Аустенитная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составу нестабильной аустенитной стали, и может быть использовано в качестве материала для изготовления высокопрочных коррозионно-стойких упругих элементов, работающих при температурах до 300°С, таких как цилиндрические пружины тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей. Цель изобретения - повышение сопротивления малым пластическим деформациям при сохранении уровня пластичности и снижение стоимости стали. Для достижения цели сталь дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10 - 0,15; хром 16,0 - 19,0; никель 5,5 - 6,5; марганец 1,5 - 3,0; кремний 1,0 - 2,5; молибден 1,0 - 1,5; ванадий 0,50 - 0,90; кальций 0,001 - 0,05; азот 0,10 - 0,15; железо остальное, при суммарном содержании азота и углерода 0,20 - 0,25. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам нестабильных аустенитных сталей на хромоникелевой основе, и может быть использовано в качестве материала для изготовления высокопрочных коррозионно-стойких упругих элементов, работающих при температуре до 300^оС, таких как цилиндрические пружины тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей.

Известны нержавеющие хромоникелевые аустенитные стали, высокие прочность и сопротивление малым пластическим деформациям в которых достигаются за счет обработки, состоящей из закалки на пересыщенный γ-твердый раствор, значительной холодной пластической деформации и старения. К указанному классу относится сталь (1), имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,10-0,20 хром 18,0-22,0 никель 9,0-12,0 марганец 2,5-4,5 кремний 2,1-3,0 молибден 1,0-4,0 медь 0,20-0,50 железо остальное Данная сталь нашла применение для изготовления теплостойких упругих элементов, однако ее широкому распространению препятствуют недостаточные прочностные характеристики.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому результату является нержавеющая аустенитная сталь, применяемая для производства пружин тормозной аппаратуры автомобилей ЗЛ и КАМАЗ и содержащая следующие компоненты, мас.%: углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 7,0-9,0 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 железо остальное Эта сталь после соответствующей обработки обладает высокой прочностью при удовлетворительной пластичности. Однако постоянно растущие требования к уровню эксплуатационной надежности тормозной аппаратуры обуславливают необходимость разработки сталей с более высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, которое в значительной степени определяет эксплуатационную надежность изделий при циклическом нагружении. Кроме того, крайне желательно снижение в стали содержания остродефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, в частности никеля.

Цель изобретения - снижение стоимости стали и повышение ее сопротивления малым пластическим деформациям при сохранении уровня пластичности.

Цель достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, хром, никель, марганец, кремний, молибден, ванадий и кальций, согласно изобретению дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас. % : углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 5,5-6,5 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 азот 0,10-0,15 железо остальное Причем суммарное содержание азота и углерода составляет 0,20-0,25 мас.%.

Введение азота в количестве 0,10-0,15 мас.% обеспечивает предотвращение образования в результате нагрева под закалку δ-феррита, связанного со снижением содержания никеля и отрицательно влияющего на холодную пластичность хромоникелевых сталей. Кроме того, компенсируется уменьшение стабильности аустенита по отношению к мартенситообразованию под действием деформации вследствие снижения содержания никеля. Наконец, азот значительно более эффективен в качестве твердорастворимого упрочнителя, чем никель, а также содействует образованию упрочняющих дисперсных вторых фаз (нитридов и карбонитридов). В данном случае азот может вводиться в сталь не только традиционным способом, но и в виде соединений с другими легирующими элементами (например, с хромом).

Верхняя граница содержания азота (0,15 мас.%) обусловлена тем, что при более высоких концентрациях его упрочняющее влияние в сталях подобного типа проявляется очень слабо, тогда как пластические характеристики начинают заметно снижаться. Нижняя граница этого элемента (0,10 мас.%) связана с тем, что при меньших концентрациях не гарантировано повышение сопротивления малым пластическим деформациям по сравнению с простым.

Нижняя граница содержания никеля (5,5 мас.%) определяется необходимостью достижения достаточного уровня суммарного содержания аустенитообразующих элементов (при выбранном содержании азота) с целью предотвращения образования δ-феррита. Верхний предел (6,6 мас.%) ограничен стремлением сохранить существующую у прототипа стабильность аустенита к образованию мартенсита деформации.

Ограничение суммарного содержания углерода и азота связано с тем, что оба эти элемента являются очень сильными твердорастворными упрочнителями и образуют упрочняющие дисперсные фазы, что сопровождаеться резким уменьшением подвижности дислокаций. В связи с этим при их суммарном содержании более 0,25 мас.% происходит значительное снижение пластичности (как технологической - в процессе волочения или прокатки, так и эксплуатационной - в изделии). В то же время суммарное содержание азота и углерода менее 0,20 мас.% не позволит реализовать необходимый уровень сопротивления малым пластическим деформациям.

Использование предлагаемой стали открывает широкие перспективы для повышения эксплуатационных характеристик различных соответственных упругих элементов, подвергающихся знакопеременным циклическим нагрузкам. Однако при этом должны использоваться достаточно чистые по примесям шихтовые материалы, поскольку содержание примесей является одним из основных факторов, определяющих уровень циклической стойкости изделия. В первую очередь это относится к компонентам, имеющим наибольший удельный вес в составе предлагаемой стали, а именно к железу (армко-железо) и хрому (например, хром алюмотермический чистый).

