Аустенитная коррозионностойкая сталь и изделие, выполненное из нее

 

Изобретение относится к металлургии, к составам коррозионностойких сталей и к изделиям из них и может быть использовано при производстве арматуры, труб, сварных конструкций, например кузовов железнодорожных вагонов. Предложена аустенитная нержавеющая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01 - 0,06, кремний 0,1 - 0,8, марганец 0,5 - 2,0, хром 16,0 - 19,0, никель 8,0 - 10,5, азот 0,05 - 0,25, бор 0,001 - 0,005, кальций 0,01 - 0,10, церий 0,001 - 0,050, сера ≅ 0,030, фосфор ≅ 0,045, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении следующих соотношений: (Cr+1,2Si)/[2Mn+2,5(Ni-0,5)+50(C+N)]=0,40-0,70 и ΣВ+Са+Сe≅0,12. Изделие из предложенной стали может быть выполнено, например, в виде горячекатаных листов толщиной 3,0 - 8,0 мм, или в виде холоднокатаных листов толщиной 0,5 - 3,0 мм, или в виде прутков диаметром 4-8 мм. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности, улучшение штампуемости в холодном состоянии и стойкости против межкристаллитной коррозии при сохранении свариваемости, стойкости против общей коррозии. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, к составам коррозионностойких аустенитных сталей, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве арматуры труб, сварных конструкций, например кузовов железнодорожных вагонов и т.д.

Известна коррозионностойкая аустенитная свариваемая сталь с гарантированным пределом текучести более 40 кгс/мм², содержащая, мас.%: Углерод - 0,006 - 0,04 Кремний - 0,3 - 0,9 Хром - 18 - 22 Марганец - 5 - 7 Никель - 13 - 16 Молибден - 2 - 2,5 Ниобий - 0,15 - 0,25 Азот - 0,25 - 0,4 Ванадий - 0,006 - 0,25
Магний - 0,001 - 0,01
Кальций - 0,0001 - 0,01
Железо - Остальное
при выполнении условия (Патент РФ 2039122, МКИ C 22 C 38/58, опубл. 09.07.1995).

Однако эта сталь содержит большое количество дефицитных дорогостоящих легирующих элементов.

Известна аустенитная коррозионностойкая сталь, содержащая следующие компоненты, мас.%:
Углерод - < 0,1
Кремний - < 0,5
Марганец - 9,0 - 11,0
Никель - 1,5 - 3,5
Медь - < 3,0
Хром - 16,0 - 18,0
Молибден - < 3,0
Азот - 0,10 - 0,20
Железо - Остальное
(Европейская заявка N 0694626, МПК C 22 C 38/58, опубл. 31.01.96).

Эта сталь очень сильно упрочняется в процессе холодной деформации, что связано с высоким содержанием в ней марганца, вследствие чего недостаточно технологична при операциях холодной обработки давлением (гибке, правке и др. ).

При холодной прокатке известной стали происходит значительное повышение нагрузок на опорные валки, что приводит в некоторых случаях к выходу из строя прокатного оборудования.

Известны изделия - листы толщиной 1,5 мм из нержавеющей стали, используемые, например, для изготовления кузовов железнодорожных вагонов. Сталь содержит, мас. %: углерод 0,01 - 0,065, кремний 0,1 - 1,1, марганец - 0,8 - 1,5, хром - 11,8 - 15, цирконий 0,15 - 0,45, алюминий 0,05 - 0,25, титан 0,005 - 0,25, кальций 0,005 - 0,1, РЗМ 0,005 - 0,1, железо - остальное (Патент РФ N 2033460, МПК C 22 C 38/28, опубл. 20.04.95).

Недостатком известных изделий является их невысокая коррозионная стойкость и низкая хладостойкость сварных соединений.

Данные табл. 2 описания к патенту N 2033460 свидетельствуют также о недостаточном уровне прочности известных изделий, а именно предел текучести в большинстве случаев значительно ниже требуемого уровня 340 МПа.

