Высокопрочная немагнитная композиционная сталь

Высокопрочная немагнитная композиционная сталь

Реферат

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

Известна немагнитная сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,05; хром 21,0-24,0; марганец 12,0-15,0; никель 1,0-8,0; азот 0,65-0,80; молибден 0,5-1,0; ванадий 0,25-1,0; кальций 0,0015-0,020; железо остальное (Авт. свид. СССР №1225876, М. кл. С22С 38/58, опубл. 23.04.1986).

Недостатком стали является недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости и развитие межкристаллитной коррозии за счет наличия в стали ванадия, который соединяясь с азотом и углеродом образует нитриды и карбиды ванадия, выделяющиеся при затвердевании по границам аустенитных зерен. Кроме этого, ванадий как ферритообразующий элемент способствует выделению ферромагнитной фазы (δ - феррит), повышая магнитную проницаемость.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,04-0,9, кремний 0,10-0,60, марганец 5,0-12,0 хром 19,0-21,0, никель 4,5,0-9,0, молибден 0,5-1,5; ванадий 0,10-0,55; кальций 0,005-0,010; ниобий 0,03-0,30, азот 0,40-0,70; неизбежные примеси и железо остальное. При этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:

[Ni]+0,1[Mn]-0,01[Mn]²+18[N]+30[C]/[Cr]+l,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]+l,75[Nb]=0,70-0,90,

где [N], [С], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия и ниобия соответственно, выраженная в массовых процентах. Соотношение содержания углерода к содержанию азота равно 0,05-0,15.

Кроме того, сталь обладает развитой субзеренной структурой после горячей пластической деформации при температуре 1000-1050°С с обжатием 50-80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.

Сталь обладает мелкозернистой аустенитной структурой после закалки в воде от температуры 1030-1070°С (Патент РФ №2205889, М. кл. С22С 38/58, опубл. 06.10.2003, прототип).

Недостатком указанной стали являются недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости стали, так как наличие сильных карбидо- и нитридообразующих элементов ниобия и ванадия приведет к выделению крупноразмерных как карбидов, так и нитридов ниобия и ванадия по границам аустенитного зерна при затвердевании стали, что снизит характеристики пластичности и вязкости.

Задачей, решаемой изобретением, является получение стали, обладающей повышенными прочностными свойствами с высокими показателями пластичности и вязкости.

Указанная задача решается тем, что высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая композитная сталь, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, железо, дополнительно содержит нитрид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,04-0,12
Кремний	0,10-0,60
Марганец	5,0-12,0
Хром	19,0-21,0
Никель	4,0-9,0
Молибден	0,5-1,5
Ванадий	0,10-0,55
Ниобий	0,03-0,30
Азот	0,4-0,7
Нитрид циркония	0,03-1,00
Железо и примеси	остальное

Сталь содержит нитрид циркония в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.

Введение в состав стали мелкодисперсных нитридов циркония с наноразмерной дисперсностью позволит образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла.

В процессе затвердевания стали химически стойкие частицы нитрида циркония, находясь в высокоазотистом расплаве обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться инокуляторами, центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчит первичное аустенитное зерно, увеличит площадь границ аустенитных зерен, а также увеличит скорость затвердевания отливок. Это существенно уменьшит количество и увеличит дисперсность карбидов и нитридов ванадия и ниобия, выпадающих по границам аустенитных зерен, что в конечном счете приведет к увеличению прочностных свойств и одновременно показателей пластичности и вязкости.

При содержании в стали мелкодисперсных нитридов циркония в количестве меньшем 0,03 мас.% не происходит увеличения прочностных свойств, так как не происходит достаточного измельчения зерна и стабилизации границ зерен.

При содержании нитридов циркония более 1,00 мас.% происходит ухудшение характеристик пластичности и вязкости, так как нитриды циркония начинают выделяться в избыточном количестве по границам зерен.

Таким образом, техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств стали при одновременном повышении показателей пластичности и вязкости.

Пример.

Выплавку стали производили в открытой основной индукционной печи вместимостью 160 кг методом сплавления нержавеющих азотсодержащих отходов и чистых ферросплавов. Азот вводили в состав стали азотированными отходами и азотированными ферросплавами хрома и марганца.

Нитрид циркония получали методом СВС в режиме фильтрационного горения. После азотирования спек нитрида циркония дробили и измельчали до фракции менее 100 нм в шаровой мельнице в течение 5 минут. Нитрид циркония вводили в металлических капсулах на струю металла при выпуске плавки в ковш. Металл разливали сверху в слитки массой 130 кг диаметром 150 мм. Слитки нагревали в газовой печи до температуры 1175-1220°С и ковали при температуре не ниже 1050°С на прутки сечением 70×70 мм. Из прутков изготавливали продольные образцы на растяжение и ударный изгиб, которые подвергали термообработке закалкой в воду с 1050°С.

Структуру металла изучали на металлографическом микроскопе Неофот-2.

Фазовый состав стали определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.

Механические испытания на растяжение по ГОСТ 1497-80 проводили на универсальной испытательной машине Тип 1958у-10, а испытания на ударный изгиб - на копре КМ-30 по ГОСТ 9454-80.

Результаты химического анализа предлагаемой стали приведены в табл.1.

Результаты испытаний представлены в табл.2.

По результатам испытаний видно, что предлагаемая сталь обладает более высокими прочностными показателями при повышенных характеристиках пластичности и вязкости, что приведет к повышению долговечности изделий из этого металла.

Таблица 1.
Химический состав стали
Плавка	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Nb	Са	N	ZrN	S	P	Fe и примеси
1	0,04	0,10	5,0	19,0	4,0	0,5	0,10	0,03	-	0,4	0,03	0,006	0,018	Ост.
2	0,09	0,30	10,0	20,5	8,0	0,9	0,35	0,10	-	0,55	0,50	0,007	0,019	Ост.
3	0,12	0,58	11,8	21,0	8,9	1,5	0,55	0,30	-	0,69	1,00	0,011	0,020	Ост.
4	0,08	0,25	11,2	20,3	8,73	0,87	0,40	0,20	-	0,57	0,02	0,009	0,17	Ост.
5	0,04	0,40	11,0	19,6	8,5	1,0	0,45	0,15	-	0,70	1,1	0,006	0,018	Ост.
6 прототип	0,4	0,26	11,7	19,9	5,6	1,5	0,37	0,27	0,006	0,51	-	0,004	0,017	Ост.

Таблица 2
Механические свойства и магнитная проницаемость стали
Плавка	σB, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	µ, Гс/Э
1	1170	1132	59	78	4,3	1,001
2	1180	1150	53	75	3,8	1,002
3	1200	1160	50	75	3,1	1,001
4	900	850	50	68	1,2	1,004
5	1180	1100	35	50	1,0	1,005
6 прототип	1040	848	32	55	2,2	1,005

1. Высокопрочная немагнитная коррозионностойкая композиционная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нитрид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,04-0,12
кремний	0,10-0,60
марганец	5,0-12,0
хром	19,0-21,0
никель	4,0-9,0
молибден	0,5-1,5
ванадий	0,10-0,55
ниобий	0,03-0,30
азот	0,4-0,7
нитрид циркония	0,03-1,00
железо и неизбежные примеси	остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит нитрид циркония в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.