Способ криогенно-деформационной обработки стали
Владельцы патента RU 2394922:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина") (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам обработки коррозионно-стойких аустенитных сталей, и может быть использовано, например, для изготовления тяжелонагруженных деталей в машиностроении. Для получени стали с высокими прочностными характеристиками, удовлетворительной пластичностью и высокой стойкостью к циклическим нагрузкам осуществляют выплавку стали, содержащей, мас.%: углерод 0,01-0,20; хром 13,0-18,0; никель 5,0-10,0; ванадий 3,0-6,0, молибден 3,0-6,0, марганец 3,0-6,0, титан 0,1-2,0; алюминий до 0,3; кремний до 0,3; медь до 0,2; серу до 0,03; фосфор до 0,03; железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении условия: сумма ванадия и молибдена 7,0-11,0, сумма никеля и марганца 9,0-15,0; закалку, пластическую деформацию при криогенных температурах в несколько стадий с суммарной степенью деформации 50-90%, низкотемпературный отпуск после каждой стадии при температуре 220-270°С и высокотемпературный отпуск на заключительной стадии обработки заготовок. 2 табл.
Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к способам деформационной обработки коррозионно-стойких сталей с мартенситным и диффузионным превращениями при криогенных температурах, и может быть использовано, например, при изготовлении тяжелонагруженных деталей в машиностроении и энергомашиностроении.
Известен способ деформационной обработки сталей, включающий закалку, пластическую деформацию при жидком азоте и отпуск (Патент РФ № 2287592, C21D 8/00, 28.07.2005 г.). Основными недостатками указанного способа являются низкие прочностные характеристики обработанных сталей и применение отпуска в упруго-напряженном состоянии, что требует использования специального оборудования и существенно ограничивает размер, в частности длину, обрабатываемых заготовок.
Прототипом заявленного изобретения по технической сущности является способ криогенно-деформационной обработки стали, включающий закалку, пластическую деформацию в несколько стадий при температуре жидкого азота, низкотемпературный отпуск после каждой стадии и высокотемпературный отпуск на заключительной стадии обработки заготовок (Патент РФ № 2365633, C21D 8/00, 24.06.2008 г.). Применение данного способа приводит к повышению прочности и эксплуатационной надежности стали. Недостатками данного изобретения являются относительно невысокие прочностные характеристики сталей и невысокая стойкость к циклическим нагрузкам.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение коррозионно-стойких сталей с высокими прочностными характеристиками, удовлетворительной пластичностью и высокой стойкостью к циклическим нагрузкам.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе деформационной обработки стали, включающем закалку, пластическую деформацию при криогенных температурах в несколько стадий, низкотемпературный отпуск после каждой стадии и высокотемпературный отпуск на заключительной стадии обработки заготовок, согласно изобретению обрабатывают сталь, содержащую следующие компоненты, мас.%:
| Углерод | 0,01-0,20 |
| Хром | 13,0-18,0 |
| Никель | 5,0-10,0 |
| Ванадий | 3,0-6,0 |
| Молибден | 3,0-6,0 |
| Марганец | 3,0-6,0 |
| Титан | 0,1-2,0 |
| Алюминий | до 0,3 |
| Кремний | до 0,3 |
| Медь | до 0,2 |
| Сера | до 0,03 |
| Фосфор | до 0,03 |
| Железо и неизбежные | |
| примеси | Остальное |
при выполнении условия: сумма ванадия и молибдена равна 7,0-11,0, сумма никеля и марганца равна 9,0-15,0,
пластическую деформацию осуществляют с суммарной степенью деформации 50-90%, а низкотемпературный отпуск проводят при температуре 220-270°С.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются:
- выплавка аустенитной коррозионно-стойкой стали заданного химического состава;
- пластическая деформация стали с суммарной степенью деформации 50-90%;
- проведение низкотемпературного отпуска при температуре 220-270°С.
Эти отличительные признаки в совокупности с оптимальным химическим составом коррозионно-стойкой стали позволяют получить наноструктурное состояние аустенитно-мартенситной матрицы с высокими прочностными характеристиками, низким уровнем внутренних микронапряжений и высокой стойкостью к циклическим нагрузкам.
