Мартенситная нержавеющая сталь улучшенной обрабатываемости

 

Предлагается мартенситная нержавеющая сталь, имеющая улучшенную обрабатываемость в следующий составе, мас.%: углерод ниже 1, 2, кремний не более 2, марганец не более 2, хром 10,5 - 19, сера не более 0,55, кальций не ниже 32·10^-4, кислород не ниже 70·10^-4, железо - остальное, причем соотношение между содержанием кальция и кислорода 0,2 - 0,6. Сталь подвергают, по меньшей мере, термообработке закладкой, для получения мартенситной структуры. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 9 табл.

Изобретение относится к нержавеющей мартенситной стали с улучшенной обрабатываемостью.

Нержавеющими сталями называют сплавы железа, содержащее по меньшей мере 10,5% хрома.

В состав стали входят другие элементы, модифицирующие структуры и свойства сплава. Различают четыре основные структуры: мартенситные стали, ферритные стали, аустенитные стали, аустенитно-ферритные стали.

Мартенситные стали содержат обычно от 12 до 18% хрома, а содержание углерода может достигать приблизительно 1% Многочисленные элементы сплава, такие как Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb допускают широкий диапазон свойств и позволяют применять их по различному назначению в механических конструкциях для изготовления инструментов, ножей, изделий, оксидированных при высокой температуре. Их оригинальность заключается в сочетании хорошего сопротивления коррозии, зависящим в основном от хрома, с повышенными механическими характеристиками, присущими мартенситной структуре.

Существует широкий диапазон мартенситных нержавеющих сталей, составов их и весьма разнообразных особенностей применения. Среди наиболее обычных марок можно назвать: марки с хромом-углеродом без никеля. Исследуемыми характеристиками являются твердость, сопротивление коррозии, шлифовка; марки с 16% хрома плюс никель. Присутствие хрома придает им хорошее сопротивление коррозии, никель (от 2 до 4%) позволяет получать мартенситную структуру после закалки; марки со структурным упрочнением, имеющие высокое сопротивление коррозии при высоких механических характеристиках; улучшенные с содержанием хрома 12% (добавление таких элементов как ванадий, молибден, вольфрам, кремний, ниобий, титан). Целью является повышение одного или нескольких свойств материала, например прочности при высоких температурах, текучести, коэффициента удельного сопротивления удару, сопротивление коррозии и т.д.

Для всех этих марок структуры конечного продукта и его механические характеристики сильно зависят от термической обработки. В качестве обычной термообработки применяют закалку, отпуск и смягчающий отжиг.

Закалка имеет целью придать стали мартенситную структуру и высокую твердость.

Отпуск позволяет повысить ковкость, которая после закалки является невысокой, а смягчающий отжиг позволяет получать металл, который можно подвергать усложненным операциям применения, таким, как некоторые способы механической обработки или штамповки.

Обработка стали осуществляется в зависимости от состава (точнее от температуры отпуска, от времени, от типа охлаждения и т.д.).

Мартенситные нержавеющие стали являются труднообрабатываемыми. Это объясняется следующим.

Высокая твердость вызывает механический износ инструментов, подвергающихся значительным режущим нагрузкам, выходящим за предел сопротивления разрыву.

С другой стороны, повышенные силы трения, в сочетании со средней удельной теплопроводностью, могут вызывать повышенные температуры на поверхности контакта инструмент/материал, следствием чего является термическая усталость и износ в результате диффузии.

Вместе с тем область фракционирования стружек очень часто невелика.

Наконец, присутствие таких твердых окисей, как окись алюминия или хромистый железняк, представляет фактор, усугубляющий износ режущего инструмента.

Износы инструментов имеют, следовательно, различные первопричины для мартенситных сталей (повышенная твердость, значительные трения) по сравнению с аустенитными сталями (холодная ковка, низкая удельная теплопроводность, плохое фракционирование стружек).

Было использовано много способов для улучшения обрабатываемости, но все они имеют недостатки.