Известны изделия (листы толщиной 12 мм), выполненные из аустенитной стали следующего состава, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,06
Хром - 18,0 - 22,0
Никель - 15,0 - 18,0
Марганец - 2,0 - 10,0
Азот - 0,2 - 0,5
Кремний - 0,01 - 0,45
Ванадий - 0,1 - 0,5
Медь - 0,1 - 1,5
Молибден - 0,1 - 2,5
Церий - 0,005 - 0,25
Селен - 0,05 - 0,25
Железо - Остальное,
причем при содержании марганца менее 5 содержание азота около 0,3, при содержании марганца более 5 содержание азота 0,4 - 0,5. Сталь имеет высокий комплекс механических свойств и стойкость против точечной коррозии, а также высокую горячую пластичность и обрабатываемость резанием (Патент РФ N 2101522, МПК C 22 C 38/60, опубл. 20.01.98).

Недостатком известных изделий является то, что они изготовлены из стали, содержащей большое количество дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Прототипом изобретения - сталь и изделие, выполненное из нее, является аустенитная сталь и изготовленная из нее тонкая полоса.

Сталь содержит, мас.%:
Углерод - ≅ 0,08
Кремний - ≅ 1,0
Марганец - ≅ 2
Хром - 17,0 - 20,0
Никель - 8,0 - 10,5
Фосфор - ≅ 0,045
Сера - ≅ 0,030
Азот - ≅ 0,053
Железо - Остальное,
при этом отношение Cr_экв/Ni_экв ≥ 1,55, где Cr_экв = % Cr + 1,37 •% Mo + 1,5 •% Si + 2 •% Nb + 3 •% Ti и Ni_экв = %Ni + 0,31 •% Mn + 22 •% Cr + 14,2 •% N + %Cu (Патент США 5807444, НКИ 148/542, опубл. 15.09.1998).

Недостатком прототипа является то, что данный состав не обеспечивает требуемый уровень прочности и устойчивости аустенита против мартенситного превращения при холодном деформировании. Кроме того, сталь является недостаточно стойкой против межкристаллитной коррозии.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании свариваемых аустенитных коррозионностойких сталей и изделий, выполненных из них, сочетающих высокие прочностные и вязко пластические характеристики, коррозионную стойкость при сравнительно невысоком содержании в стали дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов. Кроме того, сталь должна обладать высокой способностью к формоизменению в холодном состоянии.

Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности, улучшение штампуемости в холодном состоянии и стойкости против межкристаллитной коррозии при сохранении свариваемости, стойкости против общей коррозии при сравнительно невысоком содержании в стали и изделиях, выполненных из нее, дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит бор, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,06
Кремний - 0,1 - 0,8
Марганец - 0,5 - 2,0
Хром - 16,0 - 19,0
Никель - 8,0 - 10,5
Азот - 0,05 - 0,25
Бор - 0,001 - 0,005
Кальций - 0,01 - 0,10
Церий - 0,001 - 0,050
Сера - ≅ 0,030
Фосфор - ≅ 0,045
Железо и неизбежные примеси - Остальное,
при этом и ∑ B + Ca + Ce ≅ 0,12,
а также тем, что изделия выполняют из стали вышеуказанного состава.

Изделия могут быть выполнены в виде листов горячекатаных толщиной 3,0 - 8,0 мм, холоднокатаных листов толщиной 0,5 - 3,0 мм и прутков диаметром 4-8 мм.

Сущность изобретения заключается в том, что в стали регламентировано соотношение элементов, стабилизирующих аустенит в отношении мартенситного превращения при деформации, введены бор, кальций и церий, а также увеличено содержание азота. Основные функции повышения уровня прочности выполняет азот и при этом возрастает устойчивость аустенита против образования дельта-феррита, отрицательно влияющего на высокотемпературную технологическую пластичность. Положительный эффект увеличения содержания азота проявляется и в стабилизации аустенитной фазы против мартенситного превращения при холодном деформировании металла. Указанные изменения физико-механических свойств могут состояться, когда количество азота в стали находится в пределах от 0,05 до 0,25%. Ограничение верхнего предела по содержанию азота определяется пределом растворимости его при кристаллизации в стали данного состава.

