Сталь

 

Изобретение относится к производству нержавеющих сталей. Сталь содержит, мас. % : углерод 0,07 - 0,12; кремний 0,50 - 0,80; марганец 1,0 - 2,0; хром 17,0 - 19,0; никель 8,0 - 11,0; титан 0,4 - 0,6; ванадий 0,1 - 0,5; медь 0,3 - 0,5; кальций 0,001 - 0,02; магний 0,001 - 0,005; железо - остальное. Изобретенная сталь обладает повышенным сопротивлением малым пластическим деформациям. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству нержавеющих сталей, работающих в различных отраслях промышленности в условиях агрессивных сред.

В настоящее время для изготовления деталей и элементов конструкций, работающих в различных напряженных состояниях, а также в качестве упругих элементов применяются аустенитные стали типа 12Х18Н9, 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-70). Известные стали при использовании в условиях, требующих высокого сопротивления малым пластическим деформациям, не обеспечивают требуемого уровня, тем не менее такая характеристика сопротивления малым пластическим деформациям, как предел упругости, является одной из важнейших, определяющих работоспособность.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности является сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72). Однако эта сталь имеет низкие значения характеристик сопротивления малым пластическим деформациям.

В основу изобретения поставлена задача создать сталь с повышенным сопротивлением малым пластическим деформациям.

Задача решена тем, что сталь дополнительно содержит ванадий, медь, кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,07-0,12 Кремний 0,50-0,80 Марганец 1,0-2,0 Ванадий 0,1-0,5 Кальций 0,001-0,02 Хром 17,0-19,0 Никель 8,0-11,0 Титан 0,4-0,6 Медь 0,3-0,5 Магний 0,001-0,005 Железо остальное.

При сопоставительном анализе заявляемого технического решения с прототипом было выявлено, что существенными отличительными признаками изобретения является введение в состав стали новых компонентов: ванадия, меди, кальция и магния при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,07-0,12 Марганец 1,0-2,0 Никель 8,0-11,0 Ванадий 0,1-0,5 Кальций 0,001-0,02 Кремний 0,50-0,80 Хром 17,0-19,0 Титан 0,4-0,6 Медь 0,3-0,5 Магний 0,001-0,005 Железо Остальное Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

При изучении известных составов сталей были выявлены стали, содержащие признаки, отличающие изобретение от прототипа. Так известны авторские свидетельства на составы сталей, в которых вводится ванадий в комплексе с другими элементами с целью повышения прочности и механических свойства, кальций и магний в комплексе с церием, гафнием, цирконием с целью повышения термостойкости стали или прочности стали в состаренном состоянии. Необходимо отметить, что при патентном поиске не выявлено технических решений, в которых с целью повышения сопротивления малым пластическим деформациям вводятся ванадий, медь, кальций и магний в указанных количествах.

Таким образом, содержание элементов и их соотношение в стали обеспечивает новые свойства - повышение сопротивления малым пластическим деформациям, что дает возможность сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Химический состав предлагаемой стали и стали прототипа, характеристики сопротивления малым пластическим деформациям представлены в таблице.

В результате введения ванадия в пределах 0,1-0,5 мас.%, меди в пределах 0,3-0,5 изменяются тонкая структура, плотность дислокации, их распределение, а также ход процессов, происходящих в тонкой структуре в области микропластических деформаций: повышается энергия термической активации скольжения, что приводит к повышению стабильности тонкой структуры. Кроме того, введение ванадия и меди изменяет энергию дефектов упаковки и таким образом, повышается сопротивление малым пластическим деформациям.

Введение меди в указанных пределах снижает точки мартенситного превращения, что обеспечивает изменение субструктуры стали, плотности дислокаций, их распределения, способности к движению и размножению в процессе деформирования.

