Сталь

 

СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, алюминий, железо, о т л.ичающаяся тем, что, с целью повышения пластических свойств при криогенных температурах при сохранении прочности и стабильности немагнитности , а также свариваемости и корро ионно-механической прочности , она дополнительно содержит азот |И кгшьций при следующем соотношении ког«1онентрв, мас.%: Углерод0,01-0,05 IМарганец 25,0 -30,0 IАлюминий3,5 -5,0 АЗОТ0,02-0,10 Кальций0,004-0,006 ;ЖелезоОстальное

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ае (1() у(.щ С 22 С 38/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ CB @TFJlbCTBY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTRPbITHA (2)): 3518658/22-02 (22) . 10.09.82 (46) 15.03.84. Бюл. 9 10 ,(72). В.Д.Кибальник, М.А.Филиппов, О.Г.Соколов и Ю.Л.Легостаев (7(} Уральский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. С.М.Кирова (53) 669.14.018-584-194 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

9 773126, кл. С 22 С 38/12, 1980.

2.Гуляев A.Ï. Металловедение. N., "Металлургия", 1968, с. 401. (54) (57) СТАЛЬ, содержащая углерод, 1 марганец, алюминий, железо, о т л,ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повьыения пластических свойств:при криогениых температурах при сохранении прочности и стабильности не магнитности, а также свариваемости и коррозионно-механической прочности, она дополнительно содержит азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.В:

Углерод 0,01-0,05 Марганец 25,0 -30,0

IАлюминий 3,5 -5,0

Азот 0,02-0,10

Кальций 0,004-0,006

Железо Осталь ное

1079688

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к высокопрочным немагнитным сталям и может быть использовано в специальном машиностроении для немагнитных деталей машин и приборов, работающих при нормальных и низких температурах, а также для криогенного оборудования.

Известна высокомарганцевая сталь

ij, содержащая, вес.Вг, .

Углерод 0,04-0,08

Марганец 3 7,0 -2$,0

Алюминий 1,0 -3,0

Кремний 0,1 -0,3

Ва надий 0,05-0,10

Кальций 0,03-0,10 15

Железо Остальное

Однако эта сталь характеризуется недостаточной стабильностью аустенитной структуры из-за относительно низкой концентрации основного аусте- ур нитообразующего элемента — марганца.

В соответств((и с диаграммой состояния системы 1е-Мп в стали с 17-23%

Nn, содержащей 1-3 вес.Ъ А(, возможно образование, с одной стороны,при охлаждении от высоких температур небольшого количества О -феррита, уменьшающего пластич (ость стали, а, с другой стороны, при нагружении в области отрицател -(х температур — Зр мартенситных a — и E -фаз, сообщающих.стали повышенную склонность к хрупкому разрушению. Появление в структуре стали ферромагнитных К и Ь -фаз наряду с понижением пластичности и ударной вязкости приводит к возрастанию величины магнитной проницаемости выше допустимого значения

1,003,-что в сочетании со сравнитель- ° но невысокими прочностными характеристиками указанной стали делает не- 40 возможным ве применение в качестве немагнитного материала для криоген.ной техники.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является сталь f2) содержащая, вес.Ъ:

Углерод 0,4-0,5

Марганец 16,0-18,0

Хром До 0,5

Никель До 0,5

Алюминий До 2,5-3,2

Железо Остальное

Недостатком известной стали является резкое ухудшение свариваемости и коррозионно-механической прочности из-за высокого содержания углерода, делающего эту сталь непригодной для использования в сварных конструкци ях.Кроме того, повышенная концентрация углерода требует высокой температуры нагрева под закалку и больших скоростей охлаждения вследствие опас-( ности выделения по границам зерен карбидной сетки, способствующей они- 65 жению пластичности и ударной вязкости стали ° Таким образом, в реальных условиях применение известной ròàëè ограничено изделиями только небольшого сечения.

