Коррозионно-стойкая немагнитная сталь
Владельцы патента RU 2284365:
Институт металлургии и материаловедения Российской академии наук им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким сталям, предназначенным для медицинских целей, в пищевой промышленности для изготовления столовых приборов, в том числе изделий, получаемых методом литья. Предложена коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,2-0,3; хром 14,0-19,0; кобальт 14,0-19,0; молибден 1,5-2,5; кремний 1,0-2,0; никель менее 1,0; азот 0,1-0,2; тантал 0,01-0,45; железо - остальное. Технический результат - повышение технологичности коррозионно-стойкой немагнитной стали, работающей в длительном контакте с человеческим организмом, при расплавлении под литье и ее литейных характеристик. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким сталям, предназначенным для медицинских целей, в пищевой промышленности для изготовления столовых приборов, в том числе изделий получаемых методом литья.
Известна коррозионно-стойкая сталь 08Х18Н10Т, содержащая (в массовых %): ≤0,08% С, ≤0,8% Si, <2,0% Mn, 17-19% Cr, 8,0-9,5% Ni и остальное Fe, и используемая для медицинского инструмента [1]. Однако присутствие никеля в изделиях, непосредственно контактирующих с человеком, нежелательно, т.к. никель является сильным аллергеном и канцерогеном, что способствует возникновению ряда заболеваний (в ряде стран допустимым порогом содержания никеля в таких материалах является 1 мас.%).
Известна также коррозионно-стойкая сталь 10Х14Г14Н4Т, содержащая, мас.%:
| Углерод | не более 0,1 |
| Хром | 13,0-15,0 |
| Марганец | 13,0-15,0 |
| Никель | 2,8-4,5 |
| Кремний | не более 0,8 |
| Cu | не более 0,3 |
| Титан | так, что выполняется соотношение 5×(%С-0,02) 0,6 |
| Железо | остальное [2] |
Сталь используется, в том числе, и в качестве заменителя указанной выше стали 08Х18Н10Т. В этой стали содержится меньше никеля, чем в стали 08Х18Н10Т, но и 2,8% никеля способны вызвать аллергические реакции при непосредственном контакте с человеческим организмом.
Наиболее близкой по назначению, составу и потребительским свойствам к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,03-0,1 |
| Хром | 14,0-17,0 |
| Марганец | 14,0-19,0 |
| Кремний | 0,01-0,8 |
| Молибден | 0,5-1,5 |
| Никель | 0,2-1,0 |
| Медь | 0,8-1,2 |
| Тантал | 0,01-0,45 |
| Азот | 0,17-0,26 |
| Железо | Остальное |
Эта сталь имеет ряд недостатков.
Во-первых, наличие марганца приводит к тому, что в процессе расплавления стали при изготовлении литых изделий происходит интенсивное образование бурого дыма (окиси марганца), что обусловлено очень высокой упругостью паров марганца. Это существенно затрудняет наблюдение за поведением расплава, что значительно снижает технологичность стали, в частности, при литье стоматологических изделий.
Во-вторых, пределы содержания по кремнию не позволяют обеспечить жидкотекучесть стали при литье тонкостенных изделий, что также снижает ее технологичность.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в повышении технологичности коррозионно-стойкой немагнитной стали, работающей в длительном контакте с человеческим организмом, при расплавлении под литье и ее литейных характеристик.
Для решения поставленной технической задачи в сталь, содержащую С, Cr, Si, Mo, Ni, Та, N и Fe, вводят Со при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
| Углерод | 0,2-0,3 |
| Хром | 14,0-19,0 |
| Кобальт | 14,0-19,0 |
| Молибден | 1,5-2,5 |
| Кремний | 1,0-2,0 |
| Никель | менее 1,0 |
| Тантал | 0,01-0,45 |
| Азот | 0,1-0,2 |
| Железо | остальное |
Дополнительное введение кобальта повышает технологичность стали при расплавлении под литье (за счет исключения появления паров марганца над расплавом, т.к. величина равновесного давления паров кобальта на 2 порядка ниже, чем у марганца).
