Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь

Авторы патента:

Каблов Евгений Николаевич (RU)

Елисеев Эдуард Анатольевич (RU)

Леонов Александр Владимирович (RU)

Шестаков Илья Иннокентьевич (RU)

Тонышева Ольга Александровна (RU)

Вознесенская Наталья Михайловна (RU)

Громов Валерий Игоревич (RU)

Шалькевич Андрей Борисович (RU)

C22C38/52 - с кобальтом

Владельцы патента RU 2611464:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионно-стойким сталям аустенитно-мартенситного класса, предназначенным для изготовления высоконагруженных силовых деталей планера, силового крепежа, деталей шасси авиационной техники. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,16-0,19, хром 11,5-12,5, никель 3,5-4,0, молибден 2,3-2,5, кремний 1,5-2,0, кобальт 5,5-6,5, азот 0,07-0,10, марганец 0,2-0,4, иттрий 0,00001-0,05, церий 0,00001-0,05, лантан 0,00001-0,05, неодим 0,00001-0,05, железо – остальное. Сумма концентраций углерода и азота составляет 0,26-0,29 мас.%. Повышается ударная вязкость и сопротивление повторным нагрузкам, снижается скорость развития трещины усталости при сохранении высокого значения предела прочности. 2 табл.

Из спецификации AMS 5744, 04.01.1993 известна коррозионно-стойкая сталь AM 355 (США) для силовых деталей машин, в том числе самолетных конструкций, содержащая, мас.%:

С	0,10-0,15
N	0,07-0,13
Cr	15,00-16,00
Ni	4,00-5,00
Mo	2,50-3,25
Mn	0,50-1,25
Si	до 0,030
Fe	остальное

Недостатком стали являются пониженные значения относительного сужения и ударной вязкости с острым надрезом.

Из /US 4450006 А, 22.05.1984/ известна высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, упрочненная азотом, содержащая, мас. %:

углерод	0,15-0,50
медь	1,0-3,0
хром	13,0-17,0
кремний	до 0,5
кобальт	5,5-6,5
азот	0,02-0,1
марганец	до 2,0
железо	остальное

Недостатком стали является то, что она не сбалансирована по фазовому составу, в результате чего имеется большой разброс по пределу прочности.

Из /SU 1723185 А1, 30.03.1992/ известна хромомарганцевая сталь переходного (аустенитно-мартенситного) класса, содержащая, мас. %:

углерод	0,12-0,2
хром	11,8-12,9
марганец	6,6-6,9
кремний	1,1-2,0
алюминий	0,01-0,028
кальций	0,055-0,08
железо	остальное

Недостатком стали является низкий предел текучести (σ_0,2) из-за высокого содержания остаточного аустенита (40-50%) после упрочняющей термообработки. Сталь не сбалансирована по фазовому составу.

Из /SU 829716 А1, 15.05.1981/ известна коррозионно-стойкая сталь переходного класса 18Х14Н4АМ3, содержащая, мас. %:

углерод	0,17-0,20
хром	13-14,5
никель	4,0-4,5
молибден	2,3-2,5
азот	0,05-0,10
марганец	0,1-1,0
кремний	0,1-0,7
железо	остальное

Недостатком стали является недостаточная прочность для таких узлов, как шасси самолета, а также пониженные значения коэффициента интенсивности напряжений (K_IC).

Наиболее близким аналогом является сталь, раскрытая в /RU 2164546 С2, 27.03.2001/, следующего химического состава, мас. %:

С	0,18-0,21
Cr	13,0-14,0
Ni	4,0-4,5
Mo	2,3-2,8
Si	1,7-2,5
Co	3,5-4,5
N	0,06-0,09
Mn	0,1-1,0
Y	0,001-0,05
Ce	0,001-0,05
La	0,001-0,05
Fe	остальное

при этом сумма Y+Ce+La≤0,1 мас. %.

