Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу высокопрочной немагнитной и коррозионно-стойкой стали, используемой в машиностроении, приборостроении, специальном судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, молибден, ванадий, кальций, селен, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,04-0,08, кремний 0,10-0,40, марганец 9,0-11,0, хром 20,0-21,0, никель 2,8-3,8, молибден 0,7-1,2, ванадий 0,15-0,25, кальций 0,005-0,010, селен 0,10-0,15, азот 0,5-0,55, железо и неизбежные примеси - остальное. Отношение концентрации углерода к содержанию азота составляет 0,07÷0,14, отношение содержаний (Cr+2Mo+4V)/(C+N)=35÷41, а для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие: [Ni]+0,1[Mn]+0,01[Mn]²+18[N]+30[C]/[Cr]+1,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]=0,62÷086, где [N], [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрации в стали азота, углерода, кремний, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно. Сталь имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температуре 1000÷1050°C с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры и мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры 1030÷1070°С. Повышаются прочностные характеристики и коррозионная стойкость. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, специальном судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники.

Известна коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая 0,03% углерода, 0,4÷0,6% азота; 23÷25% хрома; 5÷7% марганца, 16÷18% никеля и 4÷5% молибдена (сталь марки 1.4565S, Материалы конференции «High Nitrogen Steels 90», Aahen, 1990, p.155). Основным недостатком этой стали является низкая прочность, плохая свариваемость и высокое содержание дорогих и дефицитных никеля и молибдена.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является сталь 07Х21Г7АН5 (см. А.А.Бабаков, М.В.Приданцев. «Коррозионно-стойкие стали и сплавы». М.: Металлургия, 1971, с.168, ЧМТУ 393-60, ЦНИИЧМ), содержащая 0,05-0,10% углерода, до 0,7%) кремния, 0,15÷0,25% азота, 20÷22% хрома, 6÷8% марганца, 5÷6% никеля, железо и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор. Однако эта сталь обладает недостаточным уровнем прочностных свойств (σ_в=700 МПа; σ_0,2=400 МПа) для высоконагруженных деталей, а также наличием ферромагнитного δ-феррита в структуре стали, которые недопустимы для немагнитных изделий, при содержании аустенитообразующих элементов на нижнем пределе марочного состава.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании высокопрочной немагнитной коррозионно-стойкой стали.

Технический результат изобретения заключается в повышении прочностных характеристик, коррозионной стойкости и немагнитности стали.

Технический результат достигается тем, что в высокопрочную немагнитную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси дополнительно введены молибден, ванадий, селен и кальций, (см. табл.А при следующем соотношении компонентов, мас.%.

Таблица А
углерод	0.04-0.08	молибден	0.7-1.2
кремний	0.10-0.40	ванадий	0.15-0.25
марганец	9.0-11.0	кальций	0.005-0.010
хром	20.0-21.0	селен	0.10-0.15
никель	2.8-3.8	азот	0.5-0.55

неизбежные примеси и железо - стальное,

при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:

a) ,

где [N], [C], [Si], [Mn], [N], [Cr], [Mo], [V] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена и ванадия соответственно, выраженная в массовых процентах,

б) соотношение содержания углерода к содержанию азота (мас.%) должно быть в пределах - 0,07÷0,14,

в) соотношение содержания (мас.%) должно быть в пределах 35÷41,

при этом в ней формируется развитая субзеренная структура в процессе горячей пластической деформации при температурах 1000÷1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры, и сталь приобретает мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры в пределах 1030÷1070°С.

Содержание в стали углерода [С]=0,04 и азота [N]=0,5 в минимальных указанных количествах достаточно для обеспечения высокой прочности основного металла. При содержании углерода более 0,08% и азота более 0.55% соответственно, трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости из-за образования при тепловых выдержках большого количества карбида хрома типа Cr₂₃C₆, и нитридов хрома типа Cr₂N. В этом случае трудно получить не имеющий пор металл без использования повышенного давления азота под расплавом из-за ограниченной растворимости азота в металле такого состава. Для предотвращения образования карбидов хрома типа Cr₂₃C₆ отношение содержания углерода к содержанию азота не должно превышать 0,15. Введение в сталь 20-21% хрома необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 21% и никеля менее 2,8% - сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и σ-фазы.

Выполнение условия обеспечивает предотвращение образования σ-фазы в структуре стали.

