Коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь для холодной пластической деформации и изделие, выполненное из нее

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам нержавеющих трип-сталей высокой прочности и пластичности, а также к изделиям из этих сталей. Сталь может быть использована в машиностроении, в авиационной промышленности в виде лент, например, при изготовлении особо ответственных деталей летательных аппаратов, в частности, торсионов несущих винтов вертолетов толщиной 0,3 мм, при производстве клапанных пластин компрессоров толщиной до 1 мм и других тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях воздействия динамических нагрузок. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности, а также усталостной долговечности стали и изделий, выполненных из нее, при сохранении уровня коррозионной стойкости и способности к холодной пластической деформации. Сущность изобретения заключается в том, что коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь для холодной пластической деформации, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, железо и неизбежные примеси, дополнительно содержит титан и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,20-0,25; кремний 0,25-0,50; марганец 0,70-0,85; хром 14,5-16,0; никель 4,8-5,8; молибден 2,7-3,0; азот 0,10-0,13; титан 0,012-0,020; алюминий 0,05-0,05; примеси, в том числе: сера не более 0,015; фосфор не более 0,015; кислород не более 0,003; железо - остальное. При этом содержание хрома, углерода, никеля и молибдена находится в следующей зависимости: %Cr=30-(16÷17)%C-(1,4÷1,5)%Ni-(1,2÷1,3)%Mo, отношение содержания титана к углероду составляет (0,5÷0,8)•10^-2, а величина зерна не менее 7 балла по ГОСТ 5639. Коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь дополнительно содержит 0,03-0,10 мас. % церия при выполнении следующего соотношения Количество α-фазы после выплавки составляет не более 10%. Сущность изобретения заключается также в том, что изделия выполняют из коррозионно-стойкой аустенитной трип-стали для холодной пластической деформации вышеуказанных составов. 2 с. и 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам нержавеющих трип-сталей высокой прочности и пластичности, а также к изделиям, выполненным из этих сталей.

Сталь может быть использована в машиностроении, в авиационной промышленности в виде ленты, например, при изготовлении особо ответственных деталей летательных аппаратов, в частности, торсионов несущих винтов вертолетов (толщиной 0,3 мм), при производстве клапанных пластин компрессоров (толщиной до 1 мм) и других тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях воздействия динамических нагрузок.

Трип-стали представляют собой один из классов сталей, сочетание высокой прочности и пластичности которых создается подбором определенного состава стали, режимами термической обработки и пластической деформации. Состав стали должен быть таким, чтобы после закалки при комнатной температуре была получена чистая аустенитная структура, после чего проводится деформация при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации, затем - охлаждение до комнатной температуры. При этом сохраняется аустенитное состояние, которое в результате пластической деформации в процессе эксплуатации (или испытания) превращается в высокопрочное, мартенситное. Известные трип-стали, сочетающие высокую прочность и пластичность, содержат 0,3% углерода, 9% хрома, 8% никеля, 4% молибдена, 2% марганца, 2% кремния или 0,25% углерода, 25% никеля, 4% молибдена, 1,5% марганца. Механические свойства указанных сталей после закалки в пластической деформации при 400-500^oC со степенью 60-80% достигают σ_в 180-200 кГс/мм², σ_0,2= 140-170 кГс/мм², δ=20-30% (А.П. Гуляев "Металловедение". - М.: "Металлургия", 1977 г., с. 335-396).

Впоследствии было установлено, что трип-эффект наблюдается при деформации не только полностью аустенитной структуры, но также и при деформации многофазной структуры, например, структуры, содержащей феррит, бейнит и остаточный аустенит; или мартенсит и остаточный аустенит, или мартенсит, феррит и остаточный аустенит (см. WO 98/20180, УР-10-219407, ЕР 0314643).

