Ферритная коррозионностойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии специальных сталей, а именно ферритной коррозионностойкой стали, используемой для изготовления деталей в различных отраслях машиностроения, в частности для деталей выхлопа отработавших газов автомобилей. Технический результат изобретения: повышение технологической пластичности металла, обеспечение пластичности сварных соединений при одновременном увеличении жаростойкости в средах продуктов горения и коррозионной стойкости в солевых и кислых средах. Ферритная коррозионностойкая сталь, содержащая железо, алюминий, углерод, хром, кремний, ванадий, дополнительно содержит молибден, титан при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,09, хром 5,0-13,0, кремний 1,0-2,5, алюминий 0,9-1,65, титан 0,2-0,8, молибден 0,07-0,35, ванадий 0,07-0,15, причем суммарное количество титана, молибдена и ванадия не должно быть менее 0,5%. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии специальных сталей, а именно ферритных сталей на основе железа с основной присадкой хрома, используемых для изготовления деталей в различных отраслях машиностроения, в частности для деталей выхлопа отработавших автомобилей.

Известны стали, содержащие в качестве основы железо и хром, а также алюминий и титан. При этом содержание алюминия, с целью повышения жаростойкости, достигнет 3-5% что сильно упрочняет твердый раствор и охрупчивает сталь при комнатной и особенно при минусовой температуре (Талов Н.П. Изотова Е.М. Дригота В. И. в Сб. Металловедение качественных сталей и сплавов, М. Металлургия, 1982, с. 68-74).

Из описанных в литературе коррозионностойких сталей, рекомендуемых для систем выхлопа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания наиболее близкой к предлагаемой стали является сталь, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,01-0,06 Хром 17,5-29,0 Кремний 0,3-1,5 Алюминий 0,03 Ванадий 0,005-1,5 Цирконий 0,51-1,50 Марганец 0,1-3,5 Редкоземельные металлы 0,001-0,10 Железо Остальное, а также примеси,
Сера До 0,025
Фосфор До 0,035
Медь До 0,3
Никель До 0,5
Данная сталь (авт. св. N 771179, кл. C 22 C 33/28, опубл. 1980) в холоднокатанном состоянии имеет следующие свойства:
Предел прочности, не менее МПа 450
Предел текучести, не менее МПа 250
Относительное удлинение, не менее, δ₅ 35
Твердость HRB 30/100 63
Скорость коррозии в стандартном конденсате выхлопных газов мм/год 0,1
Потери массы при испытании на жаростойкость при 700^oC в продуктах сжигания топлива г/м², ч 0,009
Скорость коррозии при испытании в морской воде, г/м², г. 0,03
Недостатком данной стали является то, что она относится к ферритномартенситному классу. При температурах свыше 800^oC в ее структуре появляется аустенит. Следствием этого является ее низкая технологическая пластичность в слитках и при горячей прокатке. Неизбежным является появление трещин, требующих последующего удаления. При сварке в зоне около сварного шва образуется мартенсит, резко снижающий пластичность шва. Ликвидация этого явления возможна только путем введения операции отжига, после сварки. Полиморфное превращение при нагреве и образование мартенситной структуры при охлаждении обусловлено недостатком в стали ферритообразующих элементов: хрома и алюминия.

Наличие в составе стали ванадия неблагоприятно влияет на ее жаростойкость в газовых средах, содержащих окислы серы, азота.

В то же время его присутствие необходимо с целью предотвращения роста зерна при термических циклах нагрева под прокатку, умягчающую термообработку и при сварке.

Наличие алюминия приводит к увеличению вязкости жидкой стали, появлению плен, заворотов на слитке, увеличению количества дефектов.

Техническим результатам изобретения является повышение технологической пластичности металла, обеспечение пластичности сварных соединений при одновременном увеличении жаростойкости в средах продуктов горения и коррозионной стойкости в солевых и кислых средах.

Это достигается тем, что сталь, содержащая железо, алюминий, углерод, хром, кремний, ванадий, дополнительно содержит молибден, титан при следующих соотношениях компонентов, мас.

