Мартенситно-стареющая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким мартенситно-стареющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей. Сталь выплавлена в открытой индукционной печи (ОИП) с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП) или вакуумно-дуговым переплавом (ВДП) и содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод до 0,04, кремний до 0,30, марганец до 0,20, хром 12,0-14,0, никель 7,5-9,0, молибден 0,6-1,0, алюминий 0,3-0,6, титан 0,3-0,6, ванадий 0,01-0,20, вольфрам 0,01-0,20, церий до 0,05, магний до 0,05, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе сера до 0,025, фосфор до 0,025, медь до 0,20, олово до 0,001, сурьма до 0,001, мышьяк до 0,001, свинец до 0,001, висмут до 0,001. Сталь обладает высокими прочностью и коррозионной стойкостью. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким мартенситно-стареющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей.

Из уровня техники известны используемые в отечественной промышленности коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали SU534165A (прототип) и 03Х11Н10М2Т (аналог 1). Основным недостатком прототипа и аналога является неоптимальный химический состав не обеспечивающий достаточно высокую прочность и коррозионную стойкость одновременно. Наряду с указанным недостатком следует отметить, что в химическом составе прототипа присутствует селен, который является опасным и токсичным элементом, как при производстве стали, так и при её последующей обработке и эксплуатации.

Кроме того, известна сталь SU585232(опубл. 25.12.1977)

углерод	0,003-0,03
хром	10,0-14,0
никель	9,0-14,0
молибден	1,0-3,0
титан	0,7-1,6
ванадий	0,05-0,35
цирконий	0,01-0,10
неодим	0,003-0,05
кальций	0,02-0,1
лантан	0,005-0,08
железо и неизбежные примеси	остальное

Сталь предназначена для производства изделий больших сечений с повышенной пластичностью и вязкостью. Недостатком этой стали является отсутствие в её составе алюминия, входящий в состав упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al), которая в значительной степени увеличивает прочностные свойства стали.

Из уровня техники известна мартенситно-стареющая сталь 03Х11Н10М2Т (ЭП678, ВНС-17) по ТУ 14-1-1540-75

углерод	≤ 0,03
кремний	≤ 0,15
марганец	≤ 0,10
сера	≤ 0,010
фосфор	≤ 0,010
хром	10,0-11,3
никель	9,0-10,3
молибден	1,8-2,3
титан	0,7-1,1
алюминий	≤ 0,20
цирконий	≤ 0,03
ниобий	≤ 0,15
бор	≤ 0,003
железо и неизбежные примеси	остальное

Недостатком этой стали является невысокое содержание хрома, не обеспечивающего достаточную коррозионную стойкость, а также повышенное содержание никеля, молибдена и титана в количествах не позволяющих получить достаточной высокий комплекс механических свойств.

Известна сталь RU2169790С2 (опубл. 27.06.2001) - аналог 2

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,01-0,04
кремний	0,10-0,75
марганец	0,10-0,90
хром	9,5-13,5
никель	6,0-9,0
кобальт	2,5-7,8
молибден	0,8-4,0
ванадий	0,03-0,30
вольфрам	0,02-0,30
азот	0,01-0,08
кальций	0,001-0,05
церий	0,001-0,05
железо и неизбежные примеси	остальное

Сталь предназначена для производства паяно-сварных конструкций энергетических установок, работоспособных при температурах от -253 до 500 °C. Недостатком этой стали является избыточное легирование кобальтом, которое приводит к значительному удорожанию стали без предоставления соизмеримых преимуществ по механическим свойствам.

Известна сталь RU2532785С1 (опубл. 17.05.2013) - аналог 3

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	≤ 0,03
кремний	0,05-0,15
марганец	0,05-0,15
хром	9,3-10,5
никель	7,0-8,5
кобальт	3,5-7,0
молибден	1,2-3,0
ванадий	0,10-0,30
вольфрам	0,05-0,20
азот	≤ 0,02
титан	0,01-0,08
ниобий	0,05-0,15
кальций	0,001-0,05
церий	0,001-0,05
иттрий	0,001-0,05
железо и неизбежные примеси	остальное

Сталь предназначена для производства изготовления высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723 K. Недостатком этой стали, с одной стороны, является недостаточное содержание хрома для обеспечения коррозионной стойкости и механических свойств и отсутствие с составе стали алюминия, а, с другой стороны, её избыточное легирование молибденом и кобальтом в значительной степени удорожающих металл.

Известна сталь RU2571241С1 (опубл. 20.12.2015)

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	≤ 0,03
хром	2,0-18,0
никель	5,0-10,0
молибден	0,8-3,0
алюминий	1,0-2,5
титан	≤ 0,20
церий	≤ 0,02
иттрий	≤ 0,002
железо и неизбежные примеси	остальное

Сталь предназначена для производства изделий с высокой твердостью и коррозионной стойкостью при достаточной пластичности. Недостатком этой стали является избыточное её легирование алюминием при невысоком содержании титана, что не удовлетворяет оптимальному стехиометрическому составу упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al) и, как следствие, сталь имеет меньшую прочность.