Присоединение серы, которая может образовывать с марганцем сернистые соединения, иногда замещенные хромом, ухудшает сопротивление коррозии, способность к деформации в горячем и холодном состоянии, свариваемость, а также механические характеристики в поперечном направлении.

Присоединение селена служит дополнением к сере, он приводит к сфероидизации сульфидов и улучшает тем самым механические характеристики в поперечном направлении. Кроме своей стоимости этот элемент является высокотоксичным.

Введение теллура позволяет также сфероидизировать сульфиды и приводит, таким образом, к уменьшению анизотропии стали, в частности анизотропии ее механических свойств. Разумеется, он улучшает также обрабатываемость, но имеет недостаток, заключающийся в снижении способности к превращению в горячем состоянии. По этой причине его применение ограничено.

Присоединение свинца, который нерастворим в стали, осуществляется в форме шаровидных включений, но этот элемент имеет тот недостаток, что он является токсичным и ухудшает ковкость.

Из патента Франции А-2 648 477 известна ресульфированная аустенитная сталь с улучшенной обрабатываемостью, содержащая в своем весовом составе такое количество кальция и кислорода, которое улучшает обрабатываемость.

Итак, хорошо известно, что аустенитные нержавеющие стали трудны для обработки, большей частью по причине их слабой теплопроводности, вследствие чего имеют плохой отвод тепла на острие режущего инструмента и быстрый износ инструмента и его быструю нагартовку, вызывающую местами зоны повышенной твердости.

Во время механической обработки стали вследствие повышенных температур резки, эти включения играют роль смазочного материала на поверхности контакта стали с обрабатывающим режущим инструментом, приводя, таким образом, к снижению износа режущих инструментов и к лучшему внешнему виду поверхности обрабатываемых деталей.

Кроме того, в области механической обработки аустенитные стали не требуют значительной термообработки, способной изменять физико-химическое состояние стали и включений.

Мартенситные стали способны к закалке и, что касается характеристик, они могут иметь высокую твердость. Поэтому проблема трудности механической обработки решена неполностью.

Изобретение имеет целью снижение трудностей, встречаемых при механической обработке мартенситовых сталей, при сохранении их свойств деформируемости или ковкости в горячем и холодном состоянии, их механических характеристик и их особенностей при термических обработках.

Согласно изобретению мартенситная сталь, имеющая высокую обрабатываемость, отличается следующим составом (в вес.): углерод ниже 1,2% кремний ниже или равен 2% марганец ниже или равен 2% хром от 10,5 до 19% сера ниже или равна 0,55%
кальций выше 32,10^-4%
кислород выше 70,10^-4,
причем соотношение содержания кальция и кислорода Ca/O составляет от 0,2 до 0,6, вышеназванную сталь подвергают, по меньшей мере, термообработке путем закалки, для получения мартенситной структуры.

Согласно дополнительным признакам изобретения:
сталь включает серу в количестве, ниже или равном 0,035%
сталь включает серу в количестве от 0,15 до 0,45% вышеназванная сталь ресульфированная;
сталь включает, кроме того, никель в количестве, ниже или равном 6%
сталь включает, кроме того, молибден в количестве, ниже или равном 3%
в состав стали включены, кроме того, элементы из группы вольфрам, кобальт, ниобий, титан, тантал, цирконий, ванадий, молибден в следующих весовых количествах: вольфрам макс. 4% кобальт макс. 4,5%
ниобий макс. 1% титан макс. 1% тантал макс. 1% цирконий макс. - 1% ванадий макс. 1% молибден макс. 3% кроме того, сталь включает никель в количестве от 2 до 6% и медь в количестве от 1% до 5% и содержит включения силикоалюмината извести типа анортида и/или псевдоволластонита и/или геленита.

На фиг. 1 представлена тройная диаграмма SiO₂ CaO - Al₂O₃ составов окисей, вводимых в сталь согласно изобретению.

