Коррозионно-стойкая высокопрочная сталь для криогенной техники

Изобретение относится к разработке коррозионно-стойких высокопрочных сталей для криогенного машиностроения, а именно для изготовления высоконагруженных сварных деталей, работающих при температурах до 20К. Сталь для криогенной техники содержит компоненты в следующем соотношении, в %: C до 0,05; Cr 11,2-12,5; Ni 7,0-8,0; Co 5,6-7,0; Mo 3,7-4,5; Nb до 0,5; Ce до 0,1; Ca до 0,05; Ba до 0,02; Fe - остальное. После выплавки стали соотношение ее структурных составляющих аустенита к мартенситу должно соответствовать 1:1. Техническим результатом изобретения является повышение пластичности и ударной вязкости при 20К, а также обеспечение высокой прочности. Заявленная сталь имеет при комнатной температуре σ_в=1350-1500 МПа. При 20К относительное удлинение стали δ=14-20% и ударная вязкость KCV=30-50 Дж/см². 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области высокопрочных коррозионно-стойких сталей для криогенной техники, работающих при температуре до 20К.

Применяемые в настоящее время для этих целей Cr-Ni и Cr-Ni-Mn стали имеют низкие прочностные свойства, а хромистые стали - низкую коррозионную стойкость и ударную вязкость (с. 272766, с. 531888). К недостаткам Cr-Ni сталей относится низкая прочность σ_в=400-450 МПа при комнатной температуре, особенно по пределу текучести (около 250 МПа).

Известны Cr-Ni-Mn стали для работы при криогенных температурах, например 01Х20Н10АГ10М2 (патент США №4099968).

В России получили распространение разработанные Cr-Ni-Mo стали (а.с. 773134, а.с. 527483). Сталь 03Х13АГ19, легированная азотом, имеет временное сопротивление σ_в>730 МПа и KCV=100 Дж/см² при 77К. Однако деформирование стали при низких температурах приводит к распаду аустенита с образованием ε и α-фаз. Введение азота в эти стали позволяет поднять уровень свойств, но с понижением температуры ударная вязкость сталей падает. К недостаткам азота, как легирующего элемента, относится его склонность к ликвации при кристаллизации стального слитка и некоторое осложнение процессов сварки, т.к. наблюдается выпадение карбонитридов по границам зерен, что приводит к снижению пластичности и вязкости сварного шва и к повышению чувствительности к концентраторам напряжений.

Особый интерес представляют коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали для криогенных температур. В результате комплексного легирования железоникелевой основы этих сталей и благодаря определенному сочетанию легирующих элементов можно получить высокие прочностные свойства. Существенное повышение прочностных характеристик происходит при старении за счет перераспределения легирующих элементов, приводящих к созданию зон концентрационной неоднородности и выделению частиц интерметаллидных фаз.

Известны мартенситно-стареющие стали в США (патент №3251683 для работы до 180К), в России (а.с. 351922, а.с. 405966) для работы до 77К.

Из описанных в литературе наиболее близкой к заявляемой является сталь по а.с. 351922 следующего химического состава, %:

Углерод	До 0,03
Хром	14,5-16,0
Кобальт	9,5-11,0
Никель	1,2-3,5
Молибден	2,7-3,7
Титан	До 0,2
Ванадий	0,05-0,15
Вольфрам	0,05-0,8
Азот	0,03-0,07
Цирконий	0,002-0,5
Алюминий	0,05-0,15
Железо	Остальное

Авторское свидетельство №351922, M.кл² C 22 c 39/20. Опубликовано 21.09.1972. Бюллетень №28.

Известная сталь обладает удовлетворительным комплексом свойств в интервале температур от 293 до 77К, но использование ее при температуре 20К невозможно из-за резкого снижения ударной вязкости. Кроме того, известная сталь плохо сваривается.

Целью изобретения является создание коррозионно-стойкой высокопрочной мартенситно-стареющей стали, обеспечивающей, наряду с высокой прочностью, высокую пластичность, вязкость при 20К, технологичность при пластической деформации и свариваемость для конструкций, работающих до 20К.

