Коррозионностойкая хромомарганцевая феррито-аустенитная сталь

Изобретение относится к металлургии к области коррозионно-стойких сталей, которые могут быть использованы для работы в сильно агрессивных средах. Коррозионностойкая хромомарганцевая феррито-аустенитная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,06-0,1; кремний 0,8-1,2; марганец 14,0-16,0; хром 23,5-25,5; железо - остальное, при условии ограничения соотношения объемных долей феррита (α) и аустенита (γ) в структуре стали следующим неравенством: 0,25≤γ:α≤0,5. В горячекатаном состоянии при нормальной температуре сталь имеет следующие механические свойства: σ_в=680 МПа; σ₀₂=570 МПа; δ=23-26%, ψ=46-48%; KCU=0,65-0,90 МДж/м²; НВ=192-197. Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости в сильно агрессивных средах, в частности в концентрированном растворе сернистого натрия, а также в алюминатно-щелочных растворах в процессе их упаривания при производстве глинозема. 4 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, к области коррозионно-стойких сталей. Конкретно оно касается создания новых двухфазных, феррито-аустенитных, хромомарганцевых сталей, способных превзойти по коррозионной стойкости в некоторых сильно агрессивных средах целый ряд высокохромистых ферритных и хромоникелевых аустенитных и аустенито-ферритных сталей.

Известны и широко распространены в различных отраслях техники легированные высокохромистые и хромоникелевые стали, внесенные во все справочники по коррозионно-стойким сталям /1-4/.

В качестве аналогов могут служить двухфазные, феррито-аустенитные, хромоникелевые и хромоникельмарганцовые стали такие как: Х28АН (ЭИ 657), Х28H4, 0X21H3T, 1Х21H5T (ЭИ 811), 0Х21H5T (ЭП 53), 0X21H6M2T (ЭП 54), 08Х22Н6Т, 12Х25Н16, 20X20H14C2, 08Х18Г8Н2Т, 1Х18H2АГ5 (ЭП 26) и другие.

К недостаткам этих сталей-аналогов следует отнести наличие в их составе дефицитных элементов, таких как никель, молибден, титан и другие, а также азота, усложняющего технологии плавки, прокатки, термической обработки и сварки.

По технической сущности и содержанию основных компонентов наиболее близкой к заявляемому изобретению является коррозионно-стойкая сталь-прототип (авторское свидетельство СССР №430186 от 1972 г.; БИ №20, 1974 г.), содержащая в своем составе следующие элементы, мас.%:

Углерод 0,01-2

Кремний 0,75-4,5

Марганец 13-15

Хром 24-26

Цирконий 0,01-0,2

Кальций 0,005-0,1

Барий 0,005-0,15

Железо остальное

Эта сталь-прототип содержит углерод и кремний в очень широком диапазоне концентраций 0,01-2% и 0,75-4,5% соответственно, поэтому при наличии в составе в качестве основных элементов 14% марганца и 25% хрома она может иметь в закаленном и тем более в отожженном состояниях различные структуры: ферритную, феррито-аустенитную, феррито-карбидную, феррито-аустенито-карбидную и аустенито-карбидную.

Следовательно, здесь, в стали-прототипе, нет конкретной позиции о предпочтительном структурном типе стали, способной противостоять коррозии.

В формуле изобретения стали-прототипа в качестве отличительного признака указывается на наличие в ее составе циркония, кальция и бария в количестве 0,01-0,2, 0,005-0,1 и 0,005-0,15% соответственно. Эти элементы лишь усложняют технологию выплавки и удорожают сталь и не оказывают существенного влияния на коррозионную стойкость. Присутствие циркония в составе стали приводит к образованию собственного карбида ZrC, тормозящего выделение хромистых карбидов Cr₂₃C₆ и Cr₇C₃, и к формированию в стали полностью ферритной основы. Это, по сравнению с феррито-аустенитной сталью, отрицательно сказывается на технологических свойствах, таких как отливка и сварка, на стойкость к межкристаллитной коррозии и на величине предела текучести.

Технический результат, свидетельствующий о высоких значениях коррозионной стойкости предлагаемой двухфазной, феррито-аустенитной, хромомарганцевой стали, обеспечивается не размытой, а вполне конкретной концентрацией ингредиентов, отсутствием в составе стали циркония, кальция и бария и оптимальным соотношением объемных долей структурных составляющих.

