Хорошо обрабатываемая дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь специального назначения
Изобретение относится к металлургии, в частности к составу дисперсионно-твердеющей мартенситной нержавеющей стали, предназначенной для изготовления авиационно-космических аппаратов. Заявленная дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая легированная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, в мас.%: углерод не более 0,030; марганец не более 0,50; кремний не более 1,00; фосфор не более 0,030; сера 0,007-0,015; хром 14,00-15,50; никель 3,50-5,50; молибден не более 1,00; медь 2,50-4,50; ниобий + тантал = (содержание углерода) ×5-0,25; алюминий не более 0,05; бор не более 0,010; азот не более 0,030; остальное - железо и обычные примеси. Техническим результатом изобретения является повышение обрабатываемости стали. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 14 табл.
Область техники, к которой относится изобретение.
Настоящее изобретение относится к высокопрочным нержавеющим легированным сталям, в частности к дисперсионно-твердеющей мартенситной нержавеющей легированной стали, обладающей уникальным сочетанием прочности, пластичности, вязкости и обрабатываемости.
Предпосылки создания изобретения.
В Технических условиях AMS 5659 на материалы для авиационно-космических аппаратов описана дисперсионно-твердеющая коррозионностойкая легированная сталь 15Cr-5Ni, предназначенная для изготовления различных 15 деталей авиационно-космических аппаратов, работающих в экстремальных условиях и определяющих надежность всего авиационно-космического аппарата. В Технических условиях AMS 5659 определяются минимальная прочность и пластичность, которыми должна обладать эта сталь после ее упрочнения при старении в результате соответствующей термической обработки. В Технических условиях сказано, например, что после термической обработки (упрочнения при старении) в режиме Н900 (нагрев и выдержка в течение часа при температуре 900°F (482°С) с последующим охлаждением на воздухе) прочность стали на растяжение в продольном и поперечном направлении должна быть равна, как минимум, 190 ksi (1310 МПа) при удлинении в продольном направлении, равном по меньшей мере 10%, а в поперечном направлении - по меньшей мере 6%. Однако известная удовлетворяющая таким требованиям сталь обладает одним весьма существенным недостатком, заключающимся в том, что она плохо поддается обработке (резанием) и поэтому изготовление из нее имеющих необходимую форму деталей связано с большими трудностями.
Хотя отвечающая требованиям ASM 5659 легированная сталь все еще используется для изготовления различных деталей авиационно-космических аппаратов, тем не менее в последнее время все больше и больше ощущается потребность в стали, которая по своим механическим свойствами не только отвечала бы требованиям ASM 5659, но и могла бы легко обрабатываться. Известно, что для улучшения обрабатываемости нержавеющих легированных сталей в них добавляют определенные элементы, такие как сера, селен, теллур и др. Однако добавление в состав легированной стали только таких "улучшающих ее обрабатываемость" элементов ухудшает механические свойства стали, в частности ее вязкость и пластичность, настолько, что сталь становится не пригодной для работающих в экстремальных условиях деталей, для изготовления которых она предназначена. Следовательно, в настоящее время существует потребность в создании предназначенной для изготовления наиболее важных деталей дисперсионно-твердеющей мартенситной нержавеющей легированной стали с хорошей пластичностью, вязкостью и высоким пределом прочности на растяжение с надрезом, обладающей по сравнению с обычно используемой для этих целей легированной сталью лучшей способностью к обработке.
Краткое изложение сущности изобретения.
В настоящем изобретении предлагается дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая сталь, которая по своим механически свойствам удовлетворяет требованиям AMS 5659 и одновременно существенно поддается обработке (резанием) по сравнению с известными дисперсионно-твердеющими нержавеющими сталями марки 15Cr-5Ni. В приведенной ниже таблице указано содержание в мас.% основных элементов для возможного, промежуточного и предпочтительного интервалов значений состава предлагаемой в изобретении легированной стали:
| Элемент | Содержание в мас.% | ||
| возможный интервал | промежуточный интервал | предпочтительный интервал | |
| С | макс. 0,003 | макс. 0,025 | 0,010-0,025 |
| Мп | макс. 1,00 | макс. 0,50 | макс. 0,50 |
| Si | макс. 1,00 | макс. 0,60 | макс. 0,50 |
| Р | макс. 0,030 | макс. 0,030 | макс. 0,025 |
| S | 0,005-0,015 | 0,005-0,015 | 0.007-0,013 |
| Сг | 14,00-15,50 | 14,00-15,50 | 14,25-15,25 |
| Ni | 3,50-5,50 | 3,50-5,50 | 4,00-5,50 |
| Мо | макс. 1,00 | макс. 0,50 | макс. 0,50 |
| Си | 2,50-4,50 | 2,50-4,50 | 3,00-4,00 |
| Nb+Ta | (5ХC)-0,30 | (5ХC)-0,25 | (5ХC)-0,20 |
| А1 | макс. 0,05 | макс. 0,025 | макс. 0,025 |
| В | макс. 0,010 | макс. 0,005 | макс. 0,005 |
| N | макс. 0,030 | макс. 0,025 | 0,010-0,025 |
| Fe | остальное | остальное | остальное |
Приведенная выше таблица носит общий (итоговый) характер и не ограничивает нижних и верхних пределов диапазонов содержания в предлагаемой стали отдельных элементов, используемых в комбинации друг с другом, а также не ограничивает диапазоны элементов, которые могут использоваться только в комбинации друг с другом. При этом один или несколько элементов, содержание которых в стали ограничено теми или иными указанными в таблице диапазонами, могут использоваться вместе с другими элементами, содержание которых в стали ограничено другими диапазонами. Кроме того, в качестве минимального или максимального значения содержания в стали того или иного элемента для возможного, промежуточного или предпочтительного интервалов значений состава стали можно принимать минимальное или максимальное значение содержания в ней того же самого элемента для другого промежуточного или предпочтительного состава. Выше и в последующем описании термин "процент" или символ "%" означает, если не указано иное, содержание в стали того или иного элемента в массовых процентах (т.е. мас.%).
