Высокопрочная коррозионностойкая аустенитная сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению высокопрочной теплостойкой проволоки из коррозионно-стойкой аустенитной стали для изготовления упругих элементов. Коррозионно-стойкая аустенитная сталь содержит компоненты в следующем соотношении в мас.%: углерод до 0,03; хром 8-25; никель 5-18; кобальт 1,5-10; молибден 0,8-6,0; титан 0,5-1,02; алюминий 0,4-6,02; лантан или кальций 0,005-0,15; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение прочности на разрыв до 2600 МПа.

 

Изобретение относится к области металлургии, то есть к изысканию сплавов, применяемых в машиностроении для получения высокопрочной теплостойкой проволоки различных диаметров и областей применения.

Разработка высокопрочных и теплостойких сталей для упругих элементов, способных надежно противостоять воздействию агрессивных сред, является важной задачей. Имеющийся опыт создания и использования подобных материалов свидетельствует о возможности практического решения этой проблемы путем применения сталей, в том числе аустенитных, в которых требуемые свойства достигаются термомеханическим упрочнением (закалка + деформация + старение). [Грачев С.В., Бараз В.Р. Теплостойкие и коррозионно-стойкие пружинные стали. - М.: Металлургия, 1989, с.75-101].

В настоящее время для изготовления высокопрочной коррозионно-стойкой проволоки используются многие типы сплавов. Некоторые из этих сплавов являются мартенситной коррозионно-стойкой сталью, мартенситостареющей коррозионно-стойкой сталью, нелегированными углеродистыми сталями, дисперсионно-твердеющими сталями и сталями аустенитного класса.

Основным преимуществом коррозионно-стойких сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, коррозионная стойкость, пластичность).

Известны аналоги изобретения [Патент №2035524. Россия. Публикация 1995 г., кл. С 22 С 38/58. Коррозионно-стойкая сталь; Патент №2015194. Россия. Публикация 1994 г., кл. С 22 С 38/50. Сталь; Патент №2015195. Россия. Публикация. 1994 г., кл. С 22 С 38/58. Аустенитная сталь; Авторское свидетельство СССР №939537, кл. С 22 С 38/58. Аустенитная сталь; Патент №2099437. Швеция. Публикация 1994 г. кл., С 22 С 38/52. Дисперсионно-твердеющая мартенситная нержавеющая сталь], позволяющие получить высокопрочную коррозионно-стойкую сталь для изготовления проволоки, пружин и т.д.

Наиболее близкой по составу к исследуемой стали является мартенситостареющая сталь 03Х12Н8К5М2ТЮ (по ТУ 14-136-198-75), которая при изменении соотношения хрома, никеля и алюминия переходит в аустенитный класс.

В настоящее время из числа нестабильных аустенитных сталей наиболее широкое распространение в качестве коррозионно-стойких пружинных материалов получили хромникелевые стали типа 18-8. Типичными представителями этой группы являются стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т и другие, близкие им по составу. К основным достоинствам указанных сталей следует отнести коррозионную стойкость, повышенную пластичность в закаленном состоянии и склонность к заметному упрочнению в процессе пластической деформации. Они отличаются также хорошей релаксационной стойкостью при температурах до 250-300°С.

Но стали типа 18-8 имеют ряд недостатков. В некоторых особо жестких условиях нагружения недостаточными оказываются показатели прочностных свойств. В ряде случаев возникает необходимость в усилении их коррозионной стойкости.

Прототипом изобретения выбрана сталь марки 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72).

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопрочной коррозионно-стойкой стали, обладающей более высоким комплексом физико-механических свойств (прочность, коррозионная стойкость).

Поставленная задача достигается тем, что коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, никель, титан и железо, дополнительно содержит кобальт, молибден, алюминий и лантан (или кальций) при следующем соотношении компонентов: углерод 0,3%, хром 8-25%, никель 5-18%, кобальт 1,5-10%, молибден 0,8-6,0%, титан 0,5-1,02%, алюминий 0,4-6,02%, лантан (или кальций) 0,005-0,15, остальное - железо.

Содержание в стали 0,03 мас.% углерода обеспечивает достижение высокой пластичности.

При содержании хрома менее 8% не обеспечиваются коррозионные свойства нержавеющей стали. При содержании хрома более 25% в структуре стали появляется δ-феррит, который приводит к снижению механических свойств стали [Бабаков А.А., Приданцев М.В. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971, с.7].

Содержание никеля в количестве 5-18 мас.% обеспечивает необходимую устойчивость аустенита и пластичность стали в упрочненном состоянии. Никель также повышает коррозионную стойкость в слабоокисляющихся или неокисляющихся растворах химических веществ. Использование никеля как основы позволяет получить сплавы с высокой коррозионной стойкостью в сильных агрессивных кислотах [Бабаков А.А., Приданцев М.В. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1971, с.7]. Увеличение содержания никеля (по сравнению со сталями на базе 18-8 и со сталью 03Х12Н8К5М2ТЮ) приводит к снижению температурного интервала мартенситного превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при деформации. По расчетам М_н составляет 140°С, М_д=20°С.