Недостатком стали-прототипа является повышенное количество остаточного аустенита (15-20%), что снижает значения прочности при малоцикловой усталости, а повышенное содержание углерода снижает ударную вязкость стали, особенно при отрицательных температурах.

Техническим результатом предложенного изобретения являются увеличение значений ударной вязкости, сопротивления повторным нагрузкам (малоцикловой усталости), снижение скорости развития трещины усталости (СРТУ) при сохранении высокого значения предела прочности, а также уменьшение содержания в стали вредных примесей серы и кислорода.

Для достижения технического результата предложена высокопрочная коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного класса, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кремний, азот, марганец, кобальт, иттрий, церий, лантан, железо, при этом сталь дополнительно содержит неодим при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод	0,16-0,19
хром	11,5-12,5
никель	3,5-4,0
молибден	2,3-2,5
кремний	1,5-2,0
кобальт	5,5-6,5
азот	0,07-0,10
марганец	0,2-0,4
иттрий	0,00001-0,05
церий	0,00001-0,05
лантан	0,00001-0,05
неодим	0,00001-0,05
железо	остальное

при этом сумма концентраций углерода и азота составляет 0,26-0,29 мас. %, а соотношение компонентов, определяющих фазовый состав стали в литом состоянии, определяется выражениями:

Cr^м_экв= 20-[мас. % Cr+1,5 × мас. % Ni+0,7 × мас. % Si+0,75 × мас. % Mn + 30-32 × (мас. % С + мас. % N)+0,6 × мас. % Мо+0,2 × мас. % Со]=(-8) - (-11);

Cr^ф_экв= мас. % Cr - 1,5 × мас. % Ni+2 × мас. % Si - 0,75 × мас. % Mn - 28 × (мас. % С + мас. % N) + мас. % Мо - 0,6 × мас. % Со=0,8-1,7,

где Cr^ф_экв - хромовый эквивалент мартенситообразования,

Cr^ф_экв - хромовый эквивалент ферритообразования.

Фазовый состав стали в литом состоянии определяется по структурной диаграмме деформируемых нержавеющих сталей (Потак Я. М, Сагалевич Е.А. Структурная диаграмма деформируемых нержавеющих сталей // МиТОМ. 1971. №9. С.12-16).

Подобранное соотношение легирующих элементов позволяет получить в литом состоянии 30-50% аустенита, а после упрочняющей термической обработки - получить структуру без дельта-феррита, ухудшающего механические свойства, и заданное соотношение мартенсита и аустенита (85-90% мартенсита и 10-15% остаточного аустенита), обеспечивая высокий уровень механических и коррозионных свойств.

Легирование стали повышенным содержанием (по сравнению с прототипом) кобальта, являющегося упрочнителем твердого раствора, и подобранный фазовый состав стали позволяют получить при высокой прочности (σ_в≥1760 МПа) высокое сопротивление повторным нагрузкам.

Микролегирование редкоземельными элементами (РЗМ) Y, Се, La в указанном соотношении позволяет снизить содержание неметаллических включений и перевести их в глобулярную форму.

Дополнительное введение в сталь неодима уменьшает содержание вредных примесей, преимущественно оксидов, за счет высокой степени сродства неодима к кислороду. В процессе выплавки неодим связывает вредные примеси, в частности кислород, в химические соединения, часть которых всплывает на поверхность расплава и удаляется вместе со шлаком. Вследствие этого в металле значительно снижается количество концентраторов напряжений, что приводит к повышению предела выносливости при малоцикловой усталости. Кроме того, РЗМ, являясь центрами кристаллизации, способствуют получению мелкого зерна до 5-6 балла.

Снижение нижнего предела по углероду и повышение верхнего предела по азоту по сравнению с прототипом при сумме концентраций углерода и азота 0,26-0,29 мас. % и легирование РЗМ, которые снижают содержание вредных примесей и измельчают зерно, позволяют увеличить значения ударной вязкости KCV и снизить скорость роста трещины усталости при высоких значениях предела прочности стали.

