Аустенитная коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием
Владельцы патента RU 2586934:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным коррозионно-стойким сталям, применяемым в серийном и массовом производстве деталей, работающих до 600°C. Сталь содержит, в мас.%: углерод не более 0,12, кремний 0,20-0,80, марганец 0,20-2,00, хром 17,00-19,00, никель 9,00-11,00, висмут 0,06-0,13, кальций 0,002-0,003, алюминий 0,02-0,03, сера не более 0,020, фосфор не более 0,035, молибден не более 0,30, медь не более 0,20, титан не более 0,50, ванадий не более 0,20, вольфрам не более 0,20, железо - остальное. Повышается обрабатываемость стали резанием при сохранении требуемых механических свойств металла, свариваемости и коррозионной стойкости, а также улучшается экологическая обстановка производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых в серийном и массовом производстве деталей, работающих до 600°C. Такими деталями могут быть: сварные аппараты и сосуды, работающие в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей, и другие детали, работающие под давлением при температуре от -196 до +600°C, а при наличии агрессивных сред до +350°C.
Из уровня техники известна коррозионностойкая сталь (ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные» М.: Изд-во стандартов), содержащая углерод, хром, никель и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - не более 0,12;
- хром - 17,00-19,00;
- никель - 8,00-10,00;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, масс. %:
- кремний - не более 0,80;
- марганец - не более 2,00;
- сера - не более 0,020;
- фосфор - не более 0,035;
- молибден - не более 0,30;
- медь - не более 0,40;
- титан - не более 0,50;
- ванадий - не более 0,20;
- вольфрам - не более 0,20.
Коррозионно-стойкая сталь обладает высоким сопротивлением коррозии в атмосфере воздуха, паров воды, морской воде, в кислотах, растворах солей и прочих агрессивных средах. Значительная антикоррозионная стойкость коррозионно-стойкой стали обусловлена прежде всего присутствием в ее составе повышенного количества хрома. При воздействии агрессивных сред на поверхности хромосодержащих сталей образуется тончайшая, не различимая глазом, плотная пленка окислов, обладающая свойством надежно защищать сталь от дальнейшего ее разъедания. Установлено, что удовлетворительное защитное действие пленок окислов против дальнейшей коррозии обнаруживается только в том случае, когда в стали имеется не менее 12% хрома. Поэтому коррозионно-стойкие стали всегда содержат более 12% хрома.
Обладая вполне удовлетворительной сопротивляемостью коррозии в атмосфере воздуха, водяного пара, в воде и в ряде кислот, а также в растворах многих солей, хромоникелевые коррозионно-стойкие стали характеризуются наибольшей простотой своего состава и потому находят широкое применение в технике.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- низкая степень чистоты и обрабатываемости поверхности;
- низкий срок службы инструмента;
- высокая вязкость и наклепываемость стали;
- быстрое повышение температуры на контактной поверхности сталь инструмент.
Кроме того, известна легкообрабатываемая коррозионно-стойкая селенсодержащая сталь 12Х18Н10Е (ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные» М.: Изд-во стандартов), содержащая углерод, хром, никель, селен и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - не более 0,12;
- хром - 17,00-19,00;
- никель - 9,00-11,00;
- селен - 0,18-0,35;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс. %:
- кремний - не более 0,80;
- марганец - не более 2,00;
- сера - не более 0,020;
- фосфор - не более 0,035;
- молибден - не более 0,30;
- медь - не более 0,30;
- титан - не более 0,50;
- ванадий - не более 0,20;
- вольфрам - не более 0,20.
