Высокопрочная коррозионно- и износостойкая аустенитная сталь

 

Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано в судостроении, машиностроении, пищевой промышленности и медицине. Предложена высокопрочная коррозионно-стойкая и износостойкая аустенитная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,04; хром 21,00-24,00; кремний 0,25-0,65; марганец 0,25-0,70; азот 1,00-1,40; железо - остальное, а отношение суммарного содержания ферритообразующих элементов к суммарному содержанию аустенитообразующих элементов подчиняется условию: где [Si], [Cr], [C], [N] и [Mn) - концентрация в стали кремния, хрома, углерода, азота и марганца, соответственно, выраженная в мас.%. Предложенная сталь может обладать структурой, полученной после закалки в воду от температуры 1190-1230°С и может обладать структурой, полученной после закалки в воду и отпуска при 400-430°С в течение 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Техническим результатом изобретения является повышение уровня механических свойств и коррозионной стойкости стали, а также обеспечение возможности ее использования в медицинской технике и для изготовления имплантантов. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для коррозионно- и износостойких деталей в машиностроении, судостроении и медицинской технике, а также для изготовления протезов и имплантатов.

Известна аустенитная коррозионно-стойкая сталь 08Х17Н13М2Т (ГОСТ 5632-72), содержащая не более 0,08% углерода, 16,0-18,0% хрома, 12,0-14,0% никеля, 0,1-0,7% титана и 2,0-3,0% молибдена [1].

Основным недостатком этой стали является низкая прочность (σ_в < 520 MПa, σ_0,2 < 250 MПa). По этой причине, а также вследствие недостаточной износостойкости, этот материал не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к высоконагруженным элементам медицинской техники (протезы, имплантаты, инструменты). Сталь содержит в значительном количестве дефицитный и дорогостоящий никель, который в ряде случаев может вызвать аллергические реакции организма человека.

Наиболее близкой по химическому составу к заявляемой стали является коррозионно-стойкая сталь (Европейский патент EP 123054), содержащая хром в количестве 3-45%, углерод 0,01-0,5%, кремний до 2%, марганец до 10% и азот 0,2-5%. Сталь может содержать никель - до 10%, молибден - до 10%, ванадий - до 5%, титан - до 2%, ниобий - до 2%, тантал - до 1%, церий - до 1% [2]. Структура стали должна содержать не менее 50% ферромагнитных составляющих. Для этой цели предусматривается следующая термическая обработка: отжиг при 950-1000^oC и охлаждение в масле и на воздухе, а также отпуск при 700-750^oC и охлаждение на воздухе.

Однако такой стали присущ ряд недостатков. Так, сталь представлена как коррозионно-стойкая, и, следовательно, должна содержать не менее 12,5% хрома, тогда как нижний предел ее легирования по патенту - всего лишь 3,0%. Кроме того, сталь, согласно патенту должна быть ферромагнитной, в то время как, по своему химическому составу, она представляет целый ряд классов стали: от ферритного (ферромагнитного) до аустенитного (не ферромагнитного-парамагнитного). Но аустенитные стали являются, как известно, парамагнитным материалом, т.е. немагнитным.

Следует отметить также, что сталь, описанная в патенте, разработана авторами как жаростойкий материал для газовых турбин, и не может применяться в медицинской технике для изготовления даже временных имплантатов и протезов, поскольку содержит элементы-возбудители аллергических реакций - никель и марганец. Кроме того, эта сталь, ферромагнитные варианты стали, будет вступать во взаимодействие с кровью, содержащей ионы железа.

Особое внимание следует обратить на указанное в патенте содержание азота - от 0,2 до 5%. Минимальный предел растворимости азота для заявленных составов стали составляет 0,034% при парциальном давлении азота, равном одной атмосфере (0,1 МПа). В связи с этим, для достижения содержания азота в стали даже равного 1%, в процессе выплавки стали необходимо создать давление азота в камере ЭШПД более 100 атмосфер. (Метод литья с противодавлением азота в этом случае вообще не применим, а ныне действующие установки ЭШПД позволяют создать давление не более 42 атмосфер).