Примеры осуществления

Предлагаемую сталь и сталь-прототип приготавливали в одинаковых условиях.

В открытую индукционную печь загружали шихтовые материалы исходных компонентов, после чего проводились плавки, в конце каждой из которых в расплав вводили редкоземельные металлы в количестве 0,05 мас. % каждого в виде лигатуры. Процесс выплавки сталей контролировался измерением магнитной литой пробы на приборе ИФСС (индикатор фазового состава стали), позволяющем определить фазовый состав стали (процентное соотношение аустенита и мартенсита). Полученные слитки подвергали горячей деформации с получением прутков, из которых изготовили: образцы с V-образным надрезом (r_н=0,25 мм) размером 10×10×55 мм - для определения ударной вязкости KCV; цилиндрические образцы М10×65 - для измерения предела прочности, цилиндрические образцы М20×100 с выточкой r_н=0,75 мм (концентратор напряжений Kt=2,2) - для определения сопротивления малоцикловой усталости; плоские образцы размером 60×63 мм и толщиной 10 мм для определения скорости роста трещины усталости (СРТУ); образцы размером 3×3×3 мм - для определения серы; образцы размером 10×10×50 мм - для определения количества остаточного аустенита; шлифы размером 15×15 мм - для определения содержания дельта-феррита и неметаллических включений (оксидов строчечных).

В таблице 1 представлен состав предлагаемой стали.

Содержание серы определяли в соответствии с ГОСТ 12345-2001.

Количество остаточного аустенита после упрочняющей термообработки определяли баллистическим методом на установке типа «Штеблейн» в соответствии с ММ 1.595-5-424-2011.

Содержание дельта-феррита определяли в соответствии с ГОСТ 11878-66.

Количество неметаллических включений (оксидов строчечных) определяли в соответствии с ГОСТ 1778-70.

Сравнительные испытания механических свойств проводили при температуре 20°С.

Предел прочности определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Ударную вязкость KCV измеряли в соответствии с ГОСТ 9454-78.

Испытания на малоцикловую усталость (МЦУ) образцов с концентратором напряжений Kt=2,2 на базе N=2⋅105 циклов проводили в соответствии с ГОСТ 25.502-79, на определение скорости роста трещины усталости - в соответствии с ОСТ 190268-78.

Свойства предлагаемой стали и стали-прототипа представлены в таблице 2.

Полученные результаты подтверждают преимущества предлагаемой стали.

По значениям предела выносливости при малоцикловой усталости на базе Ν=2⋅10⁵ циклов при Kt=2,2 и скорости роста трещины усталости предлагаемая сталь превосходит сталь-прототип на 24% и 30% соответственно. По величине ударной вязкости KCV предлагаемая сталь также имеет преимущество перед сталью-прототипом, при этом значения предела прочности находятся на уровне прототипа.

Предлагаемая сталь может быть использована для изготовления высоконагруженных силовых деталей планера, силового крепежа, деталей шасси авиационной техники, работающих при температурах от минус 70 до плюс 200°C во всеклиматических условиях с защитой ЛКП деталей внешнего контура.

Использование данной стали позволит существенно повысить надежность деталей и узлов авиационной техники за счет более высокого сопротивления циклическим нагрузкам и низкой скорости роста трещины усталости, что позволит существенно увеличить ресурс авиационной техники.

Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного класса, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кремний, азот, марганец, кобальт, иттрий, церий, лантан, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,16-0,19
хром	11,5-12,5
никель	3,5-4,0
молибден	2,3-2,5
кремний	1,5-2,0
кобальт	5,5-6,5
азот	0,07-0,10
марганец	0,2-0,4
иттрий	0,00001-0,05
церий	0,00001-0,05
лантан	0,00001-0,05
неодим	0,00001-0,05
железо	остальное

при этом сумма концентраций углерода и азота составляет 0,26-0,29 мас.%,

а соотношение компонентов, влияющих на фазовый состав стали в литом состоянии, определяется следующими выражениями:

где - хромовый эквивалент мартенситообразования,

- хромовый эквивалент ферритообразования.