Выделение карбидов в структуре стали с 16-18 вес.% М(эуменьшает стабильность аустенита при низких температурах и приводит к образованию 6 — и E -мартенситов деформации, следствием чего является пониженный уровень пластических и вязких свойств в области отрицательных температур.

Цель изобретения — повышение пластических свойств при криогенных температурах при сохранении прочности и стабильной немагнитности, а также свариваемости и коррозионно-механической прочности стали.

Для достижения указанной цели сталь, содержащая углерод, марганец, алюминий, железо, дополнительно содержит азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.Ъ:

Углерод 0,01-0,05

Марганец 25, 0-30, 0

Алюминий 3,5-5, 0

Азот 0,02-0,10

Кальций 0,004-0,006

Железо Остальное

Пониженное содержание углерода в предлагаемой стали обуславливает хорошую свариваемость и повышенную коррозионно-механйческую прочность стали (обраэцы из предлагаемой стали при переменных напряжениях +30 МПа выдерживают беэ разрушения 3,5 10 циклов при испытаниях в синтетической морской воде, в то время как образцы из известной стали разрушаются через 2, 5 ° 10(циклов) .

Более высокое содержание марганца (25,0-30,0 мас.%) в стали, в первую очередь, связано со стабилизацией.. аустенита по отношению к g превращению, протекающему в железомарганцевых сплавах с концентрацией марганца менее 25,0% и охрупчивающему сталь, без дополнительного легирования углеродом.

С другой стороны марганец, как аустенитообраэующий элемент, в указанных пределах компенсирует ферритообразующее действие алюминия.

Увеличение содержания марганца в стали выше 30 мас.Ъ нецелесообразно как с экономической точки зрения, так и вследствие появления склонности к хрупкому разрушению, свойственному высокомарганцевому аустениту с 3350% Мй.

Высокая стабильность к образованию ферромагнитного К -мартенсита при низкотемпературной пластической деформации достигнута в стали за счет микродобавок другого аустени 1079688 тообразующего элемента — азота (до

0,1 мас.Ъ) . Легирование стали азотомэприводит к.образованию дисперсных нитридов алюминия,, уменьшающих склонность к росту зерна стали в процессе нагрева под закалку.

При концентрации азота в стали менее 0,02 мас.Ъ нитриды алюминия не образуются.

Устойчивость стали по отношению к — -превращению при деформации достигнута за счет легирования 3,55,0 мас.Ъ алюминия. Уменьшение количества алюминия в стали ниже

3,5 мас.Ъ может приводить к образованию -мартенсита при нагружении и, 15 как следствие, к снижению значений

Увеличение содержания алюминия выше 5 мас.Ъ сопровождается появлением в структуре стали о -феррита и, следовательно, потерей не- 2О магнитности стали и снижеНием величин 8 и(Кроме того, легирование алюминия в указанных пределах, увеличивая энергию дефектов упаковки стали, 25 обеспечивает получение достаточно высоких пластических свойств в стали с понижением температуры нагружения до 196 С, а также приводит к росту прочностных характеристик.

Последнее может быть связано с изменением механизма пластического деформирования стали при охлаждении, развитием двойникования, требующего приложения относительно больших механических нагрузок и приводящего к образованию в аустенитной матрице большого количества пересекающихся по различным кристаллографическим направлениям микродвойникоз деформации -феррит, К - и g - мар- 4О тенситные фазы в структуре стали отсутствуют.

Модифицирование стали поверхностно-активным элементом - кальцием 45 в количестве 0,004-0,006 мас.Ъ препятствует росту зерна и положительно влияет на глобуляризацию неметаллических включений, что способствует росту пластических характеристик стали при низких температурах.

Колебание содержания углерода в указанных пределах практически ие влияет на механические свойства стали в интервале температур (20) (196)о С и не отражается на магнитных характеристиках стали, повышение содержания углерода более 0,05 мас. % ухудшает свариваемость и коррозионно-механическую прочность стали.