Химический состав стали выбран после детальных экспериментов по криогенной деформации аустенитных сталей с различным содержанием легирующих элементов. Содержание углерода в интервале 0,01-0,20% обеспечивает карбидное упрочнение при термической обработке стали. При более низком содержании углерода образование карбидов не происходит, при более высоком наблюдается снижение пластичности стали. Хром вводится в состав в пределах 13,0-18,0% для получения коррозионной стойкости стали: при более низком содержании коррозионная стойкость не достигается, при более высоком не происходит превращения аустенита в мартенсит после деформации при криогенных температурах. Содержание никеля в интервале 5,0-10,0% и марганца в интервале 3,0-6,0% при условии, что их сумма равна 9,0-15,0%, обеспечивает формирование аустенита после закалки и его частичное превращение в мартенсит при криогенной деформации. При содержании никеля и марганца за пределами указанных интервалов данный эффект не наблюдается. Ванадий и молибден вводятся в сталь в количестве 3,0-6,0% каждый при выполнении условия, что их сумма равна 7,0-11,0%, с целью обеспечения образования упрочняющих интерметаллидов при высокотемпературном отпуске. Титан вводится в сталь в количестве 0,1-2,0% для обеспечения дополнительного выделения упрочняющих интерметаллидных фаз при высокотемпературном отпуске. При его содержании менее 0,1% объемная доля интерметаллидов при высоком отпуске мала и упрочнение неэффективно. При его содержании более 2,0% наблюдается снижение пластичности и охрупчивание стали. Именно тот химический состав стали, который указан в заявке, обеспечивает наиболее интенсивное формирование в аустенитной матрице нанокристаллической мартенситной фазы в процессе деформации при криогенных температурах. Как следствие, именно такой состав приводит к наиболее заметному упрочнению стали, содержащей после деформации аустенитную фазу и наномасштабные кристаллы мартенсита, то есть имеющей двухфазную аустенитно-мартенситную структуру. Наличие исходной аустенитной фазы обеспечивает достаточную пластичность сплава, хотя размер фрагментов аустенита также находится в нанометрическом диапазоне. Предлагаемый химический состав, как показали проведенные исследования, обеспечивает также выделение при высокотемпературном отпуске ультрадисперсных (нанокристаллических) интерметаллидных фаз, что приводит к дополнительному упрочнению. Выделение интерметаллидов происходит в стали и без деформационной обработки, однако после деформационной обработки дисперсность и объемная доля частиц фаз увеличивается и, как следствие, упрочнение повышается.
Пластическая деформация стали с суммарной степенью деформации 50-90% обеспечивает формирование нанокристаллической структуры, что приводит к значительному повышению прочностных характеристик. Обработка с меньшими степенями деформации не позволяет получить фрагментированную структуру и наноструктурное состояние и, как следствие, не обеспечивает получение высоких показателей прочности и твердости. Деформация проводится по крайней мере в две стадии в сочетании с низкотемпературным отпуском, так как это позволяет избежать снижения пластичности, повышения внутренних микронапряжений и снижения стойкости к циклическим нагрузкам.
Проведение низкотемпературного отпуска после каждой стадии деформации является обязательной операцией, так как обеспечивает значительное снятие внутренних микронапряжений, вызванных деформационной обработкой, и способствует повышению эксплуатационной надежности деталей. Отпуск в температурном интервале при 220-270°С приводит к более существенному снятию внутренних напряжений, чем при температурах ниже 200°С.
При высокотемпературном отпуске на заключительной стадии обработки происходит выделение дисперсных интерметаллидных фаз, что приводит к дополнительному упрочнению и повышению показателей прочности и твердости после обработки стали по предложенному способу.
Эффективность применения данного изобретения можно продемонстрировать на следующих примерах.
Пример 1. Плавку аустенитной стали с химическим составом, мас.%: 0,15 С, 14,5 Cr, 9,8 Ni, 3,3 V, 4,5 Mo, 0,8 Ti, 4,0 Mn, 0,2 Al, 0,17 Si, 0,1 Cu, 0,005 S, 0,01 P, ΣV+Mo=7,8, Σ Ni+Mn=13,8 (остальное - железо и неизбежные примеси), выплавляли вакуумно-индукционным способом, проводили гомогенизацию и зачистку слитков, слитки ковали при температуре 1050-950°С на пруток квадратного сечения. Пруток квадрат 12 мм подвергали закалке от 1000°С на воздухе, проводили деформацию с помощью прокатки при температуре жидкого азота -196°С за два прохода (в две стадии) с суммарной степенью деформации ε=50% (с 12 до 6,0 мм), после каждого прохода осуществляли низкотемпературный отпуск при температуре 220°С в течение 1 ч, на заключительной стадии обработки проводили высокотемпературный отпуск при температуре 480°С в течение 2 ч. В табл.1 приведены данные рентгенографического исследования стали после обработки по предлагаемому способу. Результаты определения механических свойств образцов из стали, обработанной по предлагаемому способу, приведены в табл.2, п.1.
Пример 2. Плавку аустенитной стали с химическим составом, мас.%: 0,17 С, 13,8 Cr, 6,8 Ni, 4,1 V, 4,6 Mo, 3,7 Mn, 0,9 Ti, 0,15 Al, 0,12 Si, 0,1 Cu, 0,01 S, 0,01 P, ΣV+Mo=8,7, ΣNi+Mn=10,5 (остальное - железо и неизбежные примеси), выплавляли вакуумно-индукционным способом, проводили гомогенизацию и зачистку слитков, слитки ковали при температуре 1050-950°С на пруток квадратного сечения. Пруток квадрат 12 мм подвергали закалке от 1000°С на воздухе, проводили деформацию с помощью прокатки при температуре жидкого азота -196°С за три прохода (в три стадии) с суммарной степенью деформации ε=90% (с 12 мм до 2,5 мм), после каждого прохода осуществляли низкий отпуск при температуре 260°С в течение 1 ч, на заключительной стадии обработки проводили высокотемпературный отпуск при температуре 530°С в течение 2 ч. Результаты испытания образцов из стали, обработанной по предлагаемому способу с помощью прокатки, приведены в табл.2, п.2.
