Высокопрочная нержавеющая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям, и может быть использовано при производстве высокопрочной коррозионно-стойкой проволоки и ленты. Предложенная сталь содержит углерод, хром, никель, марганец, кремний, азот, железо, кальций, церий при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,15-0,20, хром 16,5-18,5, никель 3,8-4,5, марганец 2,5-3,0, кремний 0,3-0,6, молибден 0,9-1,5, азот 0,21-0,35, кальций 0,01-0,05, церий 0,001-0,05, железо остальное. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности в холоднодеформированном состоянии. Временное сопротивление стали на разрыв составляет σ_в 1750-2020 МПа. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям и может быть использовано при производстве высокопрочной коррозионно-стойкой проволоки и ленты.

Известна сталь (заявка Японии N 2-41578, кл. С 22 С 38/00, 38/40, 1986), содержащая (мас.%): Углерод - 0,04 - 0,10 Кремний - 1,50 - 2,50 Марганец - 0,30 - 2,0 Хром - 17,0 - 20,0 Никель - 6,0 - 10,50 Фосфор - ≤ 0,045 Сера - ≤ 0,030 Алюминий - ≤ 0,007 Азот - 0,10 - 0,14
Железо - Остальное
Недостатком этой стали является низкая интенсивность деформационного упрочнения, что требует применения высоких суммарных деформаций для получения прочности σ_L > 1600 МПа. Кроме того, повышенные содержания дефицитного никеля существенно удорожают сталь.

Известна сталь (патент США N 4812287, кл. C 22 C 38/40, 1989), содержащая (мас.%):
Углерод - 0,08
Кремний - ≤ 1,0
Марганец - < 0,7
Хром - 17,0 - 20,0
Никель - 8,0 - 12,0
Молибден - 0,4 - 0,8
Медь - < 0,3
Фосфор - < 0,04
Сера - < 0,005
Олово - 0,03 - 0,05
Железо - Остальное
К недостаткам этой стали следует отнести невысокий коэффициент деформационного упрочнения, что не позволяет добиться требуемой прочности, и низкую стойкость к локальным видам коррозии. Высокая концентрация никеля делает сталь дорогой.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является сталь (заявка Японии N 2-41579, кл. С 22 С 38/00, 38/40, 1986), содержащая (мас.%):
Углерод - 0,04 - 0,10
Кремний - 1,50 - 2,50
Марганец - 0,30 - 2,0
Хром - 17,0 - 20,0
Никель - 6,0 - 10,50
Фосфор - ≤ 0,045
Сера - ≤ 0,030
Алюминий - ≤ 0,007
Азот - 0,15 - 0,25
Железо - Остальное
Недостатками этой стали являются низкая интенсивность упрочнения при пластической деформации, что ограничивает возможность получения высокой прочности и невысокая коррозионная стойкость.

В основу изобретения поставлена задача создания стали с высокой прочностью и пластичностью в холоднодеформированном состоянии. Поставленная задача решается тем, что сталь, содержащая углерод, хром, никель, марганец, кремний, азот, железо, дополнительно содержит молибден, кальций, церий при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод - 0,15 - 0,20
Хром - 16,5 - 18,5
Никель - 3,8 - 4,5
Марганец - 2,5 - 3,0
Кремний - 0,3 - 0,6
Молибден - 0,9 - 1,5
Азот - 0,21 - 0,35
Кальций - 0,01 - 0,05
Церий - 0,001 - 0,05
Железо - Остальное
Состав стали выбран таким образом, чтобы после термообработки перед пластической деформацией весь азот находился в твердом растворе, что при оптимизации соотношения никеля и марганца обеспечивает высокую интенсивность деформационного упрочнения аустенита, позволяющую получать прочность σ_b > 1600 МПа при деформации 70-75% с сохранением высокой пластичности проволоки и ленты. В пределах заявляемого химического состава стали снижение интенсивности деформационного упрочнения аустенита при уменьшении содержания азота и марганца в значительной степени компенсируется дополнительным упрочнением за счет образования мартенсита деформации.

Предлагаемая сталь отличается невысоким (для сталей данного класса) содержанием дорогого и дефицитного никеля, что существенно снижает ее стоимость.

Содержание азота в заявляемой стали является равновесным, что существенно облегчает технологию ее производства и снижает стоимость. Наличие в составе заявляемой стали легирующих элементов, повышающих растворимость азота в жидкой фазе (хром, молибден, марганец), позволяет получить требуемые содержания азота при плавке в обычных условиях в вакуумно-дуговых и индукционных печах в атмосфере азота без избыточного противодавления.