Предпочтительный вариант выполнения изобретения
Для повышения обрабатываемости стали содержание в ней междоузельных элементов (углерода и азота) должно быть ограничено нижними значениями указанных в таблице диапазонов. Поэтому содержание углерода и азота не должно превышать примерно 0,030% каждого элемента, предпочтительно не должно превышать 0,025% каждого элемента. Углерод и азот являются эффективными аустенитными стабилизирующими элементами и их слишком низкое содержание в стали сопровождается образованием в ней феррита в нежелательных количествах. Поэтому предпочтительно, чтобы содержание в стали и углерода, и азота составляло, как минимум, 0,010%.
Наличие в легированной стали в определенных количествах серы улучшает ее обрабатываемость и не сказывается отрицательно на ее пластичности, вязкости и прочности на растяжение с надрезом. Поэтому содержание серы в стали должно составлять как минимум 0,005%, предпочтительно как минимум 0,007%. Слишком большое содержание серы снижает ее пластичность и вязкость, а также ее предел прочности на растяжение при надрезе. Поэтому максимальное количество содержащейся в предлагаемой стали серы не должно превышать приблизительно 0,015%, предпочтительно 0,013%.
Для придания стали необходимой коррозионной стойкости содержание в ней хрома должно составлять, как минимум, около 14,00%, предпочтительно, как минимум, около 14,25%. Наличие в стали более 15,50% хрома сопровождается нежелательным образованием в ней феррита. Поэтому максимальное количество содержащегося в стали хрома не должно превышать приблизительно 15,50%, предпочтительно 15,25%.
Для придания стали высоких пластичности и вязкости в ней должно содержаться, как минимум, около 3,50%, предпочтительно, как минимум, около 4,00% никеля. Никель, помимо всего прочего, повышает устойчивость аустенитной фазы стали при низком содержании в ней углерода и азота. При содержании никеля, превышающем приблизительно 5,50%, прочность стали после старения ухудшается из-за неполного превращения при комнатной температуре аустенита в мартенсит (т.е. наличия в ней остаточного аустенита). Поэтому содержание никеля в стали не должно превышать приблизительно 5,50%.
Содержание в стали меди, которая используется главным образом в качестве основного агента дисперсионного отвердения, должно составлять, как минимум, около 2,50%, предпочтительно, как минимум, около 3,00%. При упрочнении при старении (дисперсионном твердении) во время соответствующей термообработки сталь приобретает высокую прочность за счет выпадения из мартенситной основы мелких богатых медью частиц. Для более эффективного дисперсионного твердения стали содержание в ней меди должно составлять от 2,50% до 4,50%. При слишком большом содержании меди снижается устойчивость аустенитной фазы полученной стали, что может привести к образованию в ней после дисперсионного твердения в процессе соответствующей термической обработки избыточного количества аустенита. Поэтому содержание меди в предлагаемой стали не должно превышать приблизительно 4,50%, предпочтительно 4,00%.
Содержание в стали небольших количеств молибдена повышает ее коррозионную стойкость и вязкость. Минимальное эффективное количество содержащегося в стали молибдена обычно определяется специалистами на основании имеющегося у них опыта. При слишком большом содержании молибдена возникает опасность образования в стали феррита, который снижает фазовую устойчивость стали и повышает содержание в ней остаточного аустенита. Поэтому, если максимально возможное количество содержащегося в стали молибдена составляет около 1,00%, то оптимальное содержание молибдена в предлагаемой стали не должно превышать 0,50%.
Содержащийся в стали в небольших количествах ниобий используется главным образом в качестве стабилизирующего агента, препятствующего образованию карбонитридов хрома, которые снижают коррозионную стойкость стали. При этом количество содержащегося в стали ниобия эквивалентно, как минимум, пятикратному содержанию в ней углерода (5х%C). При слишком большом содержании ниобия, прежде всего при низком содержании углерода и азота, в стали происходит слишком интенсивное образование карбидов ниобия, нитридов ниобия и/или карбонитридов ниобия, наличие которых отрицательно сказывается на обрабатываемости стали. При слишком большом содержании в стали карбонитридов ниобия снижается также ее вязкость. Избыточное количество ниобия является также причиной образования в стали нежелательного количества феррита. Поэтому максимальное содержания ниобия должно быть ограничено приблизительно 0,30% или даже 0,25%, предпочтительно 0,20%. Очевидно, что ниобий частично можно заменить танталом, определив его количество (в мас.%) по соотношению их атомных весов. При этом, однако, предпочтительно, чтобы содержание в стали тантала в любом случае не превышало 0,05%.
Для лучшей обрабатываемости стали в горячем состоянии в нее добавляют небольшое, но оказывающее необходимый эффект количество бора, содержание которого, однако, не должно превышать 0,010%, предпочтительно 0,005%.
Основу предлагаемой в изобретении легированной стали составляет, как очевидно, железо, в котором содержатся определенные примеси, такие же, как и во всех выпускаемых в настоящее время марках дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, предназначенной для той же цели, что и предлагаемая в изобретении сталь. К такого рода примесям относится, в частности, алюминий, содержание которого не должно превышать приблизительно 0,05%, предпочтительно 0,025%, поскольку образующиеся при наличии в стали алюминия нитриды и оксиды ухудшают ее обрабатываемость. Содержание в стали таких элементов, как марганец, кремний и фосфор, также должно быть минимальным, поскольку они снижают вязкость стали. Состав стали должен быть таким, чтобы при охлаждении от температуры отжига до комнатной ее микроструктура полностью изменялась с аустенитной на мартенситную. Как уже было отмечено выше, содержание в стали основных элементов в указанных выше (об.%) границах должно быть таким, чтобы количество феррита в отожженной стали не превышало приблизительно 2, предпочтительно 1 объемного процента (об.%).