Указанная цель достигается тем, что в известной стали, содержащей железо, углерод, хром, кобальт, никель, молибден, титан, ванадий, вольфрам, азот, цирконий и алюминий увеличили содержание углерода, никеля и молибдена, уменьшили содержание хрома и кобальта, исключили вольфрам, ванадий, азот, цирконий и алюминий, дополнительно ввели ниобий, церий, кальций и барий.

Поставленная цель достигается тем, что компоненты предлагаемой стали взяты в следующем соотношении, %:

Углерод	До 0,05
Хром	11,2-12,5
Никель	7,0-8,0
Кобальт	5,6-7,0
Молибден	3,7-4,5
Ниобий	До 0,5
Церий	До 0,1
Кальций	До 0,05
Барий	До 0,02
Железо	Остальное

После выплавки соотношение структурных составляющих аустенита и мартенсита должно соответствовать 1:1.

В состав стали могут входить примеси, но содержание их ограничено, %:

Марганец	До 0,2
Кремний	До 0,2
Сера	До 0,01
Фосфор	До 0,01
Алюминий	До 0,05
РЗМ	≤0,15

Содержания хрома, соотношение углерода и ниобия в разработанной стали способствуют повышению коррозионной стойкости. При выбранном соотношении хрома, никеля и кобальта формируется необходимый фазовый состав, обеспечивающий стабильные прочностные, пластические и вязкие свойства. Исключение из стали вольфрама, ванадия, азота, титана и циркония способствует улучшению свариваемости.

Увеличение содержания никеля способствует повышению всех свойств, создает благоприятные условия для однородного распределения частиц интерметаллидной фазы, способствует повышению пластичности и вязкости стали, понижает сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций, уменьшает энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения, облегчает релаксацию напряжений и в результате этого уменьшается склонность к хрупкому разрушению.

Повышение содержания молибдена в стали, особенно в присутствии кобальта, уменьшает коэффициент диффузии вдоль границ зерен и снижает опасность выделения сегрегаций и частиц второй фазы по границам зерен при старении, способствует повышению пластичности и вязкости.

Введение кобальта способствует упрочнению при старении. Кобальт косвенно влияет на упрочнение, уменьшая растворимость молибдена в α-Fe, существенно снижает вероятность появления в структуре δ-феррита и Х-фазы. Прочностные свойства стали увеличиваются с повышением содержания кобальта. Однако при этом ударная вязкость снижается. С целью повышения коррозионной стойкости, повышения вязкости, содержание кобальта в разработанной стали снижено до 5,6-7%.

Введение в сталь церия, кальция и бария способствует повышению металлургического качества стали, что приводит к повышению ударной вязкости. Кальций участвует в процессе раскисления стали. Являясь поверхностно-активными элементами церий, кальций и барий замедляют молекулярный обмен при кристаллизации между жидкой и твердой фазами. Адсорбируясь на поверхности кристаллов в процессе их роста, они уже при небольших скоростях уменьшают сегрегации вредных примесей элементов, ведут к снижению сегрегации углерода, серы, фосфора, кремния и марганца, рафинируют границы зерен, при сравнительно небольших содержаниях вызывают изменение структуры, что благоприятно сказывается на повышении ударной вязкости и технологической пластичности, без снижения прочностных свойств.

Барий снижает упругость паров кальция в расплаве, тем самым способствует более длительному воздействию его в жидком металле, усиливает эффективность действия кальция.

Таким образом, введение этих элементов в сталь в определенной концентрации в сочетании с балансированным составом стали (повышенным содержанием хрома, пониженным содержанием кобальта, введением ниобия, исключением меди и ванадия), по сравнению с известной позволяет, повысить ударную вязкость при 20К при сохранении высокой прочности и пластичности. На основании вышеизложенного заявляемая сталь отвечает критерию «существенные отличия».

Опытные плавки сталей выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 60 кг, разливали в изложницы 30 кг, часть металла ковали в интервале температур 1100-900°С на прутки диаметром 15 мм, другую прокатывали на лист.

Химический состав выплавленных плавок приведен в табл. 1.

Механические свойства предлагаемой стали после закалки от 1000°С обработки холодом при -70°С и старения при 520°С, 5 ч, а также стали прототипа сравнивали на опытных плавках (табл.2).

Анализ механических свойств показал, что предлагаемая сталь превосходит известную по пластичности и вязкости при 77К и имеет высокую ударную вязкость при 20К.

