Высокопрочная мартенситностареющая сталь и изделие, выполенное из нее

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной мартенситностареющей стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей большого сечения, работающих от -70°С до 400°С. Сталь содержит углерод, никель, кобальт, молибден, титан, алюминий, бор, кальций, магний, лантан, иттрий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,002-0,03, никель 17,0-19,0, кобальт 7,5-8,5, молибден 4,6-5,6, титан 0,3-0,6, алюминий 0,001-0,15, бор 0,001-0,005, кальций 0,001-0,03, магний 0,001-0,03, лантан 0,015-0,05, иттрий 0,015-0,05, железо - остальное. Повышается коррозионная стойкость, пластичность, вязкость и сопротивление усталости при сохранении высокой прочности. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочной мартенситностареющей стали, обладающей наряду с высокой прочностью высокими значениями пластичности, вязкости, усталости и сопротивлением коррозионному растрескиванию.

Сталь предназначена для изготовления высоконагруженных деталей большого сечения, работающих от -70 до 400°С, например валы двигателей, детали шасси, крыла и другие детали, применяемые в авиационной технике и в машиностроении.

Известна высокопрочная мартенситностареющая сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

углерод	≤0,005
никель	12-24,5
молибден	2,5-12
кобальт	4,17-20
алюминий	≤0,15
марганец	≤0,1
кремний	≤0,1
титан	≤0,1
сера	≤0,003
фосфор	≤0,01
водород	≤0,0003
кислород	≤0,001
азот	≤0,003
железо	остальное

(патент США №6663730).

Данная сталь обеспечивает высокую прочность σ_В=1850 МПа только с применением перед закалкой дополнительной 30% пластической деформации и поэтому не может быть использована для изготовления деталей крупного сечения из поковок и штамповок.

Известна мартенситностареющая сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,005-0,02
никель	15-20
кобальт	11,5-13,5
молибден	3,5-5,0
титан	0,5-2,0
алюминий	0,05-1,80
бор	0,001-0,005
РЗМ	0,001-0,010
железо	остальное

(патент РФ 2219276).

Сталь предназначена для изготовления тонких листов, бесшовных труб, применяемых для изготовления сильфонов. Основными требованиями, предъявляемыми к стали, являются хорошая штампуемость листа в холодном состоянии, высокая прочность и ползучесть.

Из-за высокого уровня прочностных свойств (σ_В=2200-2400 МПа) не достигается комплекс физико-механических свойств, необходимый для деталей авиационной техники большого сечения, а именно сочетание высокой прочности с хорошей вязкостью, пластичностью и высоким сопротивлением стали коррозионному растрескиванию и усталости.

В состав стали введены РЗМ в количестве (0,001-0,010)% для раскисления ее при выплавке, что является недостаточным для модифицирования стали, улучшения состояния границ зерен, ответственных за сопротивление стали коррозионному растрескиванию.

Кроме того, сталь содержит повышенное количество кобальта, что значительно удорожает ее.

Известна мартенситностареющая сталь, имеющая следующий химический состав (мас.%):

углерод	≤0,008
марганец	≤3,0
фосфор	≤0,01
сера	≤0,005
кремний	≤2,0
никель	12-22
молибден	3-7
кобальт	≤7,0
титан	≤0,1
алюминий	≤2,0
азот	≤0,005
кислород	≤0,003
бор	≤0,01
ниобий	≤1,0
тантал	≤2,0
вольфрам	≤2,0
ниобий + тантал + вольфрам	≤0,5
железо	остальное

(патент ЕР №1111080).

Сталь предназначена для изготовления деталей из полосы и не пригодна для изготовления деталей крупного сечения.

Кроме того, присутствие в составе сталей большого содержания кремния и марганца (более 0,1% каждого) и небольшое количество кобальта уменьшает ее пластичность и вязкость, особенно при отрицательных температурах, повышает склонность стали к хрупкому разрушению, снижает прочность надрезанных образцов.

Наиболее близкой по химическому составу и прочностным свойствам к предлагаемой стали является высокопрочная мартенситностареющая сталь, принятая за прототип.

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	≤0,03
никель	6-11
кобальт	7-11
молибден	4-9
титан	0,1-1,0
алюминий	0,05-0,15
бор	≤0,10
цирконий	до 0,10
кремний	до 0,10
марганец	до 0,10
кальций	до 0,10
хром	8,1-9,0
фосфор	до 0,010
сера	до 0,010
железо	остальное

(патент Японии №7243003).

Сталь применяется для деталей небольшого сечения общего назначения, где требования по коррозионной стойкости отсутствуют.

Недостатком этой стали и изделий, выполненных из нее, является низкая коррозионная стойкость, вязкость при низких температурах. Высокое содержание молибдена вызывает пограничные выделения фазы Лавеса, что приводит к охрупчиванию и снижению характеристик надежности.

