Коррозионно - стойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии деформируемых высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых в судостроении, гидротурбостроении, в частности при производстве деталей судовых гребных винтов и рабочих колес гидротурбин, работающих в коррозионной среде под действием значительных статических и циклических нагрузок. Предложена коррозионно-стойкая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношени, мас.%: углерод 0,03 - 0,06, кремний 0,04 - 0,4, марганец 1,0 - 1,5, хром 14,0 - 15,5, никель 4,0 - 4,4, медь 0,4 - 0,95, молибден 0,01 - 0,28, церий 0,01 - 0,1 и железо - остальное. Техническим результатом изобретения является создание высокопрочной стали, обладающей более высокой технологичностью при горячей деформации при следующем уровне механических свойств: предел текучести не менее 650 МПа, предел прочности не менее 709 МПа, относительное удлинение не менее 19%, коррозионная усталость образцов с надрезом на базе 100 · 10⁶ циклов - 150 МПа. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии деформируемых высокопрочных коррозионно-стойких сталей, в частности, используемых в судостроении, гидротурбостроении и других отраслях промышленности, и конкретно при производстве деталей судовых гребных винтов и рабочих колес гидротурбин, работающих в коррозионной среде под давлением значительных статических и циклических нагрузок.

В настоящее время для изготовления этих деталей используются стали мартенситного класса марок 06Х12Н3Д (а.с. N 250461) и 08Х14НД (а.с. N 994576). Эти стали обладают достаточно высоким уровнем механических свойств, хорошей коррозионной стойкостью и сопротивляемостью хрупким разрушениям.

Однако они чувствительны к концентраторам напряжений, имеют недостаточно высокий уровень коррозионной усталости и недостаточно технологичны при деформировании, что зачастую является причиной брака при изготовлении деталей ответственного назначения ковкой или прокаткой.

Наиболее близкой по составу ингредиентов и технической сущности к заявляемой стали является сталь марки 08Х15Н4ДМЛ (по авт. св. N 665018), принятая за прототип и содержащая мас.: Углерод 0,05 - 0,1 Кремний 0,01 - 0,4 Марганец 1,0 - 1,5 Хром 14,0 - 16,0 Никель 3,5 - 3,9 Медь 1,0 - 1,5 Молибден 0,3 - 0,45 Кальций 0,01 - 0,1 Иттрий 0,01 - 0,1
Железо Остальное
Сталь-прототип обладает достаточно высокими механическими свойствами в деформированном состоянии:
σ_0,2≥ 630 МПа
σ_b≥ 780 МПа
δ_S≥ 18%
Ψ ≥ 48%
KV^-10≥42 Дж
Уровень коррозионной усталости на образцах с острым надрезом (коэффициент концентрации ≈5) составляет 120 МПа на базе 100·10⁶ циклов в синтетической морской воде.

Сталь-прототип имеет более высокий уровень коррозионной усталости, значительно менее чувствительна к концентраторам напряжений и более технологична при деформировании по сравнению с первыми аналогами.

Однако эта сталь имеет следующие недостатки:
- содержание на верхнем пределе хрома и молибдена увеличивает в структуре стали количество дельта-феррита, что вызывает снижение предельной пластичности стали (количество оборотов до разрушения образца при кручении), тем самым понижая деформируемость стали, вызывая образование трещин на заготовках;
- содержание в стали меди на верхнем пределе повышает склонность стали к дисперсионному твердению, что также приводит к снижению ее предельной пластичности;
- содержание в стали хрома и углерода на верхнем пределе приводит к заметному снижению уровня влажности.

Технологическим результатом, обеспечиваемым изобретением, является создание высокопрочной коррозионно-стойкой стали, обладающей более высокой технологичностью (предельной пластичностью) при горячем деформировании, более высоким уровнем механических свойств и более высокой сопротивляемостью коррозионной усталости.