С увеличением содержания никеля более 3,8% - из-за снижения растворимости азота в металле невозможно получить сталь с заданным количеством азота. Получение содержания марганца на уровне 9-11% обеспечивает стабильность аустенита по отношению к γ→α(М) превращению, повышает растворимость азота и способствует раскислению металла. Введение в сталь ванадия в количестве более 0,15% обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение прочности (за счет образования мелкодисперсных нитридов ванадия. При меньших концентрациях ванадия положительный эффект от его введения незначителен. Увеличение содержания ванадия более 0,25% приводит к снижению прочности металла из-за обеднения твердого раствора азотом в результате образования термически устойчивых нитридов ванадия, диссоциирующих в аустените при температурах выше 1150°С. При содержании молибдена более 1,2% в металле может образовываться ферромагнитная фаза (δ-феррит). Добавки кальция и селена в количествах соответственно 0,005-0,010 и 0,10-0,15%) улучшая морфологию неметаллических включений, повышают пластичность металла и его технологичность, особенно обрабатываемость резанием. Если кальция и селена в металле меньше соответственно 0,005 и 0,10% - значительного эффекта от их введения не обеспечивается, при увеличении их содержания более соответственно 0,010 и 0,15% дальнейшего улучшения свойств не достигается.

Выполнение условия:

обеспечивает получение неферромагнитной стали (µ<1,01 Гс/Э). При уменьшении значений отношения менее 0,62 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита). При значении отношения более 0,86 в стали не достигается необходимый уровень растворимости азота. Аустенит с развитой субзеренной структурой в предлагаемой стали можно получить в результате горячей пластической деформации (ковки или прокатки) при температурах 1000-1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры. Пластическая деформация при температурах ниже 1000°С снижает пластичность и ударную вязкость стали и затрудняет процесс получения качественных изделий из-за высокого сопротивления металла пластическому деформированию. Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств стали достигается при обжатии 50÷80%. Обжатия менее 50% не обеспечивают требуемый уровень прочностных свойств, а обжатия более 80% приводят к значительному снижению пластичности. Высокая скорость охлаждения в воде от температуры закалки предотвращает образование в объеме металла нитридных фаз, снижающих пластичность стали, и ферромагнитной фазы - мартенсита.

Нагрев под закалку до температур 1030÷1070°С достаточен для растворения нитридов хрома при сохранении мелкозернистой структуры из-за наличия небольшого количества трудно растворимых частиц нитридов ванадия. При температуре нагрева под закалку менее 1030°С не достигается полное растворение нитридов, ухудшается вязкость и пластичность стали. При температурах нагрева под закалку выше 1070°С увеличиваются размеры зерен аустенита в результате интенсивного растворения нитридов ванадия.

Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 50 кг. При температуре 1050°С металл ковали на прутки 13×13 мм. Структуру металла определяли на рентгеновском дифрактометре. Механические испытания проводили на машине Инстрон-1185.

После испытаний сталь имела следующие значения (σ_в=874 МПа; σ_0,2=495 МПа; δ=57%; Ψ=69,3%), результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.
Химический состав стали.
Сталь	№ плавки	Содержание элементов
N	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Ca	S	P	Se
Прототип	1	0.2	0.06	0.5	7.0	21.5	5.5	-	-	-	0.015	0.020	-
Предлагаемая	2	0.5	0.04	0.1	9.0	19.1	3.18	0.7	0.10	0.005	0.015	0.014	0.10
	3	0.51	0.04	0.26	10.7	19.9	2.9	0.9	0.17	0.006	0.004	0.017	0.11
4	0.55	0.09	0.4	11.0	21.0	3.8	1.2	0.25	0.010	0.017	0.020	0.15

Таблица 2. Механические свойства и магнитная проницаемость стали.
Сталь	№плавки	Обработка	σв, МПа	σ0,2, МП а	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	µ, Гс/Э
Прототип	1	Закалка от 1050°С	700	400	25	62	2,8	1,003
2	Закалка от1050°С	874	495	57,0	69,3	2,98	1,003
Предлагаемая		Ковка при 1050°С	1086	935	31,9	53,1	1,27	1,004
	3	Ковка при 1050°С	1106	961	31,2	52,4	1,25	1,014
4	Ковка при 1050°С	1135	986	30,0	51,3	1,19	1,007

1. Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий, кальций и селен при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,04-0,08
кремний	0,10-0,40
марганец	9,0-11,0
хром	20,0-21,0
никель	2,8-3,8
молибден	0,7-1,2
ванадий	0,15-0,25
кальций	0,005-0,010
селен	0,10-0,15
азот	0,5-0,55
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие

где [N], [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo], [V] - концентрации в стали азота, углерода, кремния, марганца, хрома, молибдена и ванадия соответственно, мас.%,
отношение концентрации углерода к содержанию азота составляет 0,07÷0,14, а отношение содержании в мас.% составляет 35÷41.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет развитую субзеренную структуру после горячей пластической деформации при температуре 1000÷1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры 1030÷1070°С.