Высокопрочная нержавеющая сталь

 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к высокопрочным нержавеющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в агрессивных средах. Заявлена высокопрочная нержавеющая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,005-0,05; хром 12,0-15,0; никель 3,9-10,4; молибден 1,25-4,0; алюминий 0,1-1,4; титан 0,1-1,2; медь 0,1-2,5; ниобий 0,05-0,60; железо - остальное, при условии выполнения соотношений Ni=(24,0 26,5)-1,338Cr и (4Al+2Ti+Cu)=0,7 7,0. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости и пластичности при сохранении высокого уровня прочностных свойств стали. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к нержавеющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

Известна литейная мартенситная сталь следующего состава, мас.%: углерод 0,05-0,10; кремний 0,80-1,50; марганец 0,30-0,80; хром 15,0-18,0; никель 2,80-3,80; алюминий 0,005-0,05; титан 0,005-0,01; кальций 0,005-0,05; РЗМ 005-0,06; ниобий 0,05-0,15; железо - остальное (авт. свид. №1285054, М.кл. С 22 С 38/50, 23.03.87).

Сталь обладает недостаточным уровнем прочности, так как механизм дисперсного упрочнения стали достигается за счет незначительного введения ниобия, алюминия и титана.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является нержавеющая сталь, содержащая компоненты при следующем соотношении в мас.%: углерод до 0,05; хром 9,0-13,0; никель 8,0-12,0; молибден 1,5-3,0; титан 0,9-1,3; медь 1,5-4,0; алюминий 0,8-1,6; железо - остальное (авт. свид. №370266, М.кл. С 22 С 38/50, 15.11.1973, - прототип).

Сталь относится к высокопрочным коррозионно-стойким мартенситостареющим сталям. Повышенное содержание алюминия, титана и меди приводит к выделению в стали значительного объема интерметаллидных фаз, что ухудшает ударную вязкость и снижает пластичность стали. Однородная мартенситная структура стали, обеспечивая высокую прочность, благоприятствует хрупкому разрушению. Недостатком стали является то, что при больших динамических нагрузках происходит хрупкое разрушение из-за низкой ударной вязкости и недостаточной пластичности.

Задачей, решаемой изобретением, является получение стали, обладающей повышенной прочностью и высокой сопротивляемостью динамическим нагрузкам.

Указанная задача решается тем, что нержавеющая сталь, включающая углерод, хром, никель, молибден, алюминий, титан, медь, железо, дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,005-0,05

Хром 12,0-15,0

Никель 3,9-10,4

Молибден 1,25-4,0

Алюминий 0,1-1,4

Титан 0,1-1,2

Медь 0,1-2,5

Ниобий 0,05-0,60

Железо Остальное

При выполнении соотношений Ni=(24,0-26,5)-1,338 Сr и (4Al+2Ti+Сu)=0,7-7,0.

Сталь может содержать примеси, мас.%: марганец до 0,7; кремний до 0,7; сера до 0,025; фосфор до 0,025.

По сравнению с прототипом указанная сталь отличается введением ниобия при новом количественном и качественном соотношении компонентов и условием соотношения содержания никеля относительно хрома, а также заданном суммарном соотношении алюминия, титана и меди.

Техническим результатом является повышение ударной вязкости и пластичности стали при сохранении высокой прочности, что позволяет снизить риск хрупкого разрушения при высоких динамических нагрузках.

Введение ниобия в сталь необходимо для связывания углерода в карбиды ниобия, которые являются мелкодисперсионными частицами, равномерно распределенными по объему зерна. Наличие карбидов ниобия обеспечивает получение мелкозернистой стали, что способствует повышению ударной вязкости и пластичности стали. Содержание ниобия менее 0,05% недостаточно для связывания углерода в стали, что может привести к образованию карбидов хрома, которые выделяются при охлаждении по границам зерен, что приводит к резкому снижению ударной вязкости и пластичности. В то же время введение ниобия свыше 0,60% является избыточным, так как не приводит к дальнейшему улучшению служебных свойств стали, а вследствие высокой стоимости ниобия приведет к излишним материальным затратам.

Содержание углерода более 0,05% способствует образованию в стали карбидов хрома, ухудшает пластические свойства и особенно снижает ударную вязкость. Получение углерода в стали менее 0,005% нецелесообразно, так как требует применения особо чистых материалов, специальных методов выплавки стали и ведет к удорожанию процесса. В то же время дополнительного положительного эффекта при снижении углерода не достигается.

Содержание в стали хрома менее 12 мас.% ведет к резкому снижению ее коррозионной стойкости. Увеличение содержания хрома повышает коррозионную стойкость стали. При содержании хрома более 15 мас.% в стали образуется дополнительная избыточная фаза - феррит. В результате снижаются прочностные свойства, ухудшается пластичность.

Содержание никеля в стали зависит от содержания хрома и определяется соотношением Ni=(24,0-26,5)-1,338 Cr.