Похожие патенты:

Инструментальная сталь // 2611250

Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сталям, предназначенным для изготовления режущего и штампового инструмента, работающего при умеренных и высоких скоростях резания.

Высокопрочная бериллийсодержащая сталь // 2600467

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к составам нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, используемой при изготовлении деталей трения прецизионных приборов, агрегатов гидросистем и топливо-регулирующей аппаратуры авиационной техники, работающих в общеклиматических условиях.

Нержавеющая сталь для нефтяных скважин и труба из нержавеющей стали для нефтяных скважин // 2583207

Изобретение относится к области металлургии, а именно к нержавеющей стали, используемой для изготовления труб для нефтяных скважин. Сталь содержит, мас.%: С не более 0,05, Si не более 1,0, Mn от 0,01 до 1,0, Р не более 0,05, S менее 0,002, Cr от 16 до 18, Mo от 1,8 до 3, Cu от 1,0 до 3,5, Ni от 3,0 до 5,5, Со от 0,01 до 1,0, Al от 0,001 до 0,1, О не более 0,05 и N не более 0,05, остальное количество составляют Fe и неизбежные примеси.

Способ получения мартенситной стали со смешанным упрочнением // 2566688

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения среднего значения усталостной прочности получают мартенситную сталь, которая имеет такое содержание других металлов, что она способна упрочняться в результате выделения интерметаллических соединений и карбидов и имеет содержание Al от 0,4 до 3 мас.%.

Высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь // 2562184

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию высокопрочных дисперсионно-твердеющих сталей для высоконагруженных зубчатых колес и подшипников, работающих при температуре до 500°C.

Криогенная обработка мартенситной стали со смешанным упрочнением // 2554836

Изобретение относится к способу получения мартенситной стали. Для повышения механических свойств и сокращения значений их разброса в стали, содержащей другие металлы, обеспечивающие её упрочнение при выделении интерметаллических соединений и карбидов, а также Al между 0,4% и 3%, указанную сталь подвергают термической обработке, включающей нагрев стали выше температуры ее аустенизации, охлаждение стали примерно до температуры окружающей среды, помещение стали в криогенную среду при температуре Т1, причем температура Т1 является более низкой, чем температура Mf мартенситного преобразования, и выдержку стали в криогенной среде с продолжительностью, по меньшей мере равной ненулевому времени t1 выдержки от момента, когда самая горячая часть стали достигла температуры ниже, чем температура Mf мартенситного преобразования, причем температура Т1 (в ºС) и время t1 выдержки (в часах) определяется уравнением Т1=ƒ(t1), причем первая производная функции ƒ по t, ƒ'(t), является положительной, и вторая производная ƒ по t, ƒ”(t), является отрицательной.

Штамповый сплав // 2550071

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу сплава, используемого для изготовления штампового инструмента. Сплав содержит углерод, кремний, молибден, хром, вольфрам, кобальт, марганец, титан, никель, ванадий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,20-0,30, кремний 0,40-0,80, молибден 2,00-2,50, хром 8,00-10,00, вольфрам 2,50-3,00, кобальт 1,00-1,50, марганец 1,00-1,40, титан 0,20-0,30, никель 6,00-8,00, ванадий 0,20-0,30, железо - остальное.

Коррозионностойкая мартенситностареющая сталь // 2532785

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочных коррозионностойких мартенситностареющих сталей, используемых в энергетическом машиностроении для изготовления высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723K.

Аустенитно-ферритная сталь с высокой прочностью // 2522914

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения высокопрочной теплостойкой проволоки различных типоразмеров и листового материала.

Коррозионностойкая высокопрочная сталь // 2519337

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным хромоникелевым сталям, применяемым при производстве высокопрочного сортового проката.

