Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса

Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к металлургии стали, в частности к области легированных коррозионностойких высокопрочных сталей, используемых для высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении и судостроении.

Известна коррозионностойкая сталь мартенситного класса (Патент РФ №2291912) следующего химического состава (масс. %):

углерод	0,08-0,12
хром	12,5-14,0
никель	4,0-5,0
молибден	2,3-2,8
марганец	0,3-0,7
азот	0,05-0,10
кремний	1,7-2,5
ниобий	0,2-0,4
кобальт	4,0-5,0
лантан	0,001-0,05
иттрий	0,001-0,05
железо	остальное

Основными недостатками этой стали являются недостаточно высокая прочность (σ_B=1650 МПа) и высокое содержание дорогостоящих никеля и кобальта.

Известна коррозионностойкая сталь мартенситного класса (Патент РФ №2077602) следующего химического состава (масс. %):

углерод	0,04-0,09
хром	12,5-15,0
никель	4,0-6,5
молибден	2,5-3,5
марганец	0,1-1,0
азот	0,02-0,1
кремний	0,3-1,6
ниобий	0,02-0,42
кобальт	3,5-6,0
церий	0,001-0,050
кальций	0,001-0,050
железо	остальное

Основными недостатками этой стали являются недостаточно высокая прочность (σ_B=1600 МПа; σ_0,2=1300 МПа) и высокое содержание дорогостоящих никеля, кобальта и молибдена.

Наиболее близкой к изобретению, взятой за прототип, является высокопрочная коррозионностойкая сталь мартенситного класса (Патент РФ №2318068) следующего химического состава (мас. %):

углерод	0,04-0,07
кремний	не более 0,6
хром	15,5-16,5
никель	4,8-5,8
азот	0,11-0,18
ниобий	0,03-0,08
ванадий	0,03-0,08
марганец	0,5-1,0
кальций	0,02-0,03
железо и неизбежные примеси	остальное

Основными недостатками этой стали являются относительно низкая прочность (σ_0,2=1450 МПа) и высокое содержание дорогостоящего никеля.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании экономнолегированной коррозионностойкой высокопрочной стали.

Техническим результатом является повышение прочности (σ_B=1800-1850 МПа; σ_0,2=1600-1650 МПа) стали при сохранении, удовлетворительной для практического применения, пластичности (δ=10-12%; Ψ=40-50%), что обеспечивает повышение надежности и увеличение долговечности конструкций из этой стали при их эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что по сравнению со сталью-прототипом, предлагаемая сталь, содержащая углерод, азот, хром, никель, марганец, кремний, ванадий, кальций и железо, согласно изобретению дополнительно содержит молибден, медь, церий, иттрий, лантан и барий при следующем соотношении компонентов (в мас. %):

углерод	0,12-0,35
азот	0,11-0,21
хром	14,0-15,0
никель	2,5-3,5
марганец	0,5-1,5
молибден	1,2-1,7
кремний	0,2-0,6
медь	1,5-2,0
ванадий	0,05-0,10
кальций	0,005-0,050
церий	0,005-0,030
иттрий	0,005-0,030
лантан	0,005-0,030
барий	0,005-0,020
железо	остальное

Соотношение элементов, определяющих фазовый состав в стали, должно определяться следующими равенствами:

C+N=0,25÷0,45;

C/N=1,1÷2,3;

K_м=Cr+Mo+1,5Ni+30(C+N)+0,7(Mn+Si)=30÷33,

K_ф=Cr+Мо+2Si-{1,5Ni+30(C+N)+0,7Mn}=2,5÷6,2;

где K_м - эквивалент мартенситообразования, а K_ф - эквивалент ферритообразования;

Наличие в стали указанных концентраций углерода и азота необходимо для обеспечения высокой прочности. При содержании углерода и азота более 0,35 и 0,21% соответственно трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости, а также получить качественный металл без пористости из-за ограниченной растворимости азота в стали.

Введение в сталь 14,0-15,0% хрома обусловлено обеспечением требуемой коррозионной стойкости и повышенной растворимости азота. При концентрации хрома более 15,0% и никеля менее 2,5% сталь будет иметь пониженную вязкость, особенно при отрицательных температурах, из-за появления в структуре δ-феррита, а также из-за повышения температуры вязкохрупкого перехода. С увеличением содержания никеля более 3,5% снижается растворимость азота в стали.