При введении в сталь селена уменьшается площадь сдвига и деформация стружки в процессе стружкоотделения, что снижает силы резанием. Одной из причин снижения сил при резании селенсодержащей стали является снижение склонности к адгезионному схватыванию инструмента с обрабатываемым материалом, способствующее сокращению объема деформированного металла в зоне резания. Снижение склонности к адгезионному схватыванию происходит за счет защитной пленки, образующейся при резании селенсодержащей стали. Кроме того, снижение температуры в зоне резания при обработке селенсодержащей стали можно рассматривать, как следствие уменьшения силы трения между обрабатываемой сталью и инструментом.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- очевидная бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания селена больше регламентированных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железе приводит к ухудшению механических характеристик и росту их анизотропии;
- селен крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к 3 классу опасности, а селендиоксид, образующийся при разливке стали, имеет наивысший 1 класс опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция к отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды;
- содержания таких элементов, как кремний и марганец, находятся в нерегламентируемых пределах и будут оказывать отрицательное влияние на получение качественных характеристик представленной стали.
Наиболее близкой к заявляемой стали по химическому составу и механическим свойствам является аустенитная коррозионно-стойкая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, азот, алюминий, кислород и железо (ЕР 1975270, С22С 38/54, опубл. 01.10.2008) при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод - не более 0,50; кремний - 0,01-5,00; марганец - 0,01-10,00; хром - 7,50-30,00; никель - 5,00-25,00; азот - 0,01-0,10; бор - 0,002-0,100; алюминий - не более 0,30; кислород - 0,010-0,100; железо - основа.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- низкий уровень обрабатываемости стали резанием;
- содержания таких элементов, как вольфрам, ванадий, титан, медь, молибден, фосфор, сера, находятся в нерегламентируемых пределах и будут оказывать отрицательное влияние на получение качественных характеристик представленной стали;
- содержания таких элементов, как кремний, марганец, хром и никель, находятся в широких пределах и будут отрицательно сказываться на себестоимости выплавки стали и оказывать отрицательное влияние на получение качественных характеристик представленной стали.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием при сохранении требуемых механических характеристик металла, коррозионной стойкости, способности к свариваемости, равномерному распределению легирующих элементов в матрице, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая аустенитная коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, висмут, кальций, алюминий, вольфрам, молибден, ванадий, медь, титан, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод не более 0,12; кремний 0,20-0,80; марганец 0,20-2,00; хром 17,00-19,00; никель 9,00-11,00; сера не более 0,020; фосфор не более 0,035; висмут 0,06-0,13; кальций 0,002-0,003; алюминий 0,02-0,04; молибден не более 0,30; медь не более 0,20; титан не более 0,50; ванадий не более 0,20; вольфрам не более 0,20; железо - остальное.
Применение висмута и кальция для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием, никеля и хрома с целью улучшения коррозионно-стойкости, а также алюминия, имеет целый ряд преимуществ.
Во-первых, висмут выделяется в чистом виде на границах зерен и не ослабляет положительное влияние на результаты процесса со стороны фосфора и сульфидных включений. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это приводит к улучшению ее обрабатываемости резанием на 13% при сохранении требуемых механических свойств.
Во-вторых, висмут равномерно распределяется по сечению слитка.
В-третьих, для висмута не характерно явление его массопереноса в зону контакта валков с полосой стали, что улучшает их сцепление и приводит к сокращению времени простоя оборудования, связанного с переналадкой прокатного стана, увеличивая производительность обработки давлением.
В-четвертых, применение висмута способствует решению экологических проблем, имеющих место при производстве автоматных сталей. Это связано с тем, что в отличие от селендиоксида, образующегося при разливке стали и принадлежащего к 1 наивысшему классу опасности, содержание которого в атмосфере цеха ограничено среднесменной предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 0,1 мг/м3, для элементарного висмута на сегодняшний день значение ПДК в 5 раз выше.
В-пятых, висмут не снижает антикоррозионную стойкость нержавеющей стали.
В-шестых, кальций является своего рода заменителем алюминия как раскислителя и обеспечивает образование алюминатов кальция в сульфидной оболочке - комплексных оксисульфидных включений, способствует глобуризации сульфидных включений и предупреждает образование микротрещин у остроугольных включений глинозема, оказывающих положительное влияние на обрабатываемость стали.