Содержание ванадия свыше 0,5 мас.% приводит к появлению значительной объемной доли карбидов, при этом нарушается равномерность их распределения, что неблагоприятно влияет на сопротивление малым пластическим деформациям. Кроме того, ванадий является ферритообразующим элементом, что также необходимо учитывать при легировании. Содержание ванадия ниже 0,1 мас.% не создает достаточной объемной доли карбидов, что соответственно, не определяет изменений тонкой структуры, обеспечивающих повышение сопротивления микропластических характеристикам.

При содержании в составе стали меди свыше 0,5% не происходит значительного роста характеристик сопротивления микропластическим деформациям, следовательно, легирование свыше 0,5 мас.% меди не рационально. Наличие менее 0,1 мас. % меди не обеспечивает изменения тонкой структуры - не повышается энергия термической активации, не возрастает энергия дефектов упаковки.

Введение 0,002-0,001 мас. % кальция в комплексе с 0,001-0,005% магния также обеспечивает рост сопротивления малым пластическим деформациям. Влияние указанного количества кальция обусловлено тем, что кальций, являясь поверхностно активным элементом, влияет на границы зерен, очищая их от вредных примесей (кислород, сера), в результате чего изменяются процессы движения дислокаций в условиях приложенных нагрузок, что обеспечивает рост предела упругости и модуля упругости.

При этом введение кальция до 0,001 мас.% не влияет благоприятно на границы зерен, что не обеспечивает повышение сопротивления микропластическим деформациям; содержание кальция свыше 0,02 мас.% не усваивается в процессе выплавки, что обусловлено низкой растворимостью кальция в стали, и, следовательно, не обеспечивает рост характеристик сопротивления микропластическим деформациям.

Для достижения поставленной задачи в сталь вводится 0,001-0,005 мас.% магния в комплексе с кальцием (0,001-0,02 мас.%), а также ванадием и медью в указанных пределах. Действие магния аналогично воздействию кальция, при этом комплексное влияние кальция и магния обеспечивает рафинирование границ зерен благодаря образованию глобулярных неметаллических включений (преимущественно оксисульфидов); введение магния повышает эффективность очищения границ кальцием.

Содержание магния ниже 0,001 мас.% не оказывает влияния на сопротивление микропластическим деформациям, так как не обеспечивает достаточного очищения границ зерен от вредных примесей и соответственно не предотвращает блокировку дислокаций вредными примесями; введение магния свыше 0,005 мас.% сопряжено с трудностями при выплавке, заключающимися в появлении пироэффекта, а также ведет к снижению усвоения кальция и магния в стали и к снижению сопротивления малым пластическим деформациям.

Таким образом, введение ванадия, меди, кальция и магния в сталь предлагаемого состава приводит к увеличению сопротивления малым пластическим деформациям.

Примеры конкретного выполнения.

Сталь выплавлялась в дуговой электропечи емкостью 25 т. Заправка печи, завалка шихты, расплавление, окислительный и восстановительный периоды плавки осуществлялись по обычной технологии.

В процессе выпуска металла в ковш по мере наполнения ковша металлом до 1/3 присаживают кальций, по мере наполнения 2/3 ковша присаживают магний в количествах 240 г/т и 160 г/т соответственно. Химический состав полученной стали представлен в таблице.

Из стали по общепринятой технологии производили прокат диаметром 22 мм, из которого изготавливались образцы для изучения сопротивления малым пластическим деформациям.

Определение предела упругости проводили в процессе одноосного распоряжения в соответствии с ГОСТ 1497-84. Модуль упругости определяли методом резонансных колебаний.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемая сталь имеет более высокие характеристики сопротивления малым пластическим деформациям.

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний и марганец, хром, никель, титан и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, медь, кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,07 - 0,12 Кремний 0,50 - 0,80 Марганец 1,0 - 2,0 Хром 17,0 - 19,0 Никель 8,0 - 11,0 Титан 0,4 - 0,6 Ванадий 0,1 - 0,5
Медь 0,3 - 0,5
Кальций 0,001 - 0,2
Магний 0,001 - 0,005
Железо Остальное