или празиодима, редкоземельных металлов до 0,06% до 4% кремния, 0,06-1,0% марганца и обычные неизбежные примеси: до 0,05% углерода, до 0,05% азота, до 0,02% кислорода, до 0,04% фосфора, до 0,03% серы, до 0,5% меди, до 1,0% никеля, общее содержание кальция и магния не превышает 0,005% остальное железо. Сплав может быть стабилизирован цирконием, ниобием, а оптимальные соотношения и зависимости между отдельными элементами состава или группами элементов повышают те или иные качественные характеристики стали: устойчивость к термическому циклическому окислению, повышению пластичности и т.д.

Наиболее близким из аналогов является жаростойкая ферритная сталь, предложенная в заявке ФРГ N 3908526 и принятая за прототип. Сталь на основе железа содержит: 20-25% хрома, 5-8% алюминия, 0,0035-0,07% титана, 0,02-0,04% углерода, менее 0,5% марганца, менее 0,005% серы, менее 0,01 фосфора, 0,035-0,07% циркония, 0,03-0,08% иттрия, менее 0,01 магния, 0,004-0,008 05 азота, при условии, что сумма содержания титана и циркония в 1,75-3,5 раза больше, чем сумма содержания углерода и азота. При циклическом нагреве до температуры 1200^oC образец в виде проволоки из стали выдерживает свыше 6000 циклов, что является характеристикой высокой окалиностойкости. Общеизвестно, что скорость окисления определяется в том числе и соотношением поверхности и объема изделия, которое у ленты значительно выше, чем у проволоки того же определяющего размера. Следовательно, не приходится ожидать столь высоких результатов для ленты и необходимо найти дополнительные пути повышения окалиностойкости стали.

Заявленный в прототипе сплав дает размер зерна 110-130 мкм, что положительно влияет на пластические свойства при испытании образца на изгиб. Измельчения зерна добиваются путем введения определенного количества (при регламентированном соотношении) титана и циркония, углерода и азота. Однако содержание титана и циркония превышает предел их растворимости в ферритной матрице, что приводит к появлению грубых дисперсных выделений нитридов и карбонитридов, которые не вызывают торможения роста зерен и значительного улучшения пластичности.

Указанные в прототипе и аналогах содержания титана, циркония, углерода и азота не могут однозначно определить необходимое содержание карбонитридов, т. к. их образование в стали определяется не только содержанием исходных элементов, но и условиями плавки стали.

Установлено, что в указанных в прототипе пределах содержания хрома и алюминия границы зерен резко (в 2-3 раза) обеднены алюминием и обогащены ( в 1,5 раза) хромом. Это приводит к тому, что в тонкой ленте в местах, обедненных алюминием, при высокой температуре происходит быстрое окисление, которое переходит в "катастрофическую" фазу.

Повышенное содержание хрома и алюминия в приведенных выше сталях, включая прототип, не может обеспечить высокую технологическую пластичность, необходимую для изготовления из стали тонкой ленты (до 50 мкм) с минимальными потерями металла при холодной прокатке вследствие растрескивания ленты по кромкам и ее разрывов.

В основу изобретения положена задача создать ферритную сталь с уменьшенным содержанием хрома и алюминия, обладающую высокой технологической пластичностью в процессе изготовления тонкой ленты, но сохраняющую высокую окалиностойкость в процессе эксплуатации.

Задача решается тем, что ферритная сталь, содержащая хром, алюминий, марганец, серу, фосфор, иттрий, железо, согласно изобретению дополнительно содержит карбонитриды циркония и титана при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 18,5-20,5 Алюминий 4,5-5,5 Марганец 0,01-0,5 Сера 0,001-0,005 Фосфор 0,001-0,025 Иттрий 0,04-0,08 Карбонитриды титана и циркония 0,002-0,015 Железо Остальное Преимущества этого изобретения раскрываются в следующем описании и иллюстрируются чертежом, на котором представлено влияние количества карбонитроидов титана и циркония на окалиностойкость, которая характеризуется удельным привесом массы образца ленты толщиной 50 мкм при окислении ее на воздухе при температуре 1200^o в течение 40 ч.

Как видно из чертежа удельный привес массы нелинейно возрастает с ростом содержания карбонитридов титана и циркония.