Поставленная задача достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, железо, дополнительно вводят церий при следующем соотношении компонентов, мас.:
Углерод 0,03 - 0,06
Кремний 0,04 - 0,4
Марганец 1,0 - 1,5
Хром 14,0 - 15,5
Никель 4,0 - 4,4
Медь 0,7 - 0,95
Молибден 0,11 - 0,28
Церий 0,01 - 0,1
Железо Остальное
Предлагаемая сталь исследовалась на металле лабораторных и промышленных плавок, проведенных в ЦНИИ КМ "Прометей" по следующим характеристикам:
- механические свойства проверены на 10 лабораторных и 4 промышленных плавках;
- предельная пластичность определялась на 8 лабораторных и 3 промышленных плавках;
- коррозионная усталость исследовалась на 5 лабораторных и 3 промышленных плавках.

Для сравнения исследовались механические свойства, коррозионная усталость и предельная пластичность известной стали-прототипа.

В таблице приведены результаты испытаний предлагаемой стали с содержанием легирующих элементов на верхнем и нижнем пределах легирования, а также среднемарочного состава. По сравнению с известной сталью (авт.св. N 665018) предлагаемая сталь обладает следующими преимуществами.

1. Более высокой предельной пластичностью, что достигается снижением в структуре стали содержания дельта-феррита благодаря увеличению содержания никеля (4,0 - 4,4%), снижению содержания хрома (14,4 - 15,5%) и молибдена (0,11 - 0,28), а также снижением содержания меди (0,7 - 0,95%), что уменьшает скорость стали к дисперсионному твердению. В результате повышается технологичность стали при горячем деформировании (прокатке, ковке).

2. Более высокой сопротивляемостью коррозионной усталости, достигаемой за счет структуры стали вследствие введения в состав стали церия (0,01 - 0,1%) и повышения прочности характеристик при высоком уровне пластичности и вязкости стали.

Содержание церия в стали выше указанного приводит к цериевой неоднородности, что снижает характеристики вязкости и пластичности.

3. Более высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин в отливках вследствие введения в состав стали церия, обеспечивающего измельчение первичного зерна при затвердевании металла.

Для получения требуемых механических свойств сталь после горячей деформации должна подвергаться специальной термической обработке, обеспечивающей следующий уровень механических свойств:
σ_0,2≥ 650 МПа, σ_b≥ 790 МПа, δ_S≥ 19%, Ψ ≥ 50%, KV^-10≥45 Дж
Критическая температура перехода стали из вязкого в хрупкое состояние при динамическом изгибе (Т_к) равна минус 100^oC и при статическом изгибе (Т_кдс) равна минус 60^oC.

Сталь имеет более высокую стойкость против язвенной коррозии.

Условный предел коррозионной усталости стали (σ_-1k) при испытании в морской воде образцов диаметром 10 мм с надрезом (коэффициент концентрации ≈5) составляет не менее 150 МПа на базе 100·10⁶ циклов.

Предельная пластичность стали - не менее 9 оборотов до разрушения образца при кручении.

Указанные преимущества позволяют использовать предлагаемую сталь для изделий ответственного назначения, работающих в коррозионной среде, а также при пониженных температурах под воздействием значительных статических и ударно-циклических нагрузок.

Формула изобретения

Коррозионностойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,03 - 0,06
Кремний - 0,04 - 0,4
Марганец - 1,0 - 1,5
Хром - 14,0 - 15,5
Никель - 4,0 - 4,4
Медь - 0,7 - 0,95
Молибден - 0,11 - 0,28
Церий - 0,01 - 0,1
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1

PD4A - Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:
Федеральное государственное унитарное предприятие “Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов “Прометей”

(73) Новое наименование патентообладателя:
Открытое акционерное общество “Силовые машины – ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт”

(73) Новое наименование патентообладателя:
Акционерное общество открытого типа “Ижорские заводы”

Извещение опубликовано: 27.10.2004        БИ: 30/2004