Известна нержавеющая трип-сталь, содержащая мас.%: углерод - 0,15-0,45 хром - 12,00-16,50 никель - 3,0-5,0 железо - остальное, при этом Сr%= 25,7-(17,5-18,0)%С-(1,2-1,4)%Ni, а также изделия, выполненные из нее, например, лента толщиной 1,05 мм.

После закалки и холодной пластической деформации прокаткой сталь имеет следующие свойства: σ_в= 2110-2175 Н/мм², σ_0,2= 2030-2080 Н/мм², δ=8-14% (патент РФ 2061781, описание, МПК С 22 С 38/40, опубл. 10.06.1996).

Недостатком известной стали является низкая пластичность, недостаточная для прокатки на тонкую ленту.

Известна трип-сталь, содержащая мас. %: углерод - 0,15-0,30 кремний - 1,5-2,5 марганец - 0,6-1,8 алюминий - 0,02-0,10
медь - 0,6-2,0
никель - 0,6-2,0
железо и примеси - остальное
Сталь имеет многофазную структуру, образованную ферритом, бейнитом и остаточным аустенитом или зернистую структуру (мартенсит и аустенит в бейнитно-ферритной матрице).

Сталь подвергают конечной прокатке при 750-880^oC, охлаждают водой от 680-740^oС до 140-540^oC и сматывают при этой температуре.

Предел прочности на растяжение 92-106 кг/мм², относительное удлинение 24-26% (заявка РСТ N WO 98/20180, С 22 С 38/16, опубл. 14.05.1998).

Однако известная сталь непригодна для холодной прокатки.

Известна высокопрочная аустенитная сталь с трип-свойствами (предел прочности на растяжение до 1100 МРа), содержащая мас.%:
кремний - 0,5-6,0
алюминий - 1,0-8,0
марганец - 15,0-30,0
железо и неизбежные примеси (углерод, фосфор, сера, кислород, азот) - остальное
Сталь пригодна для холодной обработки давлением и глубокой вытяжки и может быть использована при производстве деталей кузовов, элементов жесткости, емкостей и труб для криогенных материалов (заявка ФРГ N 19727759, МПК С 22 С 38/06, опубл. 07.01.1999).

Недостатком известной стали является низкая прочность для работы в условиях динамических нагрузок.

Известна ферритная нержавеющая трип-сталь, содержащая мас.%:
углерод - до 0,10
кремний - до 1,0
марганец - 0,6-1,5
хром - 16-25,0
азот - 0,02-0,070
медь - 0,3-1,0
никель - 1,2-1,0
алюминий - 0,3-1,0
молибден - 0,2-1,0
железо - остальное
Хромовый эквивалент = Сr%+Мо%+1,5Si%=17,5-24,5
Никелевый эквивалент = Ni%+30С%+30C%+0,5Мn%=2,0-6,0
Относительное удлинение стали достигает 30%. Структура стали после закалки при комнатной температуре: 5-20% аустенита, не более 5% мартенсита (выложенная заявка Японии N 10-219407, С 22 С 38/00, опубл. 18.08.1998).

Известны нержавеющая трип-сталь и выполненные из нее изделия в виде прутка, полосы, ленты. Трип-сталь, превращения в которой происходят в результате холодной пластической деформации, содержит, мас.%:
углерод - до 0,1
кремний - 0,1-1,5
марганец - до 5,0
хром - 17-22
никель - 2,0-5,0
молибден - до 2,0
азот - до 0,2
железо и неизбежные примеси, в том числе сера и фосфор - остальное, при этом содержание легирующих элементов выбрано так, что соблюдаются следующие условия:
- содержание феррита составляет 5-45%;
- числовое значение стабильности аустенитной фазы как функции мартенситообразования выражено как S_m=462(%С+%N)+9,2%Si+8,1%Мn +13,7%Сr+34%Ni, a
475<S<600.

У известной стали высокий уровень прочности достигается при степенях деформации 50% и выше.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании высокопрочной нержавеющей аустенитной трип-стали и изделий из нее, сочетающих высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и усталостную долговечность, способную к холодной пластической деформации.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности, а также усталостной долговечности стали и изделий, выполненных из нее, при сохранении уровня коррозионной стойкости и способности к холодной пластической деформации.