Для выплавки предлагаемой в изобретении легированной стали предпочтительно использовать вакуумные индукционные печи, хотя в принципе ее можно выплавлять и в электродуговых печах в атмосфере воздуха. Рафинирование стали осуществляется путем ее вакуумной дуговой или электрошлаковой переплавки. Из предлагаемой в изобретении стали можно получить имеющие различную форму заготовки, сортовой прокат, прутки и проволоку. Предлагаемую в изобретении сталь можно также использовать для изготовления различных механически обработанных деталей, обладающих, помимо высокой коррозионной стойкости, высокой прочностью и хорошей вязкостью. К такого рода деталям относятся, в частности, детали клапанов, соединительные детали и арматура, крепежные детали, валы, шестерни, детали двигателей внутреннего сгорания, отдельные части химических установок и установок, используемых для изготовления бумаги, а также различные детали авиационно-космических аппаратов и атомных реакторов.
Ниже изобретение поясняется на примерах, в которых проиллюстрированы преимущества обладающей уникальным сочетанием свойств легированной стали, предлагаемой в изобретении.
ПРИМЕРЫ
Для иллюстрации всех преимуществ предлагаемой в изобретении легированной стали, обладающей уникальным сочетанием свойств, изготовленные из этой стали образцы сравнивали с образцами, изготовленными из обычной стали.
Пример 1
Из четырех полученных в вакуумной индукционной печи плавок весом около 400 фунтов были отлиты четыре слитка с квадратным поперечным сечением размерами 7,5 на 7,5 дюйма. Результаты химического анализа плавок (в мас.%) приведены в таблице I. Плавка 1 является примером стали, предлагаемой в настоящем изобретении. Плавки А, Б и В являются примерами обычных взятых для сравнения легированных сталей.
| Таблица I | ||||||||||||||
| № | Элемент (мас.%) | |||||||||||||
| С | Mn | Si | Р | S | Cr | № | Мо | Си | Nb | Та | B | N | Fe | |
| 1 | 0,020 | 0,30 | 0,42 | 0,021 | 0,009 | 14,87 | 4,72 | 0,10 | 3,30 | 0,15 | <0,01 | <0,001 | 0,017 | остальн. |
| А | 0,020 | 0,30 | 0,40 | 0,021 | <0,001 | 14,87 | 4,70 | 0,10 | 3,30 | 0,15 | <0,01 | <0,001 | 0,017 | остальн. |
| В | 0,036 | 0,31 | 0,41 | 0,021 | <0,001 | 15,11 | 4,59 | 0,10 | 3,30 | 0,26 | <0,01 | <0,001 | 0,017 | остальн. |
| С | 0,035 | 0,30 | 0,41 | 0,21 | 0,009 | 15,13 | 4,66 | 0,10 | 3,31 | 0,26 | <0,01 | <0,001 | 0,017 | остальн. |
Из отливок сначала изготавливали поковки с квадратным поперечным сечением (4 на 4 дюйма), которые затем обжимали в круглые болванки диаметром 2,125 дюйма, из которых после горячей прокатки получали прутки диаметром 0,6875 дюйма. Все прутки подвергали отжигу в растворе (соли) путем нагревания их до 1040°С и выдержки в течение часа при этой температуре с последующей закалкой путем быстрого охлаждения водой до комнатной температуры. После этого отожженные прутки правили, протачивали до диаметра 0,637 дюйма, вторично правили, грубо шлифовали до диаметра 0,627 дюйма, а затем окончательно шлифовали до диаметра 0,625 дюйма.
После этого исследовали и сравнивали микроструктуру и механические свойства полученных прутков с требованиями ASM 5659. В приведенной ниже таблице II указано содержание феррита в микроструктуре отожженных в растворе прутков диаметром 0,625 дюйма.
| Таблица II: Содержание феррита в отожженных прутках | |
| № плавки | Содержание феррита (об.%)* |
| 1 | 0,09 |
| А | не обнаружено |
| Б | не обнаружено |
| В | 0,08 |
| AMS 5659 | макс. 2 |
| Примечание: *измерения проводили на продольных шлифах для металлографического исследования с тональным (цветным) травлением путем анализа изображений 100 участков микроструктуры, полученной при 1050-кратном увеличении. |
Результаты сравнения прочности и твердости гладких образцов при комнатной температуре, изготовленных из четырех сталей в состоянии отжига, приведены в таблице III. В таблице III приведены данные по пределу текучести при 0,2%-ном сдвиге по оси деформаций (0,2% П.Т.) и пределу прочности при растяжении (ППР) в ksi (МПа), относительному удлинению для четырех диаметров (% удлин.), уменьшению площади поперечного сечения (% УПС) и твердости по шкале С Роквелла (HRC).
| Таблица III: Прочностные свойства и твердость изготовленных из отожженных прутков гладких образцов при их испытаниях на растяжение в продольном направлении | |||||
| Плавка | Прочностные свойства гладких образцов<1) при их испытаниях на растяжение | ||||
| 0,2% П.Т. | ППР | % удлин. | % УПС | HRC(2) | |
| 1 | 135,0 | 149,6 | 15,9 | 70,8 | 31 |
| А | 139,1 | 149,5 | 16,3 | 77,5 | 31 |
| Б | 143,6 | 155,3 | 15,8 | 73,9 | 32 |
| В | 138,6 | 154,0 | 15,5 | 70,8 | 32,5 |
| AMS 5659 | - | макс. 175 | - | - | макс. 39,l(3) |
| Примечания: (1)среднее значение по двум образцам, (2)среднее значение по четырем измерениям в средних по радиусу точках, (3)после пересчета твердости по Бринеллю (НВ). |
Измеренные при комнатной температуре показатели прочности на растяжение гладких образцов и их твердость сравнивали для разных режимов упрочнения при старении стали в соответствии с AMS 5659. Полученные для разных режимов упрочнения при старении стали результаты, включая данные по пределу текучести при 0,2%-ном сдвиге по оси деформаций (0,2% П.Т.) и пределу прочности при растяжении (ППС) в ksi (МПа), относительному удлинению для четырех диаметров (% удлин.), уменьшению площади поперечного сечения (% УПС) и твердости по шкале С Роквелла (HRC), приведены в таблице IV.