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что заявляемый состав отличается от прототипа введением азота при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 5,5-6,5 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 азот 0,10-0,15 железо остальное, причем суммарное содержание азота и углерода составляет 0,20-0,25 мас.%.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Известно введение азота в состав стали, который в сочетании с другими элементами обеспечивает повышение прочности и жаропрочности стали. В заявляемой стали сочетание азота с другими элементами обеспечивает повышение сопротивления малым пластическим деформациям. Следовательно, заявляемый признак проявляет новое, ранее неизвестное свойство, а техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия".

П р и м е р. Были проведены три плавки предлагаемой стали, в которых концентрация элементов колебалась в пределах указанных интервалов, а также две плавки с запредельным содержанием компонентов. Одновременно выплавили сталь с химическим составом, соответствующим составу прототипа. В табл.1 представлено содержание химических элементов (мас.%) в указанных плавках.

После выплавки в открытой индукционной печи были получены слитки массой 100 кг, которые подвергались гомогенизационному отжигу при 1180^оС в течение 8 ч, проковывались в поковки сечением 83-83 мм и прокатывались в катанку диаметром 6 мм. Из катанки была получена поволока диаметром 4,5 мм, подвергнутая термомеханической обработке по следующему режиму: закалка от 1080^оС с охлаждением в воде, последующая холодная пластическая деформация волочением до диаметра 2,25 мм (суммарное обжатие 75%) и заключительное старение при 450^оС в течение 1 ч.

В табл. 2 приведены данные об уровне механических свойств проволоки из предлагаемой стали, стали-прототипа и сталей с запредельным (по сравнению с предлагаемой) содержанием легирующих элементов. Обработка проведена по указанному режиму.

Результаты, приведенные в табл.2, свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь по уровню сопротивления малым пластическим деформациям превосходит сталь-прототип, что хорошо заметно при рассмотрении значений соответствующих характеристик σ0,05. Одновременно предлагаемая сталь не уступает прототипу ни по одному из показателей пластичности и вязкости ( Ψ, числу гибов и скручиваний).

Однако легирование предлагаемой стали указанными элементами в количествах, отличающихся от заявляемых содержаний, приводит к ухудшению комплекса достигаемых свойств.

В частности, сталь состава 6 имеет наиболее высокое сопротивление малым пластическим деформациям среди всех рассмотренных составов, но ее пластичность является самой низкой (относительное сужение у данной стали не поддается определению вследствие отсутствия шейки в месте разрыва образца). Это не позволяет использовать ее в качестве пружин для тормозной аппаратуры автомобилей как из-за технологических трудностей при волочении и навивке пружины, так и вследствие недостаточного запаса надежности в изделии.

Подобный уровень характеристик обусловлен высоким содержанием углерода и азота, таких сильных карбидообразователей как ванадий и молибден (ванадий при этом еще и сильный нитридообразователь), повышенной концентрацией кремния и марганца, существенно снижающих энергию дефектов упаковки в хромоникелевых аустенитных сталях. Кроме того, низкая пластичность обусловлена слабым рафинирующим действием кальция вследствие недостаточного его содержания и возможностью появления в структуре некоторых количеств δ-феррита вследствие роста содержания ферритообразующих элементов (хрома, кремния, молибдена, ванадия) и низкой концентраций сильного аустенизатора - никеля.

В свою очередь сталь состава 5, несмотря на вполне удовлетворительную пластичность, имеет значения σ_0,05 несколько ниже уровня прототипа. Это также связано с влиянием легирования на величину твердорастворного упрочнения и способность к образованию упрочняющих вторых фаз (понижение содержания углерода, азота, ванадия, молибдена), а кроме того, с повышением уровня энергии дефектов упаковки (пониженные содержания кремния и марганца при повышенном содержании никеля). В данном случае изменения происходят в противоположном направлении по сравнению с составом 6.

Таким образом, результаты механических испытаний и оценка экономической эффективности однозначно свидетельствуют о том, что поставленные при разработке предлагаемого состава стали цели достигнуты в полном объеме. Использование этой стали в качестве материала для изготовления пружин тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей ЗИЛ и КАМАЗ взамен известной стали позволит снизить его себестоимость при одновременном повышении уровня эксплуатационной надежности пружин.

Формула изобретения

АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, хром, никель, марганец, кремний, молибден, ванадий, кальций, азот и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения сопротивления малым пластическим деформациям при сохранении уровня пластичности и снижения стоимости, она дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,10 - 0,15 Хром 16,0 - 19,0 Никель 5,5 - 6,5 Марганец 1,5 - 3,0 Кремний 1,0 - 2,5 Молибден 1,0 - 1,5
Ванадий 0,50 - 0,90
Кальций 0,001 - 0,05
Азот 0,10 - 0,15
Железо Остальное
при суммарном содержании азота и углерода 0,20 - 0,25.