Данное соотношение содержания никеля и хрома обеспечивает получение стали с мартенситной структурой и незначительным содержанием аустенита в пределах от 3 до 15%. Мартенситная структура стали с прожилками аустенита, который обладает более высокой пластичностью по сравнению с мартенситом, обеспечивает повышение ударной вязкости. При содержании никеля менее 3,9 мас.% и (или) менее расчетного значения при коэффициенте (К) менее 24,0, определенного по соотношению, сталь приобретает структуру однородного мартенсита с недостаточным уровнем пластических свойств и ударной вязкости.

При максимальном содержании хрома 15 мас.% содержание никеля по соотношению должно быть не менее 3,9 мас.%.

При содержании никеля более 10,4 мас.% и (или) более расчетного значения при коэффициенте (К) более 26,5, определенного по соотношению, в стали возникает избыточное содержание остаточного аустенита более 15%. Снижаются прочностные свойства.

При минимальном содержании хрома 12 мас.% содержание никеля по соотношению должно быть не более 10,4 мас.%.

При содержании молибдена менее 1,25 мас.% снижается коррозионная стойкость. Повышение содержания молибдена более 4,0 мас.%. к дальнейшему повышению коррозионной стойкости стали не приведет.

Алюминий, титан и медь обеспечивают существенное упрочнение стали при термообработке за счет выделения дисперсных интерметаллидных соединений Ni₃ (Al, Ti, Сu).

Степень дисперсионного упрочнения стали зависит от суммы содержания алюминия, титана и меди в следующей пропорции: (4Al+2Ti+Cu)=0,7-7,0. Если сумма содержания элементов будет меньше 0,7 и (или) количественное содержание титана и алюминия и меди менее 0,1 мас.%, эффект упрочнения будет незначительным из-за малого объема образующихся интерметаллидных частиц.

С возрастанием суммы элементов прочностные характеристики стали будут возрастать, но при этом снижается ударная вязкость. При сумме элементов более 7,0 и (или) количественном содержании титана более 1,2 мас.%, алюминия более 1,4 мас.% и меди более 2,5 мас.% достигается значительное упрочнение стали, но при этом существенно снижаются пластические характеристики и ударная вязкость.

Пример.

Сталь выплавлялась в дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 1,15 тонны, слитки прокатывались на заготовки квадрат 100 мм. Заготовки прокатывались на мелкосортном стане 250 на прутки диаметром 22 мм. Прутки подвергались термообработке по режиму: нагрев до 620°С, выдержка 4 часа с последующим охлаждением на воздухе.

На готовых прутках определялись механические свойства и ударная вязкость.

Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-84; ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.

Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, и стали-прототипа, результаты испытаний механических свойств и ударной вязкости приведены ниже в табл. 1, 2.

Оптимальными вариантами состава стали являются варианты №1, 2, 3, 6, 7. В варианте №4 введено избыточно высокое содержание никеля относительно хрома (К=26,8). В результате сталь приобрела аустенитно-мартенситную структуру с пониженными механическими свойствами.

В варианте №5 введено недостаточное количество никеля относительно хрома (К=23,8), сталь приобрела мартенситную структуру с высокой прочностью, но с пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

При выплавке стали по варианту №8 суммарное соотношение титана, алюминия и меди ниже нижнего предела (0,7). Сталь приобрела недостаточную прочность. В варианте №9 введение избыточного содержания (более 7,0) суммы титана, алюминия и меди привело к дальнейшему повышению предела текучести и временного сопротивления разрыву, но при этом значительно снизились пластические характеристики.

В варианте №10 введено недостаточное количество ниобия, равное 0,04 мас.%, сталь имеет пониженную пластичность и ударную вязкость.

В варианте №11 введено избыточное содержание ниобия, равное 0,65 мас.%, свойства соответствуют оптимальному варианту №7, то есть избыточное содержание ниобия не привело к дополнительному улучшению свойств стали.

В варианте №12 содержание элементов в стали введено ниже нижнего предела. Сталь имеет мартенситную структуру с недостаточным уровнем прочности.

В варианте №13 содержание элементов в стали введено выше верхнего предела, сталь имеет аустенитную структуру с интерметаллидным упрочнением. Сталь имеет низкие прочностные свойства и высокие пластические характеристики и ударную вязкость.

Таким образом, предлагаемый состав стали при условии выполнении соотношений позволяет повысить по сравнению с прототипом ударную вязкость и пластичность при сохранении высокого уровня прочностных свойств стали.

Формула изобретения

Высокопрочная нержавеющая сталь, включающая углерод, хром, никель, молибден, алюминий, титан, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,005-0,05

хром 12,0-15,0

никель 3,9-10,4

молибден 1,25-4,0

алюминий 0,1-1,4

титан 0,1-1,2

медь 0,1-2,5

ниобий 0,05-0,60

железо остальное

при выполнении соотношений Ni=(24,0 26,5)-1,338 Сr и (4Аl+2Тl+Сu)=0,7 7,0.