| Таблица IV: (Прочностные свойства и твердость изготовленных из отожженных прутков гладких образцов при их растяжении в продольном направлении | ||||||
| Прочностные свойства гладких образцов(1) при их испытаниях на растяжение | ||||||
| № плавки | Режим старения(2) | 0,2% П.Т. | ППС | удлин. | УПС | HRC(3) |
| 1 | Н900 | 189,8 | 199,0 | 14,1 | 51,4 | 43 |
| А | " | 192,8 | 198,6 | 14,5 | 56,6 | 43 |
| Н | " | 193,6 | 199,7 | 14,8 | 59,6 | 43 |
| В | " | 190,6 | 199,3 | 14,4 | 59,7 | 43 |
| AMS 5659 | " | мин. 170 | мин. 190 | мин. 10 | мин. 35 | 41,8-47,l(4) |
| 1 | Н925 | 178,7 | 186,7 | 14,4 | 55,6 | 41 |
| А | " | 178,6 | 185,3 | 14,5 | 55,1 | 41 |
| Б | " | 179,8 | 184,9 | 16,4 | 64,9 | 41 |
| В | " | 177,6 | 184,9 | 16,7 | 61,6 | 41 |
| AMS 5659 | " | мин. 155 | мин. 170 | мин. 10 | мин. 38 | 40,4-45,7(4) |
| 1 | HI 025 | 159,6 | 163,8 | 15,3 | 62,1 | 36 |
| А | " | 157,8 | 162,5 | 16,1 | 63,6 | 36 |
| Б | " | 160,5 | 164,0 | 16,1 | 65,6 | 36 |
| В | " | 159,6 | 163,3 | 16,1 | 65,4 | 36 |
| AMS 5659 | " | мин. 145 | мин. 155 | мин. 12 | мин. 45 | 35,5-43,1(4) |
| 1 | HI 150 | 115,3 | 139,0 | 21,3 | 68,9 | 30 |
| А | " | 115,8 | 138,6 | 23,3 | 73,2 | 30 |
| Б | " | 113,3 | 138,2 | 21,7 | 71,7 | 30 |
| В | " | 109,6 | 138,1 | 21,8 | 70,2 | 30 |
| AMS 5659 | " | мин. 105 | мин. 135 | мин. 16 | мин. 50 | 28,8-37,9(4) |
| Примечания: (1)среднее значение по двум образцам; (2)режимы старения (упрочнения при старении): Н900: выдержка при 900°F в течение часа с последующим охлаждением на воздухе, Н925: выдержка при 925°F в течение 4-х часов с последующим охлаждением на воздухе, Н1025: выдержка при 1025°F в течение 4-х часов с последующим охлаждением на воздухе, Н1150: выдержка при 1150°F в течение 4-х часов с последующим охлаждением на воздухе; (3)среднее значение по четырем измерениям. (4)после пересчета твердости по Бринеллю (НВ). |
Данные, приведенные в таблицах III и IV, свидетельствуют о том, что все четыре сплава имеют практически одинаковую твердость и одинаковые прочностные свойства на растяжение и по этим параметрам при соответствующей термической обработке удовлетворяют требованиям AMS 5659.
Обрабатываемость отожженных прутков диаметром 0,625 дюйма, изготовленных из каждого вида стали, проверяли на одношпиндельном токарном винторезном автомате Brown and Shapre Ultramatic (single spindle) Screw Machine. В качестве переменного параметра во время опытов была выбрана скорость вращения шпинделя станка. Для каждой из четырех плавок проводили три опыта при скоростях вращения поверхности образца, равных 95,5 и 104,3 фута в минуту образца (фут/мин). Опыт заканчивали по одной из двух причин: а) из-за увеличения размера детали больше чем на 0,003 дюйма вследствие износа инструмента (резца) (рост размера детали) или б) при отсутствии роста размера детали больше чем на 0,003 дюйма после обработки как минимум 400 деталей (обработка всей партии). Во время испытания не было зафиксировано ни одного случая поломки или катастрофического выхода инструмента (резца) из строя (третья возможная причина прекращения опыта). Режимы работы на винторезном станке и результаты испытаний, включая скорость вращения шпинделя в футах/мин, количество обработанных деталей и причину окончания данного опыта, приведены в таблице V.
| Таблица V: Результаты опытов с отожженными прутками на токарном винторезном автомате | |||
| № плавки | Скорость шпинделя | Обработано деталей | Причина окончания опыта |
| 1 | 95,5 | 400 | обработка всей партии |
| sec; | 95,5 | 400 | обработка всей партии |
| sec; | 95,5 | 370 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 240 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 180 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 230 | рост размера детали |
| А | 95,5 | 110 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 110 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 160 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 90 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 80 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 80 | рост размера детали |
| № плавки | Скорость шпинделя | Обработано деталей | Причина окончания опыта |
| Б | 95,5 | 40 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 30 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 30 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 30 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 40 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 45 | рост размера детали |
| В | 95,5 | 90 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 90 | рост размера детали |
| sec; | 95,5 | 80 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 50 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 60 | рост размера детали |
| sec; | 104,3 | 60 | рост размера детали |
| Примечание: (1)при проведении всех опытов скорость подачи резца при черновой обработке (проточке) составляла 0,002 дюйма/об. |
В приведенной ниже таблице VI представлены итоговые данные, полученные на основании результатов опытов, приведенных в таблице V, включая количество деталей, обработанных при каждой скорости шпинделя (обработанные детали). В этой таблице для всех испытанных сталей приведены также среднее значение количества обработанных деталей и величина среднего квадратичного отклонения.