Предлагаемая сталь легко обрабатывается резанием, имеет меньший удельный вес, не содержит дефицитных легирующих элементов. Горячая прокатка и ковка не вызывают затруднений.

Слитки предлагаемой и известной сталей массой по 10 кг выплавлены в индукционной печи ЛПЗ-37 и прокатаны в прутки сечением 13 13 мм при

1050-1150 С.

В табл. 1 и 2 приведены химический состав и механические свойства исследуеьжх сталей, закаленных от

1060 С в воду, при температуре исо пытания 20 и -196 С. физические свойства исследуемых сталей приведены в табл. 3.

Испытания коррозионно-механической прочности производят на плоских гладких образцах толщиной 2,5 мм на вибраторах резонансного типа в синтетической морской воде (3%-ный раствор Й аС6) при нулевом изгибе.

Долговечность, характеризующая в данном случае величину КПМ сталей, оценивается по числу циклов до разрушения при знакопеременном циклическом напряжении +30 МПа.

Испытания на снариваемоеть предлагаемой и известной стали осущест- вляют в одинаковых условиях на образцах-пластинах толщиной 6-10 мм.

Перед сваркой производили Ч -образную подготовку кромок испытуемого материала. Сварочное соединение выполняют с двух сторон покрытыми электродами типа Э-08Х19Н9Ф2С2 (ГОСТ 10052-75) диаметром 4 мм при токе не более 150 A. Ток постоянный, обратной полярности, Выбранный режим сверки обеспечивает минимальное . ,проплавление основного металла и 51о .лучение иаплавленного металла со структурой стабильного аустенита.

В соответствии с ГОСТ 6996-66 из металла сварного шва соединений из предлагаемой и известной стали ! готовят образцы для испытания меха6 нических свойств при 20 и -196 С.

Результаты испытаний представлены в табл. 4.

1079688

Таблица1

Содержание элементов, мас. В г

Сталь

С Ма AC М Са cr Fe

Предла гаемая

3,5

Остальное

25,0

0,02

4,5

27,5

0 05

5,0

30,0

0,01

0,04

3,0

24,0

0,06

5,5

30 5

Известная

О!45 17!О 3!5

0,5

0,5

Таблица2

20 С!

Сталь

kcv, X мп+ (% а ИДж, M циклов бо !Па 4 вша 8, 4 !

3,6

260

300

560

3,6

310

50

3 6

560

250

500

2,0

2,5

270

600

3,5 2,5 ° 10 .у

300

700

Продолжение табл.

-1964 С

Сталь

КОЧ

ИЛм!м бв V a

Д MIlaa

820

1180

3,2

1200

830

57

3,2

835

1150

50

3,0

600

950

35

1,5

1020

780

32

1,6

1,4 11

3 E i 4,.0,1 0,005

0,05 0,004

0,02 0,006

0,01 0,003

0,12 0,008 оррозионно-механическая йрочность . "

3,5 ° 10

3,5 10

3,4 !10 ,3,0 10

2,9!10 фазовый состав (после деформации) фазовый состав (после деформации»

1079688

Т а б л и ц а 3

1 ес ° 10 град

1О

Ом м

Е 10-

МПа, Сталь

17,9

8,1

12,0

+50

11,9

8,5

17,1

+3О

15,5

8,8

11,5

+10

18,О

6 5

12,6

16,6

9,4

11,5 о

18,4

9,7

13,О

-50

Таблиц а 4

Сталь

20аС ксч о,,>

8 > % МДж/м МПа

<е L C

МПа 6, а ЩДж/м

g, Мпа

О,ИПа

50 2,8 800 1100 43

50 2,9 810 1120 45

45 2,3 680 900 25

2,4

260

500

2,4

280

525

1 2

265

550

2,4 650

800 13 0,8

280

600

Заказ 1262/26 Тираж 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал. ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4

Составитель Л.Суязова

Редактор Т. Веселова Техред Л.Микеш, Корректор Л. Пилипенко