На фиг. 2 показаны кривые, характеризующие износ инструмента для различных примеров.

Мартенситные стали имеют совершенно различные составы и особенно структуру по сравнению, например, с аустенитными сталями. Поведение мартенситных сталей при механической обработке связано со специальными проблемами.

Модификация состава мартенситных сталей не позволяет надежно сохранять их свойства или еще улучшать их.

Мартенситные стали способы к закалке и, что касается характеристик, они могут иметь высокую твердость.

Эти стали, с точки зрения металлургии, сильно отличаются от аустенитных сталей. С одной стороны, они могут подвергаться закалке, и кристаллическую структуру, полученную в холодном состоянии в этих сталях, нельзя сравнивать с аустенитной структурой.

С другой стороны, обработка мартенситных сталей отличается в большинстве проблем от обработки аустенитных сталей.

В частности, за счет разной термообработки первых, металл получает свойства, определяющие его применение. Закалка (быстрое охлаждение с высокой температуры ниже температуры M_s начала превращения мартенсита, которое зависит от состава стали) позволяет получать, исходя из аустенитной структуры в горячем состоянии мартенситную структуру. Она обычно следует за отпуском (выдержка при промежуточной температуре, в зависимости от стали), которая позволяет повышать невысокую после закалки ковкость.

Некоторые марки мартеновских сталей подвергаются смягчающей обработке. Эту обработку применяют, когда металл должен подвергаться усложненным операциям применения, таким как некоторые способы механической обработки или штамповки. В этом случае мартенситная структура металла изменяется на ферритную с включениями карбида хрома.

Однако мартенситную структуру и ее механические характеристики можно снова обнаружить после соответствующей термообработки.

Наконец, химический состав мартенситных сталей очень отличается от химического состава аустенитных сталей, что впрочем объясняется частично необходимостью иметь достаточно высокую температуру начала превращения мартенсита M_s. Они содержат небольшое количество никеля (менее 6%), имеют низкое содержание хрома для нержавеющих сталей (от 11 до 19% хрома).

Согласно изобретению мартенситная сталь имеет следующий весовой состав: углерод не более 1,2% кремний макс. 2% марганец макс. 2% хром от 10,5 до 19% сера макс. 0,4% кальций не менее 32,10^-4% кислород - не менее 70,10^-4% причем, соотношение содержания кальция и кислорода Ca/O составляет от 0,2 до 0,6; вышеназванную сталь подвергают,по меньшей мере, закалке для получения мартенситной структуры.

Неожиданным образом выяснилось, что при вводе ковких окисей в мартенситную структуру выбранные окиси, т.е. силикоалюминаты извести типа анортида и/или псевдоволластонита и/или геленита, представленные на тройной диаграмме фиг. 1, сохраняют основные свойства в мартенситной стали после термообработки, которой подвергают вышеназванную сталь, без ухудшения механических свойств с заметным улучшением свойств обрабатываемости.

Однако включение ковких окисей оказывает благоприятное действие на обрабатываемость только по той причине, что здесь используется матричная структура.

Заявитель, к своему удивлению, установил, что матричная структура тоже является различной, как структура мартенситных сталей, эти окиси тоже оказывают благоприятное действие на обрабатываемость.

Кроме того, не было очевидным, что из-за различий в обработке заявитель может получить такие же включения в стали.

Заявитель неожиданно констатировал, в частности, что термообработка ничего не изменяет в природе включений.

Не происходит или, по меньшей мере, нет значительной модификации аналитического состава включений, в том числе, диффузии в твердом состоянии, и это во время термообработки, которой подвергают мартенситную сталь.

Кроме того, проблема механической обработки мартенситных сталей сильно отличается от проблем, имеющихся в аустенитных сталях.

В противоположность этим последним, они не подлежат холодной деформации, а их электрическая проводимость достаточно высока.

Зато главной проблемой мартенситных сталей для механической обработки является твердость.