Изобретение направлено на решение задачи по созданию высокопрочной коррозионно-стойкой, износостойкой, безникелевой и безмарганцовистой аустенитной стали.

Техническим результатом изобретения является повышение уровня механических свойств и коррозионной стойкости стали при обеспечении возможности ее использования в медицинской технике и для изготовления имплантантов.

Сущность изобретения заключается в том, что предложена высокопрочная коррозионно-стойкая и износостойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, кремний, марганец, азот и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,01-0,04 Хром - 21,00-24,00 Кремний - 0,25-0,65 Марганец - 0,25-0,70 Азот - 1,00-1,40 Железо - Остальное а отношение суммарного содержания ферритообразующих элементов к суммарному содержанию аустенитообразующих элементов подчиняется условию: где [Si] , [Cr], [C], [N] и [Mn] - концентрация в стали кремния, хрома, углерода, азота и марганца, соответственно, выраженная в мас.%.

Предложенная сталь может обладать структурой, полученной после закалки в воду от температуры 1190-1230^oC.

Предложенная сталь может обладать структурой, полученной после закалки в воду и отпуска при температуре 400-430^oC в течение 3-3,5 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Содержание компонентов в предлагаемой стали строго обосновано:
- содержание хрома менее 21% усложнит условия выплавки металла с содержанием азота 1,0-1,4% и получения заданной структуры; при содержании хрома более 24% в структуре металла появляются δ-фаза и нитриды, растворимые только при технически труднодостижимых температурах, ухудшающие механические свойства стали;
- при содержании азота менее 1% невозможно получение в структуре однородного γ-твердого раствора (аустенита); при содержании азота выше 1,4% усложняются условия выплавки и обработки;
- содержание углерода в стали менее 0,01% затруднительно получить без дополнительных металлургических операций, что значительно удорожает стоимость стали; при содержании углерода более 0,04% значительно усложнены условия образования гомогенной структуры азотистого аустенита, в результате выделения по границам зерен крупных частиц карбида хрома типа Cr₂₃C₆ или образования карбонитридов, что приводит понижению пластичности и стойкости против межкристаллитной коррозии. Отношение суммы ферритообразующих составляющих к аустенитообразующим определяет условия получения устойчивой аустенитной структуры:
при не удается получить полностью аустенитной структуры, а при в структуре металла появляется δ-феррит.

Закалка в воде от 1190-1230^oC достаточна для гомогенизации γ-твердого раствора. При температуре выше 1230^oC наблюдаются рост зерна и появление δ-феррита. При температуре ниже 1190^oC не достигается полное растворение нитридов, ухудшающих вязкость и пластичность стали. Отпуск от 430^oC в течение 3-3,5 часов не приводит к распаду аустенита и обеднению аустенита азотом. При температуре не выше 400^oC не снижается прочность стали. Выдержка в течение 3-3,5 часов является достаточной для обеспечения однородности структуры стали.

Сталь выплавляли в индукционной печи под давлением газообразного азота 22 атм. Отливки ковали при 1200^oC на прутки сечением 13х13 мм. Термическую обработку указанной стали проводили по режиму: закалка от 1200^oC с охлаждением в воде и отпуск при 400^oC в течение 3 ч.

Количество аустенита, феррита и мартенсита определяли на рентгеновском диффрактометре ДРОН-УМ-1. Механические испытания на растяжение проводили на машине Инстрон-1185 со скоростью растяжения 1 мм/мин на стандартных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм. Стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК) определяли по методу потенциодинамической реактивации в электролите (моль/литр) 0,5 H₂SO₄ + 0,01 KSCN (роданид калия) при поляризации от -0,5 до +0,3 В со скоростью развертки 2,5 · 10^-3 В/сек. За меру стойкости сплавов против МКК принимали отношение (K) заряда реактивации к заряду пассивации по ГОСТ 9.914-91.