Установлено, что допустимый удельный привес массы составляет что обеспечивает соблюдение общепринятых требований, предъявляемых к каталитическим нейтрализаторам в процессе эксплуатации (по правилам N 83 ЕЭК ООН) и соответствует пробегу автомобиля 80000 км, или 2000 ч работы нейтрализатора. Этому значению соответствует 0,015 мас. карбонитридов титана и циркония. Большее количество карбонитридов вызывает рост количества дефектов кристаллической решетки сплава, что вызывает ускорение диффузионных процессов, обуславливающих возрастание скорости окисления.

Примером реализации изобретения могут служить составы стали, приведенные в таблице, где в графе 12 представлены значения удельного привеса массы ленты толщиной 50 мкм при ее окислении на воздухе при температуре 1200^o в течение 40 ч, в графе 13 расходный коэффициент, показывающий, во сколько раз масса исходного материала (подката) больше массы полученной готовой ленты.

При содержании карбонитридов титана и циркония меньше 0,015% наблюдается более равномерное распределение алюминия и хрома по границам зерен, что положительно влияет на окалиностойкость сплава. При увеличении количества карбонитридов титана и циркония наблюдается увеличение удельного привеса массы ленты, и его значение (см.строку 1 таблицы) существенно превышает регламентированную выше величину.

Уменьшение карбонитридов титана и циркония в сплаве ниже 0,002 мас. требует использования особо чистых шихтовых материалов, что приведет к неоправданному удорожания сплава по сравнению с ростом окалиностойкости.

Как установлено, увеличение количества хрома свыше 20,5 мас. не влияет на улучшение окалиностойкости, однако это приводит к ухудшению пластических свойств (см.стр.3 таблицы), а следовательно, технологичности, т.к. происходит растрескивание и обрыв ленты при прокатке. Уменьшение количества хрома ниже заявляемого предела (18,5%) не всегда приводит к резкому ухудшению окалиностойкости (см.стр.4 таблицы), однако технология становится нестабильной и, если при 5% алюминия привес массы может быть еще незначительным, то при других концентрациях алюминия (в заявляемых пределах) наблюдается резкое увеличение скорости термического окисления.

Экспериментально установлено, что уменьшение количества алюминия ниже 4,5 мас. приводит к тому, что его становится недостаточно для образования защитной пленки окиси на поверхности ленты, что отрицательно влияет на окалиностойкость (см. стр. 5 таблицы) Увеличение алюминия выше заявляемого предела приводит к резкому уменьшению технологической пластичности, т.е. к увеличению расходного коэффициента (см.стр.3 таблицы) Общеизвестно, что марганец является рафинирующей добавкой, и стремление к его минимизации обусловлено стремлением удешевить сплав без ухудшения свойств. Следует также минимизировать содержание серы и фосфора, т.к. увеличение их относительного количества выше за заявляемые пределы приводит к ухудшению технологической пластичности при изготовлении ленты, поскольку в процессе образуются сульфиды и фосфиды.

Включение иттрия в состав стали положительно влияет на технологические и эксплуатационные свойства сплава, т.к. ограничивает рост зерна. Ограничения количества иттрия определяются, с одной стороны, дороговизной элемента, а с другой стороны, жесткими требованиями, предъявляемыми к стали указанного назначения.

В строках 2, 6, 7 таблицы представлены составы стали при соотношении компонентов в заявляемых пределах и дающие положительный результат. Заявляемая ферритная сталь была выплавлена в открытой индукционной печи емкостью 1 т и в вакуумной индукционной печи емкостью 0,5 т. Слитки в горячем состоянии были подвергнуты обдирке на токарном станке, ковке на заготовки размером 70х200 мм, и полученные заготовки подвергались горячей прокатке до толщины ленты 2,35 мм. Затем горячекатаная лента подвергалась холодной прокатке с промежуточным отжигом в водороде.

Характеристики ленты, полученной из стали заявляемого состава, позволяют ее использовать для изготовления нейтрализаторов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. На поверхности ленты образуется защитный слой окиси алюминия. Слой обладает хорошим сцеплением с основным материалом. Наличие карбонитридов в стали определенного состава гарантирует низкую скорость роста окисной пленки, т.е. сохранение высокой окалиностойкости вследствие малой дефектности кристаллической решетки сплава.

Формула изобретения

Ферритная сталь, содержащая хром, алюминий, марганец, серу, фосфор, иттрий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбонитриды циркония и титана при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 18,5 20,5
Алюминий 4,5 5,5
Марганец 0,01 0,5
Сера 0,001 0,005
Фосфор 0,001 0,025
Иттрий 0,004 0,08
Карбонитриды титана и циркония 0,002-0,015
Железо Остальноеч

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2