| Таблица VI: Итоговые результаты опытов по обработке отожженных прутков на токарном винторезном автомате | |||
| № плавки | Обработано деталей при 95,5 фута/мин | Среднее значение | Среднее квадратичное отклонение |
| 1 | >400*, >400*, 370 | - | - |
| А | 110, 110, 160 | 127 | 28,9 |
| Б | 40, 30, 30 | 33 | 5,8 |
| В | 90, 90, 80 | 87 | 5,8 |
| № плавки | Обработано деталей при 95,5 фут/мин | Среднее значение | Среднее квадратичное отклонение |
| № плавки | Обработано деталей при 104,3 фут/мин | Среднее значение | Среднее квадратичное отклонение |
| 1 | 240, 180, 230 | 217 | 32,1 |
| А | 90, 80, 80 | 83 | 5,8 |
| Б | 30, 40, 45 | 38 | 7,6 |
| В | 50, 60, 60 | 57 | 5,8 |
| Примечание: *опыт был прекращен после обработки всей партии. |
Из анализа данных, приведенных в таблицах II-VI, следует, что плавка 1 обладает по сравнению с плавками А, Б и В существенно лучшим сочетанием свойств, поскольку изготовленные из этой стали отожженные прутки очень хорошо обрабатываются и по своим механическим свойствам и микроструктуре полностью удовлетворяют требованиям AMS 5659.
Пример 2
Из шести выплавленных в вакуумной индукционной печи плавок весом около 400 фунтов были отлиты шесть слитков с квадратным поперечным сечением размерами 7,5 на 7,5 дюймов. Результаты химического анализа плавок (в мас.%) приведены в таблице VII. Плавки 2, 3 и 4 являются примерами стали по изобретению, а плавки Г, Д и Е являются примерами обычных взятых для сравнения легированных сталей.
| Таблица VII | ||||||||||||||
| № | Элемент (мас.%) | |||||||||||||
| С | Mn | Si | Р | S | Cr | N1 | Мо | Си | Nb | Та | в | N | Fe | |
| 2 | 0,022 | 0,45 | 0,23 | 0,026 | 0,006 | 15,31 | 4,73 | 0,25 | 3,78 | ,21 | <,01 | <,0010 | ,017 | ост, |
| 3 | 0,026 | 0,51 | 0,48 | 0,023 | 0,014 | 15,32 | 4,28 | 0,12 | 3,28 | ,20 | <,01 | ,0011 | ,018 | ост, |
| 4 | 0,020 | 0,51 | 0,45 | 0,028 | 0,011 | 15,28 | 4,80 | 0,27 | 3,16 | ,20 | <,01 | ,0020 | ,013 | ост, |
| D | 0,022 | 0,44 | 0,23 | 0,028 | 0,003 | 15,29 | 4,73 | 0,25 | 3,79 | ,45 | <,01 | <,0010 | ,017 | ост, |
| Е | 0,034 | 0,63 | 0,49 | 0,025 | 0,020 | 15,71 | 4,29 | 0,12 | 3,29 | ,26 | <,01 | ,0011 | ,017 | ост, |
| F | 0,020 | 0,52 | 0,45 | 0,26 | 0,018 | 15,56 | 4,81 | 0,27 | 3,16 | .22 | <.01 | <.0021 | .013 | ост. |
Плавка 2 была выплавлена для сравнения с плавкой Г, плавка 3 была выплавлена для сравнения с плавкой Д, а плавка 4 была выплавлена для сравнения с плавкой Е. Из слитков были изготовлены (см. пример 1) поковки с квадратным поперечным сечением (4 на 4 дюйма). Квадратные поковки из плавок 2 и Г затем были обжаты в круглые болванки диаметром 5/8 дюйма (см. пример 1). Результаты сравнения твердости и предела прочности на растяжение в продольном направлении при комнатной температуре гладких отожженных и прошедших упрочнение при старении в режиме H1150 прутков из плавок 2 и Г приведены в таблицах VIIIA и VIIIБ. До испытаний прутки из каждой плавки были подвергнуты отжигу путем нагрева их до 1040°С и выдержке при этой температуре в течение часа с последующим охлаждением водой. После этого эти прутки проходили упрочнение при старении путем нагрева их до 1150°F и выдержке при этой температуре в течение 4-х часов с последующим охлаждением на воздухе. В таблицах VIIIA и VIIIБ приведены следующие данные: предел текучести при 0,2%-ном сдвиге по оси деформаций (0,2% П.Т.) и предел прочности при растяжении (ППР) в ksi (МПа), относительное удлинение для четырех диаметров (% удлин.), уменьшение площади поперечного сечения (% УПС) и твердость по шкале С Роквелла (HRC). Для сравнения в этих таблицах указаны также предел прочности и твердость стали в соответствии с требованиями AMS 5659.
| Таблица VIIIA: Прочностные свойства при растяжении и твердость гладких отожженных прутков | |||||
| № плавки | Прочностные свойства отожженных прутков(1) | ||||
| 0,2% П.Т. | ППР | % удлин. | % УПС | HRC(2) | |
| 2 | 143,3 | 148,2 | 15,5 | 70,4 | 31 |
| Г | 134,1 | 138,5 | 15,7 | 72,8 | 27,5 |
| AMS 5659 | - | макс. 175 | - | - | макс. 39,1 |
| Примечания: (1)среднее значение при испытаниях на растяжение двух гладких образцов диаметром 0,250 дюйма, (2)среднее значение твердости в поперечном сечении прутка в средней по радиусу точке. |
| Таблица VIIIБ: Прочностные свойства при растяжении и твердость гладких прутков, прошедших упрочнение при старении в режиме H1150 | |||||
| № плавки | Прочностные свойства упрочненных при старении прутков(1) | ||||
| 0,2% П.Т. | ППР | % удлин. | %RA | HRC(2) | |
| 2 | 111,4 | 138,0 | 22,4 | 69,4 | 29,0 |
| Г | 125,2 | 138,2 | 21,1 | 73,1 | 29,0 |
| AMS 5659 | мин. 105 | мин. 135 | мин. 16 | мин. 50 | 28,8-37,9 |
| Примечания: (1)среднее значение при испытаниях на растяжение двух гладких образцов диаметром 0,250 дюйма, (2)среднее значение твердости в поперечном сечении прутка в средней по радиусу точке. |
Ниже в таблицах IX и Х приведены результаты, характеризующие обрабатываемость прутков диаметром 5/8 дюйма, изготовленных из плавок 2 и Г, после упрочнения при старении в режиме H1150. В таблице IX приведены результаты, полученные при обработке двух образцов каждого вида стали на упомянутом выше в примере 1 токарно-винторезном автомате, включая относительные содержания в сталях С, S и Nb (в мас.%) и количество обработанных до прекращения опыта деталей. Все опыты проводили при скорости вращения шпинделя, равной 104,3 фут/мин (фут в минуту на поверхности прутка), и скорости подачи резца, равной 0,002 дюйма на оборот (дюйм/об).