Предложенный состав после выплавки стали обеспечивает соотношение аустенита к мартенситу - 1:1, кроме того, отсутствует феррит, который снижает ударную вязкость. После термической обработки содержание аустенита соответствует 30-35%, что обеспечивает высокую вязкость при 20К.

Преимуществом предлагаемой стали является и то, что механические свойства мало изменяются при содержании элементов в указанных пределах.

Разработанная сталь была выплавлена в промышленных условиях в открытой индукционной печи емкостью 1 т. После термической обработки сталь обеспечила следующий уровень механических свойств при комнатной температуре:

σ_0,2=1360 МПа, σ_в=1410 МПа, δ=14%, KCU=70 Дж/см²;

при температуре 20К:

σ_0,2=1840 МПа, σ_в=1940 МПа, KCU=59 Дж/см², KCV=40 Дж/см².

Механические свойства сварных соединений:

σ_0,2=1205 МПа, σ_в=1340 МПа, δ=13,5%, KCV₂₀=38 Дж/см², σ_в ^н=1205 МПа, σ_в ^н/σ_в=0,9.

Разработанная сталь обладает удовлетворительным комплексом технологических свойств: штампуемостью, прокатываемостью, свариваемостью, обрабатываемостью резанием, высокой коррозионной стойкостью в камере влажного солевого тумана, во влажной тропической камере, в морской воде.

Методом объемной штамповки из стали промышленной плавки изготовлены полусферы диаметром 310 мм для сварных емкостей, работающих при 20К.

Внедрение разработанной стали позволяет увеличить надежность и долговечность сварных изделий и снизить вес изделий, применяемых в ракетно-космической технике

Таблица 1 Химический состав опытных сталей
№		Содержание элементов, %
С	Cr	Ni	Со	Мо	Nb	W	V	Ti	N	Zr	Al	Се	Са	Ва	Fe
1	Сталь, содержащая элементов ниже предельных	0,04	11,0	5,5	6,0	4,6	0,24	-	-	-	-	-	-	0,07	0,008	0,009	ост
2	Предлагаемая сталь	0,04	12,1	7,1	6,9	4,2	0,11	-	-	-	-	-	-	0,1	0,05	0,007	-
3	-//-	0,03	11,8	7,3	7,0	4,4	0,2	-	-	-	-	-	-	0,09	0,06	Сл	-
4	-//-	0,03	12,0	7,7	5,7	3,7	0,24	-	-	-	-	-	-	0,1	0,03	0,01	-
5	-//-	0,04	12,5	8,0	6,8	3,8	0,28	-	-	-	-	-	-	0,07	0,04	0,019	-
6	Содержание элементов выше предельного	0,06	12,8	9,0	9,0	4,0	0,3	-	-	-	-	-	-	0,05	0,007	0,02	-
7	Прототип	0,03	15,0	2,0	10,0	3,5	-	0,3	0,15	0,15	0,03	0,2	0,1	-	-	-	-

Таблица 2 Механические свойства опытных плавок разработанной стали после термической обработки (закалка 1000°С, обработка холодом при - 70°С, старение 520°С, 5 ч)
		Механические свойства
		σ0,2	σв	δ	ψ	KCU77	KCV20
МПа	%	Дж\см2
1	Сталь, содержащая элементов ниже предельных	1500	1570	13	50	30	12
2	Предлагаемая сталь	1400	1500	15	52	62	33
3		1400	1500	14	54	60	30
4		1400	1450	14	54	65	37
5		1300	1350	20	50	70	50
6	Содержание элементов выше предельного	600	845	44	75	-	150
7	Прототип	-	1500	-	-	46	-

Коррозионно-стойкая высокопрочная сталь для криогенной техники, содержащая углерод, хром, никель, кобальт, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, церий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, %:

Углерод	До 0,05
Хром	11,2-12,5
Никель	7,0-8,0
Кобальт	5,6-7,0
Молибден	3,7-4,5
Ниобий	До 0,5
Церий	До 0,1
Кальций	До 0,05
Барий	До 0,02
Железо	Остальное

причем после выплавки соотношение структурных составляющих аустенита к мартенситу должно соответствовать 1:1.