Этот технический результат достигается за счет того, что в предлагаемой коррозионностойкой стали, в состав которой входят углерод, кремний, марганец, хром, железо, все ингредиенты находятся в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,06-0,1

Кремний 0,8-1,2

Марганец 14-16

Хром 23,5-25,5

Железо остальное

Ограничительным условием для достижения высокой коррозионной стойкости стали является соотношение объемных долей структурных составляющих, которое выражено неравенством

0,25≤γ:α≤0,5

Экспериментально установленные верхний и нижний пределы соотношения объемных долей структурных составляющих строго регламентируют допустимые количества α-и γ-фаз в структуре стали и, следовательно, возможные концентрации хрома в ее составе. Т. о. объемная доля аустенита равна 33% для верхнего предела и 20% для нижнего предела соотношения объемных долей аустенита и феррита. Верхний предел соотношения этих фаз соответствует 23,5%, а нижний - 25,5% содержания хрома в составе стали.

Объемные доли α- и γ-фаз в структуре стали определялись здесь по соотношению отрезков коноды, проходящей через точку, соответствующую составу стали, расположенную в двухфазной области изотермического разреза при 100°С диаграммы состояния тройной системы Fe-Cr-Mn /5, 6/. Кроме того, количество α-фазы контролировалось с помощью ферритометра.

Выплавка сталей для исследования производилась в магнезитовых тиглях в индукционной печи. Слитки массой в 6 килограмм ковались при температуре 900-1050°С на прутки сечением 15×15 мм. Свойства сталей определялись после закалки в воде с температуры 100-1050°С.

Для оценки коррозионной стойкости этих сталей была выбрана используемая в промышленных технологиях сильно агрессивная среда - раствор сернистого натрия с концентрацией 65-70% Na₂S при температуре 180-190°С. Величина потерь металла в процессе коррозии определялась методом взвешивания на аналитических весах. В таблице 1 приведены химический состав, структура и скорость коррозии сталей соответствующих изобретению и прототипу.

Таблица 1 Химический состав в мас.%, структура и скорость коррозии предлагаемой стали и прототипа
№ п/п	C	Si	Mn	Cr	Zr	Ca	Ba	Структура	Скорость коррозии, мм/год
Предлагаемая сталь
1	0,08	0,8	15	22				α+42% γ	0,6
2	0,06	0,8	14	25				α+35% γ	0,3
3	0,08	1,0	15	23,5				α+32% γ	0,12
4	0,10	1,2	14	24				α+28% γ	0,1
5	0,08	1,0	15	25				α+22% γ	0,1
6	0,08	1,0	15	25,5				α+18% γ	0,12
7	0,10	1,2	16	26				α+14% γ	0,2
8	0,10	1,0	15	26,5				α+11% γ	0,4
Сталь-прототип
9	0,02	1,5	13	26	0,15	0,10	0,10	α	0,6
10	0,10	1,0	13	25	″	″	″	α+карбид	0,8
11	0,30	1,5	14	25	″	″	″	″	3,0
12	1,00	2,5	15	25	″	″	″	″	7,0

Полученные результаты по коррозионной стойкости указывают на существенное превосходство предлагаемой стали перед прототипом. Одновременно эти данные четко ограничивают допустимые концентрации хрома, при которых коррозионная стойкость стали достигает наибольшего значения, что соответствует интервалу 23,5-25,5% хрома.

При осуществлении в электродуговых печах промышленных плавок массой в 40 тонн, сопутствующими сталь ингредиентами становятся углерод и кремний в количестве 0,06-0,1% и 0,8-1,2% соответственно. Поэтому двухфазной феррито-аустенитной, хромомарганцевой стали может быть присвоена марка - 08Х25Г15С.

Разлитые в изложницы 6-тонные слитки были обжаты на блюминге.

Из полученных слябов были изготовлены листы толщиной в 10 мм. Затем из них были вырезаны образцы для механических и коррозионных испытании.

Результаты эксперимента в производственных условиях продолжительностью в 1872 часа на коррозионную стойкость различных металлов, сталей и сплавов в сильно агрессивном растворе сернистого натрия на последней стадии его упарки в упарочном каскаде, когда концентрация раствора составляет 65-70% Na₂S, а температура процесса 180-190°С, приведены в таблице 2.