Молибден повышает прочность, релаксационную стойкость, способствует повышению коррозионной стойкости [Грачев С. В., Бараз В.Р. Теплостойкие и коррозионно-стойкие пружинные стали. М.: Металлургия, 1989, с.75-107.; Рахштадт А.Г. Пружинные сплавы. М.: Металлургия, 1965, с.218-225].

Положительно влияет на свойства сталей комплексное легирование молибденом и кобальтом. Влияние кобальта обусловлено тем, что он уменьшает растворимость молибдена в α-железе и тем самым увеличивает объемную долю фаз, содержащих молибден, то есть повышается σ_в. [Грачев С.В., Бараз В.Р. Теплостойкие коррозионно-стойкие пружинные стали. М.: Металлургия, 1989, с.75-107]. Кобальт также повышает предел текучести [Патент №2035524. Россия. Публикация 1995 г., кл. С 22 С 38/58. Коррозионно-стойкая сталь].

Дополнительное упрочнение получается в результате дисперсионного твердения. Для этого в сталь вводят алюминий, титан. В исследуемой стали из ОЦК-фазы выделяется интерметаллид, по-видимому NiAl (по ранее проведенным исследованиям).

Определенное соотношение содержания в стали хрома и никеля, а также ферритообразующих (Мо, Al, Ti) и аустенитообразующих (С, Со) легирующих элементов, обеспечивает достижение оптимальной устойчивости аустенита. При отклонении от этого соотношения аустенит стали оказывается либо слишком неустойчивым и тогда сталь после закалки содержит мартенсит, что приводит к снижению пластичности, либо слишком устойчивым и тогда при холодной деформации возникает мало мартенсита деформации и не достигается высокая прочность [Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. 2-е изд., перераб. и дополн. М.: МИСИС, 1999, с.408].

Пример. Образцы из исследуемой стали прокатывались в проволоку по маршруту: 14,3-13,5-12,0-11,2-9,5-8,0-7,5-7,0-6,4-5,91-5,7-5,3-4,9-4,31-3,92-3,35-2,77. Предполагалось тянуть до потери пластичности, однако даже при такой чрезвычайно высокой степени холодной пластической деформации не наблюдалось падение пластичности, характеристики относительного удлинения δ и относительного сужения ψ, оставались на достаточно высоком уровне. Увеличение степени холодной пластической деформации до 94,4% позволило получить высокие значения прочности (σ_в=1480 МПа). Как показали данные рентгеноструктурного анализа, аустенит при холодной пластической деформации претерпевает мартенситное превращение и при деформации 95% количество мартенсита составляет 90%, то есть столь значительное упрочнение связано как с наклепом, так и γ→α превращением с образованием мартенсита деформации.

Исследовалось влияние температуры старения (в интервале температур от 300°С до 700°С с выдержкой при каждой температуре в течение часа) на механические свойства и фазовый состав исследуемой стали. Процессы старения изучали как на закаленных образцах стали, так и после холодной пластической деформации ε=94,4%. Наибольшее упрочнение происходит на деформированных образцах, причем максимальное упрочнение наблюдается при температурах 450-550°С.

Изучение микроструктуры исследуемой стали после старения показало, что до температур старения 450°С изменения микроструктуры не происходит. И только при старении 500-600°С наблюдается появление неоднородности структуры мартенсита, что может быть следствием распада пересыщенного твердого раствора. Эти предположения согласуются с данными рентгеноструктурного анализа, которые указывают на то, что при нагреве выше 500°С вслед за выделением из ОЦК фазы интерметаллида, по-видимому NiAl (по ранее проведенным исследованиям) происходит α→γ превращение, приводящее к увеличению количества аустенита и уменьшению количества мартенситодеформации.

Таким образом, наиболее высокий уровень прочностных и пластических свойств отвечает следующему режиму обработки: закалка + деформация - 95% + старение 450°С, t=14. Сопротивление при разрыве σ_в в этом случае достигает 2600 МПа, что примерно на 500 МПа больше, чем у стали 12Х18Н10Т.

Как показали ранее проведенные исследования, данная сталь является глубоко стабильной и даже после обработки холодом до температуры - 196°С не удалось получить в структуре мартенсит.

Таким образом, высокий уровень прочностных, релаксационных и коррозионных свойств создает возможность использования стали 03Х13Н10К5М2ТЮ0,8 в качестве материала для изготовления высокопрочной проволоки, пружин, упругих элементов и т.д.

Коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, никель, титан и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт, молибден, алюминий и лантан или кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод до 0,03

Хром 8-25

Никель 5-18

Кобальт 1,5-10

Молибден 0,8-6,0

Титан 0,5-1,02

Алюминий 0,4-6,02

Лантан или кальций 0,005-0,15

Железо Остальное