Технической задачей настоящего изобретения является создание высокопрочной мартенситностареющей стали с высокой коррозионной стойкостью, пластичностью, вязкостью, сопротивлением усталости и обеспечивающей надежность изделий, выполненных из этой стали.

Для достижения поставленной задачи предложена высокопрочная мартенситностареющая сталь, содержащая железо, углерод, никель, кобальт, молибден, титан, алюминий, бор, кальций, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний, лантан, иттрий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

углерод	0,002-0,03
никель	17-19
кобальт	7,5-8,5
молибден	4,6-5,6
титан	0,3-0,6
алюминий	0,001-0,15
бор	0,001-0,005
кальций	0,001-0,03
магний	0,001-0,03
лантан	0,015-0,05
иттрий	0,015-0,05
железо	остальное

и изделие, выполненное из нее.

Подобранное соотношение компонентов позволяет получить мартенситную структуру и после старения обеспечить при прочности не менее 1765 МПа высокую пластичность, вязкость, характеристики надежности (коррозионную стойкость и сопротивление усталости) стали и изделия, выполненного из нее.

Микролегирование стали лантаном и иттрием, кальцием и магнием в заданном количестве измельчает размер зерен в стали, улучшает состояние их границ, изменяет морфологию и распределение неметаллических включений, переводя их в мелкие глобулярные включения, и тем самым эффективно повышает коррозионную стойкость, усталость при высокой вязкости и пластичности.

Пример осуществления изобретения

Опытные стали в пределах заявленного состава, а также прототип выплавляли в лабораторных условиях в вакуумно-индукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом (таблица 1).

Термическая обработка осуществлялась по стандартным режимам, принятым для деталей крупного сечения.

В таблице 2 представлены физико-механические свойства сталей.

Сталь после термообработки обладает следующими механическими свойствами:

предел прочности, σв	1765-1864 МПа
предел текучести, σ0,2	1665-1825 МПа
относительное сужение, ψ	57-64%
ударная вязкость, KCU	60-75 Дж/см2 при +20°С
	50-65 Дж/см2 при -70°С
предел выносливости σ-1	706-755 МПа

Сталь имеет высокое сопротивление коррозионному растрескиванию: при приложенном напряжении σ=1420 МПа сталь выдерживает без разрушения более 240 суток в камере солевого тумана КСТ-35 (5% NaCl, t=35°C).

По сравнению с известной сталью (прототип) предложенная сталь обладает более чем в 1,5 раза большими значениями ударной вязкости при t° +20 и -70°С, более высоким сопротивлением усталости, а по коррозионной стойкости превосходит прототип более чем в 9 раз.

Таким образом, применение предложенной высокопрочной мартенситностареющей стали в высоконагруженных деталях большого сечения, таких как валы двигателей, детали шасси и др., работающих в интервале температур от -70° до +400°С, позволит обеспечить их надежность и повысить ресурс изделий нового поколения.

Таблица 1 Химический состав сталей
№ п/п	Сталь	Содержание элементов, мас.%
С	Ni	Co	Mo	Ti	Al	В	La	Y	Ca	Mg	.Fe
1	Предложенная	0,02	17,0	7,5	4,6	0,3	0,15	0,001	0,015	0,015	0,001	0,01	ост.
2		0,002	17,9	8,0	5,1	0,4	0,08	0,003	0,03	0,03	0,01	0,03	ост.
3	0,03	19,0	8,5	5,6	0,6	0,001	0,005	0,05	0,05	0,03	0,001	ост.
4	Прототип*)	0,03	6,0	7,5	7,0	0,7	0,12	0,080	-	-	0,1	-	ост.
*) Cr 8,5%, Zr 0,05%, Mn≤0,1%, Si≤0,1%, P≤0,01%, S≤0,01%

Таблица 2 Физико-механические свойства стали
№ п/п	Сталь	σB	σ0,2	δ5	ψ	KCU, Дж/см2	σ-1, МПа (база 107 ц)	Коррозия под напряжением КСТ-35; σ=1420 МПа
МПа	%	+20°С	-70°С
1	Предложенная	1765	1665	12,0	64,0	75	65	706	более 240 суток без разруш.
2		1850	1800	11,0	60,0	70	60	735	более 240 суток без разруш.
3	1864	1825	10,5	57,0	60	50	755	более 240 суток без разруш.
4	Прототип	1765	1650	7,0	45,0	40	30	647	30 суток

1. Высокопрочная мартенситностареющая сталь, содержащая железо, углерод, никель, кобальт, молибден, титан, алюминий, бор, кальций, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магний, лантан, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,002-0,03
никель	17,0-19,0
кобальт	7,5-8,5
молибден	4,6-5,6
титан	0,3-0,6
алюминий	0,001-0,15
бор	0,001-0,005
кальций	0,001-0,03
магний	0,001-0,03
лантан	0,015-0,05
иттрий	0,015-0,05
железо	остальное

2. Изделие из высокопрочной мартенситностареющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.