Сравнительные испытания на износостойкость по закрепленному абразиву проводили на лабораторной установке. Образцы совершали возвратно-поступательное движение торцевой частью по шлифовальной бумаге марки 13А16ПМ328 на корундовой основе, после приработки в аналогичных условиях. Длина одного рабочего хода образцов составляла 0,13 м, путь трения образца за одно испытание при скорости движения 0,158 м/с составлял 78 м. Величина поперечного смещения шлифовальной бумаги на один двойной ход образца равнялась 0,0012 м. Нормальная нагрузка на образец - 98 Н (удельная нагрузка 100 МПа). Принятые условия испытаний обеспечивали несущественный нагрев рабочей поверхности образцов. Взвешивание образцов до и после испытания производили на аналитических весах с ценой деления 0,1 мг. Относительная износостойкость при абразивном изнашивании определялась как среднее арифметическое результатов двух параллельных испытаний по формуле:

где M_э - абсолютный износ эталонного образца по массе, г;
M_о - абсолютный износ испытуемого образца по массе, г.

В качестве эталона принимался износ образцов стали 110Г13Л, широко используемой в качестве износостойкого материала для высоконагруженных ответственных изделий и конструкций, после закалки от 1100^oC с охлаждением в воде.

Химический состав предлагаемой стали и химический состав стали, описанной в патенте EP 123054 (прототип) приведены в табл. 1, механические свойства и стойкость к межкристаллитной коррозии после термической обработки - в табл. 2, результаты испытаний на износ - в таблице 3.

По результатам проведенных испытаний (табл. 2) видно, что предлагаемая сталь (плавки 2, 3, 4) в отличие от прототипа (плавка 1), обладает более высокими показателями прочности (σ_в и σ_0,2) при сохранении повышенной пластичности (δ и Ψ), что приводит к увеличению срока службы и надежности конструкций и изделий из этой стали.

По величине K - показателя стойкости к межкристаллитной коррозии - предлагаемая сталь превосходит известную, а значения K для плавок 2-4 не превышают 0,11 (см. табл. 2).

Из табл. 3 видно, что предлагаемая коррозионно-стойкая аустенитная сталь превосходит абразивной износостойкости эталонную аустенитную сталь 110Г13Л.

Таким образом, предлагаемая сталь может быть использована в качестве высокопрочного и износо- и коррозионностойкого немагнитного материала, обладая, по сравнению с известными целым рядом преимуществ:
- минимальное содержание в сплавах углерода, который способствует образованию тромбов;
- отсутствие никеля, способного вызывать аллергические реакции и экзему;
- превосходство по комплексу механических свойств, что позволяет изготавливать высоконагруженные имплантаты (например - тазобедренные суставы);
- немагнитность (поскольку ферромагнитный материал вступает в активные реакции с кровью, содержащей ионы железа);
- стоимость, более низкая, чем у традиционных нержавеющих сталей.

Литература
1. ГОСТ 5632-72.

2. Europeische Patentschrift EP 0123054. 06.05.1987.

Формула изобретения

1. Высокопрочная коррозионно-стойкая и износостойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, кремний, марганец, азот и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,04
Хром - 21,00 - 24,00
Кремний - 0,25 - 0,65
Марганец - 0,25 - 0,70
Азот - 1,00 - 1,40
Железо - Остальное
а отношение суммарного содержания ферритообразующих элементов к суммарному содержанию аустенитообразующих элементов подчиняется условию:

где [Si] , [Cr], [C], [N] и [Mn] - концентрация в стали кремния, хрома, углерода, азота и марганца, соответственно, выраженная в мас.%.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она обладает структурой, полученной после закалки в воду от температуры 1190 - 1230^oC.

3. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что она обладает структурой, полученной после закалки в воду и отпуска при 400 - 430^oC в течение 3 - 3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2