Содержание углерода < 0,15% приводит к снижению прочности и устойчивости аустенита. Содержание углерода > 0,20% приводит к уменьшению содержания азота в стали, что вызывает снижение коэффициента деформационного упрочнения и наличию после закалки нерастворенных карбидов хрома, что ухудшает коррозионную стойкость.

Содержание хрома < 16,5% приводит к уменьшению концентрации азота и, как результат, к снижению коэффициента деформационного упрочнения и ухудшению коррозионной стойкости стали. Содержание хрома > 18,5% приводит к образованию σ-фазы при термообработке, выделение которой вызывает охрупчивание стали.

Содержание никеля < 3,8% приводит к ухудшению пластичности при холодной деформации и снижению коррозионной стойкости, а содержание > 4,5% уменьшает растворимость азота.

Концентрация марганца < 2,5% уменьшает растворимость азота и снижает степень деформационного упрочнения стали, что приводит к снижению прочности стали, а концентрация марганца > 3,0% ухудшает коррозионную стойкость и ускоряет процесс образования σ-фазы, что снижает пластичность стали.

Содержание кремния < 0,3% приводит к снижению интенсивности деформационного упрочнения. Содержание кремния > 0,6% снижает растворимость азота и углерода в аустените, чем затрудняет растворение карбидов и нитридов при нагреве под аустенитизацию и, соответственно, облегчает их выделение при замедленном охлаждении или отпуске, обуславливая при этом их неравномерное распределение, что способствует охрупчиванию стали и ухудшению стойкость стали к межкристаллитной коррозии. Кроме того, из-за увеличения доли ковалентных и направленных связей в решетке аустенита снижается пластичность стали и возрастает сопротивление стали горячей деформации, т.е. затрудняется прокатный передел.

Содержание молибдена < 0,9% снижает эффект твердорастворного упрочнения и коррозионную стойкость стали, а концентрация > 1,5% уменьшает стойкость к межкристаллитной коррозии, способствует образованию труднорастворимых карбидов и нитридов, для растворения которых необходимо повышать температуру термической обработки стали.

Содержание азота < 0,21% уменьшает устойчивость аустенита, снижает предел прочности и предел текучести, ухудшает коррозионную стойкость. Увеличение содержания азота > 0,35% затрудняет технологию выплавки стали, требует увеличения концентрации легирующих элементов, повышающих предел растворимости азота в аустените (Cr, Mn, Mo).

Содержание кальция < 0,01% затрудняет процесс раскисления стали при выплавке и не обеспечивает в полной мере десульфурацию металла, что, в конечном итоге, снижает стойкость стали к питтинговой и межкристаллитной коррозии. Содержание кальция > 0,05% приводит к охрупчиванию стали.

Содержание церия < 0,001% затрудняет процесс раскисления стали и удаления серы в процессе выплавки, а также ухудшает способность молибденсодержащих сталей к горячей деформации, снижает деформируемость и вязкость стали. Содержание церия > 0,05% может вызывать некоторого рода красноломкость стали.

Опытные плавки выплавлены в лабораторных условиях. Выплавку проводим на химически чистых шихтовых материалах, в индукционной печи, в атмосфере азота. Берем шихту (мас.%), состоящую из железа - 73,08%, хрома - 18,0%, никеля - 4,2%, марганца - 2,8%, молибдена - 1,2%, углерода - 0,18%, кремния - 0,5%, кальция - 0,02%, церия - 0,02%.

Загружаем шихту в керамический тигель и помещаем в индукционную печь. Нагрев осуществляется до температуры плавления шихтовых компонентов в атмосфере азота. Легирование азотом до равновесной концентрации осуществляется в процессе плавки в атмосфере азота. Полученный расплав выливаем в изложницу для кристаллизации.

Химический состав плавок приведен в табл. 1.

Слитки прокатывают в прутки диаметром 8,0 мм, из которых чередованием термообработок и холодного волочения получают проволоку диаметром 3,0 мм (суммарная деформация 70%). Термообработку катанки и промежуточных заготовок проводят с нагревом до 1150^oC и закалкой в воду. Результаты испытаний механических свойств проволоки из опытных сталей приведены в табл. 2.

Как видно из результатов, предложенная сталь обладает более высокой прочностью и пластичностью, чем известная сталь.

Заявляемый состав стали можно получить как в лабораторных, так и в промышленных условиях.

Формула изобретения

Высокопрочная нержавеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, марганец, кремний, азот, железо, кальций, церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,15 - 0,20
Хром - 16,5 - 18,5
Никель - 3,8 - 4,5
Марганец - 2,5 - 3,0
Кремний - 0,3 - 0,6
Молибден - 0,9 - 1,5
Азот - 0,21 - 0,35
Кальций - 0,01 - 0,05
Церий - 0,001 - 0,05
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2