| Таблица IX: Результаты опытов на токарно-винторезном автомате для прутков, упрочненных при старении в режиме Н1150 | |||||
| № плавки | %С | %S | %Nb | Обработано деталей | Причина окончания опыта |
| 2 | 0,022 | 0,006 | 0,21 | 140 | рост размера детали |
| 160 | рост размера детали |
| № плавки | %с | %S | %Nb | Обработано деталей | Причина окончания опыта |
| Г | 0,022 | 0,003 | 0,45 | 90 | рост размера детали |
| 80 | рост размера детали |
В приведенной ниже таблице Х приведены данные по стойкости инструмента (резца), полученные в результате испытаний двух образцов прутков для каждого из двух видов стали, включая относительные содержания в сталях С, S и Nb (в мас.%), износ резца до его окончательного выхода из строя (поломки), выраженный в дюймах (см), и продолжительность его использования до поломки (с), а также объем металла, снятого с испытуемого стержня (объем снятого металла) в куб. дюймах (куб. см). Все прутки из каждого вида стали протачивали на одну и ту же длину, используя для этого резцы с вставленной в них режущей пластиной из быстрорежущей стали марки Т15. Для того чтобы зафиксировать момент катастрофического повреждения (поломки) резца, испытания проводили в режиме ускоренной подачи и повышенной скорости резания. Все испытания проводили при скорости шпинделя, равной 200 футов/мин (футы в минуту на поверхности резания) и скорости подачи резца, равной 0,0132 дюйма/об (дюйм на оборот), а также при удельном съеме металла, равном 1,78 куб.дюйма в минуту.
| Таблица X: Результаты проверки стойкости резца при обработке прутков, упрочненных при старении в режиме Н1150 | ||||||
| № плавки | %С | %S | %Nb | Поломка резца | Объем снятого металла | |
| дюймы | с | |||||
| 2 | 0,022 | 0,006 | 0,21 | 2,12 | 7,9 | 0,235 |
| 2,23 | 8,3 | 0,246 | ||||
| Среднее значение | 2,18 | 8,1 | 0,241 | |||
| Г | 0,022 | 0,003 | 0,45 | 1,99 | 7,4 | 0,220 |
| 1,40 | 5,2 | 0,154 | ||||
| Среднее значение | 1,70 | 6,3 | 0,187 |
Данные, приведенные в таблицах IX и X, свидетельствуют о том, что после упрочнения при старении в режиме H1150 предлагаемая в изобретении легированная сталь (примером которой является плавка 2) обладает существенно лучшей способностью к обработке, чем аналогичная ей известная сталь (плавка Г).
Ниже в таблицах XIA и ХIБ приведены результаты испытаний на прочность (предел прочности на растяжение, ударная вязкость и вязкость разрушения) гладких и имеющих надрез прутков диаметром 4 дюйма, изготовленных из плавок 3, 4, Д и Е, после их упрочнения старением в режиме Н1150. При этом в таблице XIA приведены данные для продольно ориентированных образцов, а в таблице ХIБ приведены данные для поперечно ориентированных образцов. В таблицах XIA и ХIБ приведены следующие данные: предел текучести при 0,2%-ном сдвиге по оси деформаций (0,2% П.Т.) и предел прочности при растяжении (ППР) в ksi (МПа), относительное удлинение для четырех диаметров (% удлин.), уменьшение площади поперечного сечения (% УПС), предел прочности при надрезе (ППН) в ksi (МПа), отношение ППН/ППР, ударная вязкость стали с V-образным надрезом для испытаний по Шарли (CVN) в футах-фунтах (Дж), твердость по шкале С Роквелла (HRC) и вязкость разрушения (КQ) в ksi√in (МПа√м).