В-седьмых, оптимальное отношение содержания кальция к содержанию алюминию, способствует образованию глобулярных, малодеформируемых неметаллических включений.
В-восьмых, оптимальное отношение содержания никеля к содержанию хрому способствует сопротивлению газовой коррозии в атмосфере двуокиси серы по границам зерен вследствие образования эвтектики сульфидов.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания висмута, кремния, марганца, кальция и алюминия, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании висмута меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания висмута по верхнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной селенсодержащей марки;
- при содержании висмута, кальция и алюминия в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 13% превышает величину обрабатываемости селенсодержащего аналога; наряду с этим сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Испытания по определению обрабатываемости стали проводили на технической базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ).
Испытания на коррозионную стойкость стали проводили согласно ГОСТ 9.308-85.
Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке одной детали.
В качестве базового уровня принята обрабатываемость резанием аустенитной коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Е, произведенной в соответствии с требованиями ГОСТ 5632-72.
Испытания на коррозионную стойкость проводили в 5% растворе серной кислоты при температуре 20°C, продолжительностью 384 часов.
Химический состав известной стали марки 12Х18Н10Е, принятой за прототип, и предлагаемой стали приведен в таблице 1. Механические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обрабатываемом состоянии (после закалки 1050…1080°C, охлаждение в воде или на воздухе), а также измеренный уровень механической обрабатываемости представлены в таблице 2.
Образец 1. Известная легкообрабатываемая коррозионно-стойкая селенсодержащая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием 12Х18Н10Е. Уровень механической обрабатываемости принят в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров селена.
Образец 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности токарной обработки стали, испытания на свариваемость и коррозионную стойкость не проводились.
Образец 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Уменьшается производительность горячей обработки металла давлением. Возрастает себестоимость выплавки стали. Оценка на обрабатываемость, испытания на свариваемость и коррозионную стойкость не производились.
Образец 4. Содержание висмута меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного прототипа. Испытания на свариваемость и коррозионную стойкость не проводились.
Образец 5. Содержание висмута в стали больше верхнего предела. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с механической обрабатываемостью ее прототипа. Испытания на свариваемость и коррозионную стойкость не проводились.
Образец 6. Содержание серы, фосфора и меди находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют предельно допустимым значениям, установленным требованиями для селенсодержащего прототипа.
Образец 7. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за нижнюю регламентированную границу. Размер зерна ниже регламентируемого. Происходит зарастание стаканчиков на машине непрерывной разливки стали (далее МНЛЗ). Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного прототипа. Испытания на свариваемость и коррозионную стойкость не проводились.
Образец 8. Соотношение между содержанием кальция и алюминия находится на уровне нижнего предела из указанного диапазона. Размер зерна соответствует техническим условиям. Не происходит зарастание стаканчиков на МНЛЗ. Уровень обрабатываемости выше известного прототипа.
Образец 9. Соотношение между содержанием кальция и алюминия имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 10. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за верхнюю установленную границу. Сталь не соответствует техническим условиям.
Образец 11. Соотношение между содержанием никеля к хрому не выходит за верхнюю установленную границу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств среднеуглеродистой хромомолибденовой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 13% выше, чем у известного прототипа.
Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предлагаемой стали с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла, коррозионной стойкости, свариваемости и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.
Аустенитная коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, висмут, кальций, алюминий, вольфрам, молибден, ванадий, медь, титан, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | не более 0,12 |
| Кремний | 0,20-0,80 |
| Марганец | 0,20-2,00 |
| Хром | 17,00-19,00 |
| Никель | 9,00-11,00 |
| Сера | не более 0,020 |
| Фосфор | не более 0,035 |
| Висмут | 0,06-0,13 |
| Кальций | 0,002-0,003 |
| Алюминий | 0,02-0,04 |
| Молибден | не более 0,30 |
| Медь | не более 0,20 |
| Титан | не более 0,50 |
| Ванадий | не более 0,20 |
| Вольфрам | не более 0,20 |
| Железо | остальное |