Проведено изучение связи изменений структуры и механических свойств предложенной стали после криогенно-деформационной обработки.
Электронно-микроскопическое исследование предложенной стали показало, что после деформации в структуре аустенита, имеющего фрагменты до 90 нм, наблюдаются также нанокристаллы мартенсита размером до 60 нм в длину и до 30 нм по толщине, а после высокотемпературного отпуска при 480°С, 2 ч - дополнительно и интерметаллидные нанофазы Ni3V, Fe2Mo и Ni3Ti размером до 20 нм. Они выделяются, главным образом, на межфазных границах и внутри фрагментов аустенитных и мартенситных кристаллов. В совокупности появление в структуре трех нанокристаллических фаз различной природы приводит к существенному возрастанию твердости при сохранении удовлетворительной пластичности стали.
В табл.1 приведены данные рентгенографического анализа предложенной стали после деформации 50%. Видно, что в структуре появилось значительное количество мартенсита (около 30%). Таким образом, после пластической деформации при температуре жидкого азота -196°С (криогенной температуре) формируется двухфазная нанокристаллическая аустенитно-мартенситная структура, в которой после высокотемпературного отпуска выделяются упрочняющие интерметаллидные фазы.
Проведено сравнение механических свойств предложенной стали и стали, обработанной по прототипу и имеющей соответствующий химический состав, который включает закалку от 1050°С, деформацию методом прокатки при температуре жидкого азота 77 К (-196°С) до ε=70%, отпуск при 200°С и при 530°С в течение 1 ч. Результаты испытаний образцов из аустенитной стали, обработанной по прототипу, приведены в табл.2, п.3.
Полученные результаты (табл.2) свидетельствуют о том, что обработка аустенитной стали по предлагаемому способу в сравнении с прототипом позволяет повысить прочностные характеристики стали: в частности, предел прочности σB и предел текучести σ0,2 увеличиваются на 10-15%, при некотором повышении твердости. Кроме того, обработка по предлагаемому способу увеличивает стойкость к циклическим нагрузкам на 20-25%, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности деталей.
| Таблица 1 | ||
| Количество аустенита и мартенсита в структуре аустенитной стали, изготовленной и обработанной по предлагаемому способу | ||
| № | % об. γ-фазы | % об. α-фазы |
| 1 | 73.2±0.2 | 27.8±0.2 |
| 2 | 67.5±0.2 | 32.5± 0.2 |
| Примечание: | ||
| 1 - закалка, деформация при температуре жидкого азота за 2 прохода (в две стадии), ε=50%, отпуск после каждого прохода при 220°С, 1 ч | ||
| 2 - закалка, деформация при температуре жидкого азота за 2 прохода (в две стадии), ε=50%, отпуск после каждого прохода при 220°С, 1 ч + отпуск на заключительной стадии при 500°С, 2 ч |
| Таблица 2 | |||||||
| Механические свойства аустенитной стали, изготовленной и обработанной по предлагаемому способу, и аустенитной стали, обработанной по прототипу. | |||||||
| № | Способ обработки | ε, % | σB, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | HRC | Число циклов до разрушения при σmax=1100 МПа |
| 1 | По предлагаемому способу | 50 | 2100 | 1700 | 10 | 65 | 43000 |
| 2 | 90 | 2200 | 1800 | 9 | 69 | 41000 | |
| 3 | По прототипу | 70 | 2000 | 1600 | 8 | 64 | 35000 |
| Примечание: | |||||||
| ε - степень деформации при температуре жидкого азота, σB - предел прочности, σ0,2 - предел текучести, δ - относительное удлинение, HRC - твердость по Роквеллу |
Способ криогенно-деформационной обработки заготовок стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,01-0,20 |
| хром | 13,0-18,0 |
| никель | 5,0-10,0 |
| ванадий | 3,0-6,0 |
| молибден | 3,0-6,0 |
| марганец | 3,0-6,0 |
| титан | 0,1-2,0 |
| алюминий | до 0,3 |
| кремний | до 0,3 |
| медь | до 0,2 |
| сера | до 0,03 |
| фосфор | до 0,03 |
| железо и неизбежные | |
| примеси | остальное, |
при выполнении условия: сумма ванадия и молибдена равна 7,0-11,0, а сумма никеля и марганца равна 9,0-15,0, включающий закалку, пластическую деформацию заготовки при криогенных температурах в несколько стадий с суммарной степенью деформации 50-90%, низкотемпературный отпуск после каждой стадии при температуре 220-270°С и высокотемпературный отпуск на заключительной стадии обработки заготовки.