Микролегирование церием значительно улучшает деформируемость металла в литом состоянии, при этом минимальный эффект достигается при введении 0,001% церия. Введение церия в количестве, большем, чем 0,05%, нецелесообразно из-за появления значительного количества окислов церия.

Введением бора достигается снижение чувствительности к красноломкости, присущей для большинства низкоуглеродистых коррозионностойких сталей, следствием чего является улучшение качества поверхности горячекатаного подката и, соответственно, холоднокатаного листа. Ограничение верхнего предела по содержанию бора 0,005% обусловлено необходимостью предотвращения образования боридной эвтектики в сварном соединении.

Введением кальция достигается более высокая степень чистоты металла, т. к. обладая высокой поверхностной активностью и сродством к сере и фосфору, кальций тормозит диффузионную подвижность последних. При введении кальция в количестве более 0,10 наблюдается повышенное содержание окислов кальция и поэтому содержание его ограничено.

Значение нижних пределов бора и кальция определены исходя из проявления эффекта положительного влияния.

При величине соотношения достигается сочетание высокой прочности и необходимой технологической пластичности.

Ограничение суммарного содержания ∑ B + Ca + Ce ≅ 0,12% продиктовано соображениями в части обеспечения качества соединений из предлагаемой стали.

Содержание в составе предложенной стали углерода (до 0,06%), кремния (до 0,8%), марганца (до 2%), никеля (до 10,5%), хрома (до 19%) обеспечивает возможность выплавки стали традиционными способами на обычных шихтовых материалах и одновременно позволяет получить необходимый уровень твердорастворимого упрочнения аустенитной основы в сочетании с достаточной коррозионной стойкостью.

Примеры осуществления способа.

Стали выплавляли в 50-кг индукционных печах и разливали в изложницы для 25 кг слитков. В таблице 1 представлен химический состав предлагаемой стали и прототипа. Слитки после зачистки ковали на молоте на прутки и сутунки. Изделия в виде горячекатаных листов толщиной 3,0 - 5,0 мм изготавливали прокаткой сутунок при температуре в интервале 1150 - 900^oC. Изделия в виде холоднокатанных листов толщиной 0,8 - 2,0 мм изготавливали путем холодной прокатки горячекатаных полос, предварительно подвергнутых закалке с 1020^oC в воде и щелочно-кислотному травлению поверхности.

В таблице 2 представлены механические свойства.

В качестве критериев оценки способности стали к формоизменению в холодном состоянии использовали метод Энегельгарда-Гросса с определением коэффициента вытяжки и методику ASTM по определению величины R_z, которая характеризует способность материала сопротивляться утонению или утолщению при растяжении или сжатии в плоскости листа. Деформируемость стали тем лучше, чем ближе значение R_z к единице. Склонность к деформированному упрочнению определяли по кривым истинных напряжений (tg Φ).

Стойкость против общей коррозии оценивали в 35%-ном растворе MgCl₂ при температуре кипения в течение 100 ч.

Стойкость против межкристаллитной коррозии определяли по методу АМУ (ГОСТ 6032-72) после провоцирующего отпуска при 650^oC в течение 1 часа.

Результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 3.

Таким образом, предлагаемая сталь превосходит прототип по прочности, штампуемости и коррозионной стойкости.

В результате использования предлагаемого изобретения получают также изделия с применением холодного формоизменения (кузова пассажирских вагонов, коррозионностойкая арматура).

Формула изобретения

1. Аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,01-0,06
Кремний - 0,1-0,8
Марганец - 0,5-2,0
Хром - 16,0-19,0
Никель - 8,0-10,5
Азот - 0,05-0,25
Бор - 0,001-0,005
Кальций - 0,01-0,10
Церий - 0,001-0,050
Сера - ≅0,030
Фосфор - ≅0,045
Железо и неизбежные примеси - Остальное
при выполнении следующих соотношений: и ΣB+Ca+Ce≅0,12.

2. Изделие, выполненное из аустенитной нержавеющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде горячекатаных листов толщиной 3,0-8,0 мм.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде холоднокатаных листов или полос толщиной 0,5-3,0 мм.

5. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде прутков диаметром 4-8 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2