| Таблица ХIА: Прочностные свойства продольно ориентированных образцов, изготовленных из стали после ее упрочнения при старении в режиме Н1150 | |||||||||
| № плавки | Прочностные свойства на растяжение гладких образцов(1) | ||||||||
| 0,2% П.Т. | ППР | % удлин. | %RA | ППН(2) | ППН/ППР(3) | CVN(4) | HRC(5) | KQ | |
| 4 | 126,0 | 141,7 | 20,8 | 68,6 | 219,5 | 106, 104, 103 | 147,2 | ||
| 127,4 | 142,2 | 21,1 | 68,7 | 222,2 | 1,56 | среднее 104 | 31 | 145,8 | |
| Д | 117,8 | 140,9 | 21,0 | 66,6 | 218,7 | 96, 94, 87 | 123,4 | ||
| 117,1 | 140,6 | 20,9 | 66,5 | 217,1 | 1,55 | среднее 92 | 31 | 119,9 | |
| 4 | 109,4 | 136,5 | 23,4 | 69,7 | 212,2 | 140, 132, 130 | 98,2 | ||
| 110,5 | 137,0 | 23,4 | 71,5 | 212,3 | 1,55 | среднее 134 | 29 | 99,1 | |
| Е | 110,0 | 138,4 | 22,9 | 71,5 | 219,0 | 119, 117, 117 | 92,3 | ||
| 111,7 | 138,5 | 22,4 | 71,2 | 216,6 | 1,57 | среднее 118 | 29 | 90,3 | |
| AMS 5659 | мин 105 | мин 135 | мин 16 | мин 50 | 28,8-37,9 | ||||
| Примечания: (1)гладкие образцы диаметром 0,250 дюйма; (2)Кt=10 (d=0,252 дюйма, D=0,357 дюйма с радиусом впадины, равным 0,0010 дюйма); (3)среднее ППН/среднее ППР; (4)устойчивое значение ударной вязкости CVN образцов с продольной-поперечной ориентацией надреза; (5)среднее значение твердости, измеренной в сечении разрушенных после испытаний на ударную вязкость (CVN) образцов; (6)устойчивое значение вязкости разрушения при растяжении спрессованных образцов размером 1-1/2 дюйма с продольной-поперечной ориентацией надреза. |
| Таблица ХIБ: Прочностные свойства поперечно ориентированных образцов, изготовленных из стали после ее упрочнения при старении в режиме H1150 | |||||||||
| № плавки | Прочностные свойства на растяжение гладких образцов(1) | ||||||||
| 0,2% П.Т. | ППР | % у длин. | % УПС | ППН(2) | ППН/ППР(3) | CVN(4) | HRC(5) | KQ(6) | |
| 3 | 125,1 | 141,1 | 17,5 | 53,7 | 218,3 | 51, 46, 45 | 109,0 | ||
| 123,3 | 140,5 | 18,7 | 59,4 | 220,7 | 1,56 | среднее 47 | 30 | 108,0 | |
| Д | 120,0 | 141,1 | 16,1 | 42,5 | 212,6 | 39, 39, 27 | 106,3 | ||
| 111,9 | 139,2 | 19,0 | 56,7 | 212,0 | 1,51 | среднее 35 | 30 | 89,0 | |
| 4 | 108,6 | 136,8 | 21,1 | 65,0 | 210,0 | 85, 72, 69 | 96,7 | ||
| 108,4 | 136,0 | 21,0 | 66,0 | 206,9 | 1,53 | среднее 75 | 29 | 97,8 | |
| Е | 110,3 | 138,6 | 19,8 | 58,9 | 208,0 | 55, 55, 50 | 94,0 | ||
| 108,7 | 138,1 | 19,8 | 58,2 | 206,8 | 1,50 | среднее 53 | 29,5 | 85,3 | |
| AMS 5659 | мин 105 | мин 135 | мин 11 | мин 35 | 28,8-37,9 | ||||
| Примечания: (1)гладкие образцы диаметром 0,250 дюйма; (2)Кt=10 (d=0,252 дюйма, D=0,357 дюйма с радиусом впадины, равным 0,0010 дюйма); (3)среднее ППН/среднее ППР; (4)устойчивое значение ударной вязкости CVN образцов с продольной-поперечной ориентацией надреза; (5)среднее значение твердости, измеренной в сечении разрушенных после испытаний на ударную вязкость (CVN) образцов; (6)устойчивое значение вязкости разрушения при растяжении спрессованных образцов размером 1-1/2 дюйма с продольной-поперечной ориентацией надреза. |
Из приведенных в таблице XIA данных видно, что образцы (и гладкие, и с надрезом), изготовленные из предлагаемой в изобретении легированной стали (плавки 3 и 4), по своему пределу прочности на растяжение и по твердости практически не отличаются от образцов, изготовленных из известных сталей такого же типа (плавки Д и Е), но при этом существенно отличаются от них более высокими показателями по ударной вязкости и по вязкости разрушения. Аналогичные выводы можно сделать на основании таблицы ХIБ и относительно поперечно ориентированных образцов, хотя по некоторым показателям эти образцы и уступают продольно ориентированным образцам. Высокая ударная вязкость и вязкость разрушения стали являются очень важными ее показателями в тех случаях, когда сталь используется для изготовления различных элементов конструкции, работающих в экстремальных условиях и определяющих ее надежность.
Рассматривая в совокупности все данные, приведенные в таблицах VIIIA, VIIIБ, IX, X, XIA и ХIБ, можно сделать вывод о том, что предлагаемая в изобретении легированная сталь обладает прекрасным сочетанием таких свойств, как прочность, вязкость, пластичность и обрабатываемость (резанием).
Встречающиеся в описании термины и выражения лишь раскрывают сущность изобретения и не ограничивают его объем. Очевидно, что раскрыть сущность изобретения и отразить его отличительные признаки целиком или частично можно и другими соответствующими терминами и в других соответствующих выражениях. В этой связи необходимо также отметить, что в рамках приведенной ниже формулы изобретение допускает возможность его осуществления и в других различных видоизмененных вариантах.
Приложение 1
Способ получения плавок для сравнительного испытания
1. Были выплавлены в вакуумной/аргонной печи (R&D Laboratory) плавки весом около 30 фунтов согласно составу, представленному в таблице 1. Плавки были отлиты в отдельные слитки с квадратным поперечным сечением размером 4 на 4 дюйма.
2. Слитки нагревали до 2000°F, выдерживали в течение двух часов при температуре 2000°F и затем изготавливали промежуточный прутик с квадратным поперечным сечением размером 1-3/4 на 1-3/4 дюйма, используя 500-тонный пресс (R&D Laboratory). Полученные прутики нагревали до 2000°F и выдерживали в течение 30 минут. Затем изготавливали прутик с квадратным поперечным сечением размером 1-1/4 на 1-1/4 дюйма. Образование разрывов или трудность в получении прутика не наблюдались. Конечные длины прутика, исключая горячий верх слитка, часть которого схвачена щипцами, составляли около 45 дюймов.
3. От прутика отрезали три части по длине 12 дюймов, представляющие каждую плавку. Далее отрезанные части полученного прутика подвергали отжигу в растворе путем нагревания их до температуры 1900°F и выдержки в течение часа при этой температуре с последующей закалкой путем быстрого охлаждения водой до комнатной температуры. Раствор был приготовлен в соответствии с требованиями AMS 5659.
4. После отожженные прутики протачивали токарным станком до диаметра 0,920 дюйма (+/-0,002 дюйма) с получением для всех оцениваемых плавок прямых без окалины прутиков.