Сплав на основе железа // 2615931

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов на основе железа, используемых в машиностроении. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,2-0,4, кремний 0,2-0,4, никель 4,0-6,0, хром 0,2-0,4, кобальт 0,3-0,8, медь 0,6-0,8, рений 0,05-0,1, ванадий 1,0-1,5, алюминий 1,0-1,5, железо - остальное. Сплав обладает высокой ударной вязкостью. 1 табл.

Демпфирующая сталь и изделие, выполненное из нее // 2623947

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям, обладающим высокой демпфирующей способностью, используемым при изготовлении холодно- и горячекатаных листов и полос, сортового проката, прутков и поковок. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,001-0,08, кремний 0,01-0,5, марганец 0,01-0,6, алюминий 3,5-7,0, хром 0,001-0,3, никель 0,001-0,3, медь 0,001-0,3, ванадий 0,0001-0,3, ниобий 0,0001-0,3, молибден 0,001-0,5, сера не более 0,02, фосфор не более 0,02, азот не более 0,015, титан 0,001-0,3, кобальт 0,0001-0,010, железо и неизбежные примеси - остальное. Повышается демпфирующая способность стали и выполненных из нее изделий в области малых (от 0,85×10-4 до 1,15×10-4) и средних (от 1,8×10-4 до 2,2×10-4) амплитуд упругой деформации при сохранении технологических свойств. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 табл.

Теплостойкая и радиационно-стойкая сталь // 2633408

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к сталям для основного оборудования атомных энергетических установок. Теплостойкая радиационно-стойкая сталь содержит, мас. %: углерод 0,10-0,20; кремний 0,02-0,12; марганец 0,02-0,12; хром 1,70-2,10; никель 3,2-5,00; молибден 0,35-0,70; ванадий 0,010-0,15; медь 0,005-0,03; кобальт 0,001-0,03; сера 0,0005- 0,03; фосфор 0,0005-0,003; мышьяк 0,001-0,004; сурьма 0,001-0,004; олово 0,001-0,004; водород 0,00001-0,0001; алюминий 0,015-0,035; висмут 0,001-0,004; свинец 0,001-0,003; азот 0,0001-0,008; кислород 0,0001-0,0030; ниобий 0,005-0,08; цирконий 0,005-0,04, по меньшей мере один редкоземельный металл, выбранный из группы, включающей иттрий, неодим и празеодим 0,005-0,12; железо остальное. Сталь характеризуется высокими значениями предела текучести и предела прочности при температуре эксплуатации до 400°C. Обеспечиваются низкие значения критической температуры хрупкости, высокая стойкость к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтроном облучении. 1 з.п. ф-лы.

Теплостойкая и радиационно-стойкая сталь // 2634867

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким радиационно-стойким сталям, используемым для изготовления основного оборудования атомных энергетических установок. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,20, кремний 0,02-0,40, марганец 0,02-0,6, хром 2,0-2,5, никель 1,25-2,0, молибден 0,35-0,7, ванадий 0,10-0,15, медь 0,005-0,03, кобальт 0,001-0,03, сера 0,0005-0,003, фосфор 0,0005-0,004, мышьяк 0,001-0,004, сурьма 0,001-0,004, олово 0,001-0,004, водород 0,00001-0,00012, алюминий 0,015-0,035, азот 0,0001-0,008, кислород 0,0001-0,0030, висмут 0,001-0,004, свинец 0,001-0,004, железо - остальное. Повышаются служебные и технологические характеристики стали, а именно предел текучести и предел прочности при температуре эксплуатации до 400°C, обеспечиваются гарантированно низкие значения критической температуры хрупкости, повышается стойкость к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтронном облучении. 3 з.п. ф-лы.

Сплав на основе железа // 2647958

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе железа, которые могут быть использованы в машиностроении. Сплав на основе железа содержит, мас. %: углерод 0,2-0,4; кремний 0,03-0,05; никель 14,0-16,0; хром 0,2-0,4; кобальт 1,0-1,8; ванадий 24,0-26,0; алюминий 4,0-6,0; железо - остальное. Сплав характеризуется высокой ударной вязкостью. 1 табл.