Трудно было предположить, что идентичные включения могут оказывать благоприятное действие, тогда как проблемы механической обработки имеют, напротив, другие причины.

Оказывается, что при механической обработке мартенситных сталей ковкие окиси при температурах механической обработки этих сталей достаточно нагреваются для образования смазочной пленки, постоянно регенерируемой включениями окисей, присутствующих в металле. Эта смазочная пленка позволяет уменьшить трение в инструменте. Таким образом, действие большой нагрузки, вызванной большой твердостью материала, сокращается.

Были испытаны два виде мартенситных сталей, одна содержала в своем составе серу в количестве от 0,15 до 0,45% другая имела в составе серу в количестве ниже 0,035%
Было отмечено, что присутствие ковких окисей в стали не изменяет сопротивления коррозии, в том числе точечной или кавернозной, также для состава с низким содержанием серы, как в ресульфированном составе.

Обычно выигрыш, полученный в механической обработке, ни в коем случае не ухудшает такие характеристики, как ковкость или способность к деформации в горячем или в холодном состоянии.

Было также отмечено, что введенные окиси сохраняют свои свойства, независимо от проведенной термообработки.

Согласно изобретению введение ковких окисей, проведенное без учета количества углерода с присоединенным азотом, которое уменьшается, имеет тенденцию, как доказано, к снижению механических характеристик.

Изобретение относится также к мартенситной стали, в состав которой введено от 2 до 6% никеля и от 1 до 5% меди или менее 3% молибдена.

Никель необходим в сталях, содержащих более 16% хрома, чтобы получить после закалки мартенситную структуру.

В марках со структурным твердением никель кроме своей вышеназванной роли (уменьшение количества дельтаферрита) должен образовывать с медью фазу "Nl₃Cu", которая повышает твердость металла. Твердение здесь получают, в основном, за счет углерода, содержание которого остается сравнительно низким.

Медь в комбинации с металлом позволяет получать структурное твердение и, следовательно, повышать механические характеристики.

Молибден улучшает сопротивление коррозии и оказывает благоприятное действие на твердость после отпуска стали и улучшает также упругую деформацию.

Мартенситная сталь согласно изобретению может содержать также стабилизирующие элементы из группы вольфрам, кобальт, ниобий, титан, тантал, цирконий в следующих весовых количествах: вольфрам макс. 4% кобальт макс. - 4,5% ниобий макс. 1% титан макс. 1% тантал макс. 1% цирконий макс. - 1%
В примере применения мартенситной стали A по изобретению состав стали следующий (см. табл. 1), в которую введен: Ca 30·10^-4% O 129·10^-4%
Соотношение содержания кальция и кислорода равно 0,22.

В этом примере сталь A содержит в качестве остатка менее 0,5% никеля и менее 0,2% меди.

Эту сталь сравнивали с двумя сталями ссылки, которые имеют следующие составы (см. табл. 2).

Трис стали подвергают испытаниям на обрабатываемость резанием.

Обработку резанием осуществляют с помощью точильных дисков из цельного карбида, испытание обозначают V_b 30/0,3, оно заключается в определении скорости, для которой износ оболочки составляет 0,3 мм после 30 мин механической обработки и также с дисками из карбидного покрытия, испытание обозначают V_b 15/0,15, оно заключается в определении скорости, для которой износ оболочки составляет 0,15 мм после 15 мин механической обработки.

Из табл. 3 видно, что механические свойства нисколько не ухудшаются при введении включений ковких окисей для двух термообработок смягчением, т.е. включающих закалку в масле при 950^oC, выдерживание в течение четырех часов при 820^oC, медленное охлаждение до 650^oC, затем охлаждение на воздухе и "обработку", т.е. закалку при 950^oC, отпуск при 640^oC и охлаждение на воздухе.

Опыты показали, что так называемые "обработанные" стали обрабатываются лучше, чем смягченные стали.

В другом примере применения дана мартенситная сталь, которая имеет один следующий весовой состав (см. табл. 4).