Марганец в количестве 0,5-1,5% вводится в сталь для повышения растворимости азота и раскисления стали. Увеличение содержания марганца более 1,5% приводит к повышению количества остаточного аустенита и тем самым к снижению прочностных характеристик.

Добавки ванадия в количестве до 0,1% обеспечивают получение мелкозернистой структуры. Увеличение с содержания ванадия более 0,1% приводит к снижению прочности из-за обеднения твердого раствора азотом в результате образования нитридов ванадия VN.

Легирование молибденом в количестве 1,2-1,7% повышает коррозионную стойкость, растворимость азота и тормозит образование карбонитридов по границам зерен и тем самым повышает ударную вязкость стали.

Дополнительное легирование барием позволяет изменить форму сульфидов на глобулярную и тем самым улучшает деформируемость слитков.

Легирование медью 1,5-2,0% позволяет исключить в микроструктуре стали дельта-феррит, а также повысить коррозионную стойкость и прочность при старении за счет выделения дисперсных частиц фазы, богатой медью.

Наличие церия 0,005-0,030% и кальция 0,005-0,030% уменьшает содержание примесей на границах зерен, тем самым меняя кинетику старения по границам зерен и уменьшая степень охрупчивания.

Легирование лантаном и иттрием способствует раскислению стали и измельчению зерна.

Подобранное соотношение компонентов позволяет получить стабильную структуру стали с заданным соотношением мартенсита и аустенита.

Выплавка стали производилась в открытой индукционной печи. Составы стали опытных плавок приведены в таблице 1.

Предлагаемая сталь после горячей пластической деформации (температура окончания деформации должна быть ниже температуры начала собирательной рекристаллизации) с последующим охлаждением в воде, в сочетании с обработкой холодом и последующим отпуском при 400°C, обладает мартенситно-аустенитной мелкозернистой (15-20 мкм) структурой, с заданным количеством мартенсита (75-85%) и аустенита (25-15%), не содержащей δ-феррита и σ-фазы, что позволяет обеспечить высокий уровень механических и коррозионных свойств стали и изделия, выполненного из нее. Техническим результатом является повышение прочности (σ_B=1800-1850 МПа; σ_0,2=1650-1700 МПа) при сохранении, удовлетворительной для практического применения, пластичности (δ=10-12%; Ψ=40-50%), что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока службы конструкций из этой стали при их эксплуатации. Результаты механических испытаний металла приведены в таблице 2.

1. Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса, содержащая углерод, азот, хром, никель, марганец, кремний, ванадий, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, медь, церий, иттрий, лантан и барий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

углерод	0,12-0,35
азот	0,11-0,21
хром	14,0-15,0
никель	2,5-3,5
марганец	0,5-1,5
молибден	1,2-1,7
кремний	0,2-0,6
медь	1,5-2,0
ванадий	0,05-0,10
кальций	0,005-0,050
церий	0,005-0,030
иттрий	0,005-0,030
лантан	0,005-0,030
барий	0,005-0,020
железо	остальное

2. Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса по п. 1, отличающаяся тем, что для содержания углерода и азота выполняются следующие условия: C+N=0,25÷0,45, C/N=1,1÷2,3.

3. Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов, определяющих фазовый состав в стали, определяется следующими равенствами:K_м=Cr+Mo+1,5Ni+30(C+N)+0,7(Mn+Si)=30÷33,K_ф=Cr+Mo+2Si-{1,5Ni+30(C+N)+0,7Mn}=2,5÷6,2,где K_м - эквивалент мартенситообразования, а K_ф - эквивалент ферритообразования.

4. Высокопрочная коррозионностойкая сталь переходного класса по п. 1, отличающаяся тем, что после горячей пластической деформации, температура окончания которой составляет ниже температуры начала собирательной рекристаллизации, с последующим охлаждением в воде, обработки холодом и последующего отпуска при 400°C она обладает мартенситно-аустенитной мелкозернистой структурой с зерном 15-20 мкм, с количеством мартенсита 75-85% и аустенита 25-15% без δ-феррита и σ-фазы.