Указанный технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь для холодной пластической деформации, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению, дополнительно содержит титан и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,20-0,25
кремний - 0,25-0,50
марганец - 0,70-0,85
хром - 14,5-16,0
никель - 4,8-5,8
молибден - 2,7-3,0
азот - 0,10-0,13
титан - 0,012-0,020
алюминий - 0,05-0,06
примеси, в том числе:
сера - не более 0,015
фосфор - не более 0,015
кислород - не более 0,003
железо - остальное
при этом содержание хрома, углерода, никеля и молибдена находится в следующей зависимости: %Сr= 30-(16÷17)%С-(1,4÷1,5)%Ni-(1,2÷1,3)%Мо, (I) отношение содержания титана к углероду составляет (0,5÷0,8)•10^-2 (2), а величина зерна не менее 7 балла по ГОСТу.

Коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь дополнительно содержит 0,03-0,10 мас.% церия при выполнении следующего соотношения:

Количество α-фазы после выплавки составляет не более 10%.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполняют из коррозионно-стойкой аустенитной трип-стали для холодной пластической деформации вышеуказанных составов.

Содержание в стали 14,5-16% хрома обеспечивает ее коррозионные свойства и аустенитную структуру. При содержании менее 14,5 мас.% хрома в стали после закалки не получается требуемое количество аустенита, наличие которого необходимо для холодной прокатки, выше 16 мас.% хрома - в стали возникает δ-феррит, который вызывает снижение пластичности.

Содержание в стали 0,2-0,25 мас.% углерода обеспечивает достижение требуемой высокой прочности за счет получения высокопрочного мартенсита. При содержании углерода менее 0,2 мас. % не обеспечивается необходимый высокий уровень прочности.

При содержании углерода выше 0,25 мас.% снижается пластичность.

Содержание никеля 4,8-5,8 мас.% обеспечивает устойчивость аустенита и пластичность стали в упрочненном состоянии. Повышение содержания никеля выше 5,8 мас. % приводит к удорожанию стали без дальнейшего повышения пластичности. При содержании никеля менее 4,8 мас.% не обеспечивается необходимый уровень пластичности.

Содержание марганца и молибдена в заявленных пределах дополнительно обеспечивают необходимую устойчивость аустенита.

Ограничение содержания примесей фосфора и серы до 0,015 мас.%, а также кислорода до 0,003 мас.% устраняет хрупкость стали.

Алюминий в заявленных пределах обеспечивает раскисление стали.

Кремний в заявленных пределах обеспечивает прокаливаемость стали.

Титан и церий в заявленных пределах обеспечивает измельчение зерна аустенита.

Введение азота в заявленных пределах обеспечивает образование нитридов церия и титана, измельчающих зерно.

Оптимальная устойчивость аустенита для этой стали достигается при выполнении математической зависимости (I), описывающей соотношение в стали, содержит в мас.% хрома, углерода, никеля, молибдена.

Соотношения (2) T_i/C (п.1) и (3) (п.2) обеспечивают получение оптимального размера зерна в стали - 12-16 мкм (8 балл - ГОСТ 5639).

При отклонении от зависимости (I) может иметь место 2 варианта:
1. Аустенит стали оказывается слишком неустойчивым, и тогда при закалке получается значительное количество мартенсита. Это ухудшает пластичность стали и ее способность к холодной пластической деформации и, в конечном итоге, приводит к снижению механических свойств в холоднодеформированном состоянии.

2. Аустенит оказывается слишком устойчивым и тогда при холодной деформации не обеспечивается оптимальное соотношение 2-х фаз - мартенсита и аустенита - возникает слишком мало мартенсита деформации, в результате чего не достигаются требуемые высокая прочность и пластичность.