В этом примере сталь B содержит в качестве остатка менее 0,5% никеля и менее 0,2% меди.

Эту сталь сравнивали со стандартной сталью ссылки, не содержащей в своем составе ковких окисей, и ее состав следующий (см. табл. 5).

В табл. 6 отмечают, что механические характеристики, сравниваемые между сталью ссылки 3 и сталью B по изобретению, не показывают значительных различий, как в случае смягченного состояния стали, так и обработанной стали.

Табл. 7 представляет характерные величины опытов механической обработки и показывает, что стали, обработанные по изобретению, дают выигрыш в обрабатываемости от 25 до 30%
В третьем примере применения две мартенситные стали C и D по изобретению имеют следующие составы (см. табл. 8).

Стали C и D сравнивали со сталями ссылки, не содержащими ковких окисей, их весовые составы следующие (см. табл. 9).

Эти стали содержат в своем составе медь и никель и относятся к сплавам со структурным твердением.

Обычно встречаются три металлургических состояния, соответствующие различной термообработке:
состояние закалки; закалка в масле при 1050^oC, затем отпуск при 250^oC. R_m 1000 MPa
состояние старения, в котором металл имеет свою максимальную твердость: закалка при 1050^oC, затем отпуск при 450^oC. R_m 1400 MPa,
состояние смягчения: закалка при 1050^oC, отпуск при 760^oC в течение 4 часов, второй отпуск при 620^oC. R_m 900 MPa.

Особенность этого типа марок заключается в том, что они не изменяют своих размеров при термообработке. Следовательно, их можно подвергать механической обработке, затем старению.

Сталь D согласно изобретению подвергали механической обработке в закаленном состоянии, т.е. ее подвергали закалке при 1050^oC в масле. Как показано на кривых фиг. 2, присутствие ковких окисей значительно повысило обрабатываемость, что характеризуется уменьшением износа инструмента. В самом деле, этот износ составляет от 0,15 мм после 15 мин механической обработки со скоростью 190 м/мин, с подачей 0,16 мм/оборот, с глубиной резания 1,5 мм для стали согласно источнику 4 до износа 0,125 мм для стали D.

Сталь D по изобретению позволяет получать в смягченном состоянии скорость резки 240 м/мин, тогда как сталь согласно источнику 5 позволила получать скорость резания 210 м/мин. Отмеченный выигрыш составляет 20%
С этими различными примерами применения было обнаружено, что мартенситные стали, содержащие в своем составе ковкие окиси, имеют улучшенную обрабатываемость, окиси не ухудшают других вышеназванных характеристик сталей.

Формула изобретения

1. Мартенситная нержавеющая сталь улучшенной обрабатываемости, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, серу, кальций, кислород, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод Ниже 1,2
Кремний Не более 2
Марганец Не более 2
Хром 10,5 19
Сера Не более 0,55
Кальций Не ниже 32·10^-4
Кислород Не ниже 70·10^-4
Железо Остальное
причем соотношение между содержанием кальция и кислорода 0,2 0,6.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит серу не более 0,035.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит серу 0,15 0,45.

4. Сталь по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель не более 6.

5. Сталь по любому из пп. 1 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден не более 3.

6. Сталь по любому из пп. 1 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит элементы, выбираемые из группы: вольфрам не более 4, кобальт не более 4,5, ниобий не более 1, титан не более 1, тантал не более 1, цирконий не более 1, ванадий не более 1, молибден не более 3.

7. Сталь по пп. 1 и 6, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель 2 6, медь 1 5.

8. Сталь по любому из пп. 1 7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит включения силикоалюмината извести типа анортита, и/или псевдоволластонита, и/или геленита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

PD4A - Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:
ЮЖИТЕК (FR)

Адрес для переписки:
103735, Москва, ул. Ильинка, 5/2, ООО "Союзпатент"

Извещение опубликовано: 10.06.2007        БИ: 16/2007

---