5. Два прутика посредством нагревания были состарены в режиме Н1025 (1025°F, 4 часа, холодный воздух) согласно требованиям AMS 5659. Один прутик посредством нагревания сохранялся в условии отожженного раствора.
| Таблица 2 Результаты химического анализа сравниваемых плавок | ||||||||||||||||
| элемент (мас.%)* | ||||||||||||||||
| № плавки | С | Si | Mn | Р | S | Cr | Ni | Сu | Nb | N | Мо | Zr | Аl | Та | В | |
| 761 | пример 8** | 0,016 | 0,30 | 0,79 | 0,026 | 0,004 | 15,4 | 4,73 | 3,52 | 0,29 | 0,014 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 |
| 763 | изобретение | 0,014 | 0,30 | 0,49 | 0,026 | 0,007 | 15,3 | 4,75 | 3,53 | 0,20 | 0,016 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 |
| 766 | изобретение | 0,014 | 0,30 | 0,49 | 0,025 | 0,008 | 15,3 | 4,74 | 3,55 | 0,25 | 0,014 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 | <0,01 |
| *Остальное Fe **Японская патентная заявка №5-112849 |
| Таблица 3 Результаты проверки резца токарного станка при обработке 23,4-миллиметровых в диаметре прутиков в режиме Н1025 | |||||||||
| выбираемые элементы | скорость съема материала (см3/сек) | поломка резца | |||||||
| № плавки | Мn (мас.%) | S (мас.%) | Nb (мас.%) | скорость (об./с.) | подача (мм на об) | расстояние (мм) | время (с) | объем снятого металла (см3) | |
| 761 | 0,79 | 0,004 | 0,29 | 12,33 | 0,017 | 810 | 35.3 | 17.1 | 3.83 |
| (JP 05-112849 пример 8) | 35,1 | 17,0 | 3,82 | ||||||
| среднее значение | 35,2 | 17,1 | 3,83 | ||||||
| 763 (изобретение) | 0,49 | 0,007 | 0,20 | 12,33 | 0,017 | 810 | 53,1 46,2 | 25,7 22,3 | 5,77 5,01 |
| среднее значение | 49,7 | 24,0 | 5,39 | ||||||
| 766 (изобретение) | 0,49 | 0,008 | 0,25 | 12,33 | 0,017 | 810 | 46,7 46,2 | 22,6 22,3 | 5,08 5,01 |
| среднее значение | 46,5 | 22,5 | 5,05 |
1. Дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, молибден, медь, ниобий, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор, алюминий и тантал, мас.%:
Углерод Не более 0,030
Марганец Не более 0,50
Кремний Не более 1,00
Фосфор Не более 0,030
Сера 0,007-0,015
Хром 14,00-15,50
Никель 3,50-5,50
Молибден Не более 1,00
Медь 2,50-4,50
Ниобий и тантал в сумме (содержание углерода) ×5-0,25
Алюминий Не более 0,05
Бор Не более 0,010
Азот Не более 0,030
Железо и обычные примеси Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не менее 0,010 мас.% углерода.
3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не более 0,013 мас.% серы.
4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не более 15,25 мас.% хрома.
5. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не менее 4,00 мас.%. никеля.
6. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не более 0,50 мас.% молибдена.
7. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не более 0,025 мас.% азота.
8. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит не более 4,00 мас.% меди.
9. Дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, молибден, медь, ниобий, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор, алюминий и тантал, мас.%:
Углерод Не более 0,025
Марганец Не более 0,50
Кремний Не более 0,50
Фосфор Не более 0,030
Сера 0,007-0,015
Хром 14,00-15,50
Никель 3,50-5,50
Молибден Не более 0,50
Медь 2,50-4,50
Ниобий и тантал в сумме (содержание углерода) ×5-0,25
Алюминий не более 0,025
Бор не более 0,005
Азот не более 0,025
Железо и обычные примеси Остальное
10. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не менее 0,010 мас.% углерода.
11. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не более 0,013 мас.% серы.
12. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не более 15,25 мас.% хрома.
13. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не менее 4,00 мас.%. никеля.
14. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не более 0,20 мас.% ниобия.
15. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит неменее 0,010 мас.% азота.
16. Сталь по п.9, отличающаяся тем, что она содержит не более 4,00 мас.% меди.
17. Дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, молибден, медь, ниобий, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор, алюминий и тантал, мас.%:
Углерод 0,010-0,025
Марганец Не более 0,50
Кремний Не более 0,50
Фосфор Не более 0,025
Сера 0,007-0,013
Хром 14,25-15,25
Никель 4,00-5,50
Молибден Не более 0,50
Медь 2,50-4,50
Ниобий и тантал в сумме (содержание углерода) ×5-0,20
Алюминий Не более 0,025
Бор Не более 0,005
Азот 0,010-0,025
Железо и обычные примеси Остальное
18. Изделие из дисперсионно-твердеющей мартенситной нержавеющей легированной стали, отличающееся тем, что оно изготовлено из стали, содержащей, мас.%:
Углерод Не более 0,030
Марганец Не более 0,50
Кремний Не более 1,00
Фосфор Не более 0,030
Сера 0,007-0,015
Хром 14,00-15,50
Никель 3,50-5,50
Молибден Не более 1,00
Медь 2,50-4,50
Ниобий и тантал в сумме (содержание углерода) ×5-0,25
Алюминий Не более 0,05
Бор Не более 0,010
Азот Не более 0,030
Железо и обычные примеси Остальное
а после упрочнения при старении изделие обладает сочетанием таких свойств, как обрабатываемость, твердость, прочность, пластичность и вязкость.
19. Изделие из стали по п.18, отличающееся тем, что оно изготовлено из стали, содержащей не более 0,020 мас.% углерода.
20. Изделие из стали по п.18, отличающееся тем, что оно изготовлено из стали, содержащей не более 0,20 мас.% ниобия и тантала в сумме.