Углерод 0,02-0,09
Хром 5,0-13,0
Кремний 1,0-2,5
Алюминий 0,9-1,65
Титан 0,2-0,8
Молибден 0,07-0,35
Ванадий 0,07-0,15
Железо Остальное
Сталь может также содержать примеси, мас.

Сера До 0,01
Фосфор До 0,035
Азот До 0,012
Кислород До 0,002
Марганец До 0,3
Никель До 0,6
Содержание хрома в предлагаемой стали обусловлено условиями работы стали в средах продуктов горения, содержащих окислы серы, азота, угольную кислоту, а также в солевых и кислых средах. Нижний предел содержания хрома 5% при одновременном содержании алюминия, кремния и молибдена. При более низком его содержании скорость коррозии его возрастает. При увеличении содержания хрома коррозионная стойкость стали возрастает до его содержания 13% оставаясь далее неизменной (см. таблицу).

Кремний, алюминий, молибден, титан являются ферритообразующими элементами. Количество кремния 1% алюминия 1,0% при сумме титана, молибдена и ванадия 0,5% обеспечивает ферритную структуру стали во всем диапазоне температур от комнатной до плавления. Увеличение содержания кремния свыше 2,5% и алюминия свыше 1,65% приводит к высокому упрочнению стали, снижению пластичности, ухудшению ее обрабатываемости. Баланс между алюминием и кремнием в соотношении не более 1: 1 необходим для поддержания жидкотекучести стали. Относительное превышение содержания алюминия над кремнием ведет к затруднению разливки.

Титан и молибден являются наиболее сильно карбидообразующими элементами, а ванадий нитридообразующим. Образуя карбиды и нитриды, эти элементы обедняют сталь углеродом и азотом, подавляя тем самым образование аустенита. В растворе железа эти элементы также подавляют аустенитное превращение. Действие образующих частиц карбидов и нитридов проявляется в измельчении зерна, что крайне важно для стали, в которой отсутствует полимерное превращение. Если сумма этих элементов менее 0,5% то зерно укрупняется. Нормальное же зерно 7-8 балла. Увеличение содержания этих трех элементов экономически нецелесообразно, так как каких-либо новых эффектов, кроме переупрочнения стали, особенно при избытке титана, оно не дает. В таблице приведены механические свойства стали в зависимости от химического состава.

Анализ известных составов коррозионностойких и жаростойких сталей показывает, что некоторые из введенных в заявленное решение элементов известны, например алюминий, кремний. Однако их использование в сочетании с низким содержанием хрома, титана не обеспечивает такие свойства как пластичность и, особенно, свариваемость. Дополнительное введение молибдена и ванадия обеспечивает высокие пластические свойства самого металла и сварных соединений. Таким образом данный состав компонентов придает стали новые свойства.

Пример.

Сталь выплавлялась в открытой 100-тонной электропечи с использованием малоуглеродистой шихты и ферросплавов. Содержание кремния по отношению к алюминию поддерживалось в пропорции 1:1 до 1:15. Это обеспечивало необходимую жидкотекучесть стали.

Слитки прокатывали на полунепрерывном стане 1700/2800 при температуре начала прокатки не выше 1100^oC и конца прокатки 800-850^oC. При охлаждении проката без принудительного охлаждения водой были получены следующие механические свойства стали.

Предел прочности, МПа 560
Предел прочности, МПа 355
Удлинение при разрыве δ₅ 38
Сталь не требует отжига, если используется в горячекатанном состоянии. Ее коррозионная стойкость выше известной как в среде продуктов сгорания (0,005 г/м²·ч против 0,0085-0,009 г/м²·ч) так и в солевой среде (морская вода 0,012 мм/год против 0,018-0,025 мм/г). При этом содержание хрома ниже, чем в ближайших аналогах в 1,2-1,5 раза.

Формула изобретения

Ферритная коррозионностойкая сталь, содержащая углерод, хром, кремний, алюминий, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден и титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,02 0,09
Хром 5,0 13,0
Кремний 1,0 2,5
Алюминий 0,9 1,65
Титан 0,2 0,8
Молибден 0,07 0,35
Ванадий 0,07 0,15
Железо Остальное
причем суммарное количество титана, молибдена и ванадия не должно быть менее 0,5 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1