Известна сталь WO2019121879 (опубл. 27.06.2019) - аналог 4

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,01-0,05
кремний	0,40-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	12,0-13,0
никель	9,5-10,5
молибден	0,5-1,5
алюминий	0,5-1,5
титан	0,5-1,5
медь	≤ 0,05
железо	остальное

К недостаткам этой стали относится отсутствие в её составе небольших добавок вольфрама и ванадия, которые необходимы для защиты хрома от связывания в карбиды. При термической обработке такой стали, заключающейся в закалке с последующим старением, ввиду достаточно высокой допустимой концентрации титана, помимо упрочняющей фазы выделяются карбиды титана, ухудшающие пластические и вязкостные свойства стали. Также следует отметить, что состав стали по WO2019121879 (опубл. 27.06.2019) согласно описания изобретения разработан для изготовления порошковых материалов для их последующего спекания по технологиям селективного лазерного сплавления и некоторых других технологий 3D печати, что не позволяет оценить возможность изготовления металлических изделий по классической технологии с использованием выплавки горячей деформации слитков. Также авторы изобретения не приводят данные о пластических свойствах такого металла, которые являются весьма важной характеристикой для многих изделий, изготовляемых из мартенситно-стареющих сталей.

Технической задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является разработка коррозионно-стойкой высокопрочной мартенситно-стареющей стали, обладающей высокой прочностью и повышенной коррозионной стойкостью.

Для достижения поставленной цели предлагается мартенситно-стареющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, титан, ванадий и вольфрам, церий и магний остальное железо и неизбежные примеси, в том числе: сера, фосфор, медь, олово, сурьма, мышьяк, свинец и висмут, отличающаяся тем, что она содержит ванадий, вольфрам, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод	≤ 0,04
кремний	≤ 0,30
марганец	≤ 0,20
сера	≤ 0,025
фосфор	≤ 0,025
хром	12,0-14,0
никель	7,5-9,0
молибден	0,6-1,0
алюминий	0,3-0,6
титан	0,3-0,6
ванадий	0,01-0,20
вольфрам	0,01-0,20
церий	≤ 0,05
магний	≤ 0,05
медь	≤ 0,20
олово	≤ 0,001
сурьма	≤ 0,001
мышьяк	≤ 0,001
свинец	≤ 0,001
висмут	≤ 0,001
железо	остальное

Сущность изобретения заключается в подборе оптимальных соотношений основных легирующих элементов для обеспечения комплекса физико-механических свойств, а также дополнительном легировании заявляемой стали малыми количествами ванадия и вольфрама, церия и магния.

В сравнении с рассмотренными выше сталями заявляемая сталь содержит достаточное количество:

хрома, чтобы обеспечить хорошую коррозионную стойкость;

никеля, чтобы обеспечить высокую ударную вязкость и обеспечить возможность выделения при старении частиц упрочняющей фазы;

титана и алюминия, достаточных, чтобы получить оптимальное количество упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al), обеспечив при этом высокую прочность и достаточную пластичность;

молибдена для устранения отпускной хрупкости стали, а также препятствования сегрегациям упрочняющей фазы по границам зерен;

ванадия и вольфрама, для образования мелкодисперсных специальных карбидов, предохраняющих хром от его связывания в карбиды Cr₂₃C₆ и тем самым улучшая стойкость заявляемой стали к межкристаллитной коррозии и титан от образования грубых угловатых включений карбида титана, улучшая пластичность заявляемой стали;

церия и магния, наиболее полного осуществления процесса раскисления при выплавке, а также положительно влияет на дисперсность упрочняющих фаз.

Также в предлагаемой стали нормировано содержание вредных примесей, растворенных в металле, для обеспечения её чистоты по неметаллическим включениям и обеспечению высокого качества изделий.

Примеры осуществления изобретения

Опытную сталь, в пределах заявленного состава, выплавляли в вакуумно-индукционной печи. Также были опробованы вакуумно-дуговой и электрошлаковый переплавы, которые позволили дополнительно улучшить чистоту стали, в том числе и по неметаллическим включениям. Химический состав опытных плавок приведен в таблице 1. Результаты контроля механических свойств предложенной стали, а также её сравнение с прототипом и ближайшими аналогами показаны в таблице 2. Как видно из предоставленных данных, предложенная сталь имеет достаточно высокие прочностные свойства, превосходя прототип и некоторые аналоги,и в тоже время является экономнолегированной.

1. Коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, титан, железо и неизбежные примеси, в том числе: сера, фосфор, медь, олово, сурьма, мышьяк, свинец и висмут, отличающаяся тем, что она выплавлена в открытой индукционной печи (ОИП) с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП) или вакуумно-дуговым переплавом (ВДП) и дополнительно содержит ванадий, вольфрам, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	≤ 0,04
кремний	≤ 0,30
марганец	≤ 0,20
сера	≤ 0,025
фосфор	≤ 0,025
хром	12,0-14,0
никель	7,5-9,0
молибден	0,6-1,0
алюминий	0,3-0,6
титан	0,3-0,6
ванадий	0,01-0,20
вольфрам	0,01-0,20
церий	≤ 0,05
магний	≤ 0,05
медь	≤ 0,20
олово	≤ 0,001
сурьма	≤ 0,001
мышьяк	≤ 0,001
свинец	≤ 0,001
висмут	≤ 0,001
железо	остальное

2. Изделие из коррозионно-стойкой мартенситно-стареющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п. 1.