Таблица 2 Коррозионная стойкость металлов, сталей и сплавов в растворе Na2S
№ п/п	Металлы, марки сталей и сплавов	Скорость коррозии, мм/год	Характеристика по ГОСТ 13819.68	Структура
1	Хром	0,009	Весьма стойкий	Сr
2	08Х25Г15С	0,05-0,08	Стойкий	α+γ
3	X28АН	0,13	″	α
4	15X25Т	0,12-0,27	Пониженностойкий	α
5	12X25Н16Г7АР	0,3-0,6	″	γ
6	X25СН3Д	0,7	″	α+γ
7	20Х23H18	0,7-0,9	″	γ
8	20X25H20C2	0,9-1,2	Малостойкий	γ
9	Никель	0,3-1,5	″	Ni
10	08Х22Н6Т	0,4-1,6	″	α+γ
11	0X18Г8Н2Т	1,7-2,7	″	α+γ
12	08X21H6M2T	2,8-3,0	″	α+γ
13	000X21Н21M4Б	4,7-5,3	″	γ
14	0Х15Н55М16Б	3,0-6,9	″	γ
15	BT-1	6,5-8,9	″	Ti
16	ВТ-5	6,8-10,1	″	Ti
17	08Х7	11,9-13,8	Нестойкий	α
18	12Х17Г9АН4	20,6	″	γ
19	Х15Н5МВФБ	19,7-21,8	″	α+γ
20	12Х18Н10Т	10,1-22,3	″	γ
21	Х14АГ15	22,1-22,9	″	γ
22	30Х13	15,2-25,3	″	α
23	12Х17	18,6-34,5	″	α
24	10Х14Г14Н4Т	14,6-31,6	″	γ
25	Х17Н4Г8А	23,8-31,7	″	γ
26	12Х17Н13М2Т	26,1-31,8	″	γ
27	00Х18Н20С3М3Д3Б	31,0-35,0	″	γ

Эти данные указывают на то, что раствор сернистого натрия чрезвычайно агрессивный к металлам и что двухфазная феррито-аустенитная хромомарганцевая сталь 08Х25Г15С является в нем наиболее стойкой и превосходит все легированные коррозионностойкие стали, в том числе высокохромистые ферритные и хромоникелевые аустенитные и феррито-аустенитные.

Сведения о коррозионной стойкости сталей в алюминатно-щелочных растворах в процессе их упарки в производстве глинозема для алюминиевых заводов содержатся в таблице 3.

Таблица 3 Коррозионная стойкость сталей в алюминатно-щелочных растворах
№ п/п	Марки сталей	Скорость коррозии, мм/год	Характеристика по ГОСТ 13819.66	Структура
1	12Х18Н10Т	0,717-0,970	Малостойкий	γ
2	08Х22Н6Т	0,297-0,312	Пониженностойкий	α+γ
3	12X25H16Г7AР	0,202-0,357	″	γ
4	0Х13С2Ю2БТ	1,910	Малостойкий	α
5	15X25T	0,000-0,005	Весьма стойкий	α
6	08Х25Г15С	0,000-0,003	″	α+γ

Коррозионные испытания продолжительностью в 1280 часов проводились на самой агрессивной стадии упарки раствора при температуре 140°С и щелочности 400 г/л NaOH. Полученные результаты свидетельствуют о том, что сталь 08Х25Г55С в этой среде является абсолютно стойкой и превосходит легированные хромоникелевые аустенитные и аустенито-ферритные стали.

Механические свойства двухфазной, феррито-аустенитной хромомарганцевой стали 08Х25Г15С в состоянии после горячей прокатки приведены в таблице 4.

Таблица 4 Механические свойства стали 08Х25Г15С при 20°С
σв, МПа	σ02, МПа	δ, %	ψ, %	KCU, МДж/м2	Твердость НВ	Проба на изгиб, град.
680-690	570-580	23-26	46-48	0,65-0,90	192-197	180°

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник марок сталей // Под редакцией А.С.Чукмасова. - М.: Металлургиздат. 1968. - 192 с.

2. Марочник сталей и сплавов // В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др. Под общей редакцией В.Г.Сорокина. - М.: Машиностроение. 1989. - 640 с.

3. Стали с пониженным содержанием никеля. Справочник // Под редакцией М.В.Приданцева и Г.Л.Лившица. - М.: Металлургиздат. 1961. - 200 с.

4. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Справочник // Под редакцией Н.Т.Гудцова, М.Л.Бернштейна, А.Г.Рахштадта. - М.: Металлургиздат. 1956. - 1204 с.

5. А.Б.Кинцел и Руссел Френкс. Высокохромистые нержавеющие и жароупорные стали. - М.: Металлургиздат, 1945. - 474 с.

6. А.Т.Григорьев. Сплавы железа с хромом и марганцем. - М.: Издательство АН СССР. 1952. - 159 с.

Коррозионностойкая хромомарганцевая феррито-аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,06-0,1

кремний 0,8-1,2

марганец 14,0-16,0

хром 23,5-25,5

железо остальное

при условии ограничения соотношения объемных долей феррита (α) и аустенита (γ) в структуре стали следующим неравенством: 0,25≤γ:α≤0,5.