- Ограничение количества α-фазы в стали после выплавки обеспечивает высокое качество горячекатаного подката, являющегося исходным для холодной прокатки.

Изготовление изделий из предложенной стали обеспечивает их высокие эксплуатационные свойства - прочность, коррозионную стойкость и сопротивление усталости - усталостную долговечность.

Пример 1
Сталь, содержащая 0,239% С; 5,2 мас. % Ni; 15,4% Сr; 2,95 мас.% Мо; 0,013% Ti; 0,06% Al; 0,84% Мn; 0,37% Si; 0,126% N₂ - остальное железо и примеси (0,015% S и 0,015% Р, 0,002% O₂), после выплавки в вакуумно-индукционной печи, закалки от температуры, обеспечивающей растворение карбидов и получение 100% аустенита, а также холодной пластической деформации прокаткой со степенью 38% имеет:
σ_B = 176 кг/мм²; σ_0,2 = 150 кг/мм²; δ=20-23%.

Размер зерна 17-18 мкм (8 балл.).

Пример 2
Сталь, химсостава примера 1, но дополнительно микролегированная 0,07% Се после выплавки в вакуумно-индукционной печи, закалки от температуры, обеспечивающей растворение карбидов и получение аустенитной структуры 100% аустенита, а также холодной деформации прокаткой со степенью 38% имеет:
σ_B = 186-190 кг/мм², σ_0,2 = 150-156 кг/мм², δ = 25-28%.

Размер зерна 12-14 мкм (8 балл.).

Размер зерна 12-14 мкм и 17-18 мкм - 8 балл. обеспечивает высокое сопротивление стали воздействию динамических нагрузок и усталостному разрушению.

Пример 3
Высокопрочную коррозионно-стойкую ленту толщиной 0,3 мм изготавливали из стали, содержащей 0,24% С; 0,37% Si; 0,84% Мn; 5,0% Ni; 15,3% Сr; 0,0125% Тi; 0,06% Al; 0,1% N₂; 2,75% Мо; 0,07% Се - остальное железо и примеси (S, Р - менее 0,015%; 0,002% - O₂).

Выплавка и холодная прокатка стали осуществляли по схеме, приведенной в примере 1.

Путем холодной деформации по определенному маршруту, где чередуются термообработка в защитной атмосфере и холодная деформация, изготавливали ленту толщиной 0,3 мм. Механические свойства стали в ленте:
σ_B = 188-190 кг/мм²; σ_0,2 = 153-155 кг/мм²; δ = 20-23%, размер зерна - 13-15 мкм.

Средняя усталостная долговечность циклов при усталостных испытаниях (одноосное растяжение) ассиметричный цикл σ_B = 550 МПа на базе 10⁷ циклов. Предел выносливости σ_R = 550±-390 МПа.

Формула изобретения

1. Коррозионно-стойкая аустенитная трип-сталь для холодной пластической деформации, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,20 - 0,25
Кремний - 0,25 - 0,50
Марганец - 0,70 - 0,85
Хром - 14,5 - 16,0
Никель - 4,8 - 5,8
Молибден - 2,7 - 3,0
Азот - 0,10 - 0,13
Титан - 0,012 - 0,020
Алюминий - 0,05 - 0,06
примеси, в том числе:
Сера - Не более 0,015
Фосфор - Не более 0,015
Кислород - Не более 0,003
Железо - Остальное
при этом содержание хрома, углерода, никеля и молибдена находится в следующей зависимости: %Cr= 30-(16÷17)%C-(1,4÷1,5)%Ni-(1,2÷1,3)%Mo, отношение содержания титана к углероду составляет (0,5÷0,8)•10^-2, а величина зерна не менее 7 баллов.

2. Трип-сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,03-0,10 мас. % церия при выполнении следующего соотношения
3. Трип-сталь по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что количество α-фазы составляет не более 10% после выплавки.

4. Изделие, выполненное из коррозионно-стойкой аустенитной трип-стали для холодной пластической деформации, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по любому из пп. 1-3.