Содержании кобальта менее 14% снижает стойкость аустенита, приводит к появлению магнитной фазы, а при содержании кобальта свыше 19% начинает существенно снижаться растворимость азота в твердом растворе - одного из сильнейших стабилизаторов аустенитного состояния.
Нижний предел содержания углерода, 0,2%, создает условия для стабилизации аустенита. Превышение углеродом верхнего из заданных пределов, 0,3%, приводит к снижению коррозионной стойкости стали.
При содержании хрома менее 14% коррозионная стойкость стали резко падает. Верхний предел содержания хрома, 18%, обеспечивает его оптимальное (для данного состава) содержание с точки зрения сочетания коррозионной стойкости и стабильность аустенита.
Добавка молибдена способствует повышению коррозионной стойкости стали. При содержании молибдена менее 1,5% этот положительный эффект нивелируется, с другой стороны, увеличение содержание молибдена свыше 2,5% приводит к охрупчиванию стали.
Кремний раскисляет сталь и, что особенно важно для достижения заявляемой цели, увеличивает ее жидкотекучесть. При содержании кремния менее 1% жидкотекучесть недостаточна для получения сложных отливок малого сечения. Превышение кремнием величины 2% резко увеличивает охрупчивание стали за счет появления силикатных неметаллических включений, уменьшая стабильность аустенита.
Максимальное содержание никеля в стали ограничивается 1%, поскольку его превышение увеличивает вероятность возникновение аллергических реакций при контакте с человеческим организмом.
Азот в количестве 0,1-0,2% вводят для повышения коррозионной стойкости и стабильности аустенита. При содержании азота меньше 0,1% его влияние на стабильность аустенита становится незначительной. Верхний придел определяется термодинамически возможным насыщением азотом стали, получаемой без использования противодавления азота.
Легирование танталом повышает коррозионную стойкость за счет связывания углерода и тем самым предотвращает обеднение хромом твердого раствора по границам аустенитных зерен. При содержании тантала менее 0,01% количество выводимого из твердого раствора углерода невелико, что не приводит к увеличению коррозионной стойкости. При содержании тантала выше 0,45% существенно возрастает склонность к ферритообразованию (к возникновению магнитности).
В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов.
В таблице 2 приведены свойства этих же сталей. В столбцах 2-4 приведены механические свойства сталей. В столбце 5 - фазовый состав (магнитность), которые определялись с помощью металлографических исследований и проб на магнитность с использованием мощного постоянного магнита на основе системы «самарий-кобальт».
Столбец 6 отражает результаты испытаний на жидкотекучесть по методике, принятой в стоматологической практике: отливка дисков диаметром 23 мм и толщиной 0,2 мм с уступами 1,5 мм по окружности и 3 мм в центре. Оценка жидкотекучести производится визуально по точности воспроизведения деталей на полученной отливке - раковины и недоливы не допускаются (наличие - «есть», отсутствие - «нет»). В столбце 6 отражены результаты оценки задымленности зеркала расплава для указанных сталей при расплавлении их в индукционной печи типа «Форнакс». Наличие дыма - «есть», отсутствие - «нет».
Как следует из таблиц 1 и 2, сталь предложенного состава (составы №2-№4) обладает более высокой жидкотекучестью и технологичностью (дым над зеркалом расплава отсутствует), чем стали запредельных значений концентрации легирующих элементов (составы №1 и №5) и чем при использовании стали известного состава (состав №6), принятого в качестве прототипа.
В соответствии с международными стандартами, в частности [4], все металлические материалы, работающие в длительном контакте с человеческим организмом, тестируются на выход металлических ионов в модельную среду. В соответствии с требованиями стандарта проводили испытания предлагаемых сталей (№1-5) и стали-прототипа (№6). Определяли выход металлических ионов в 2% водный раствор лимонной кислоты. Испытания проводили в термостате при температуре 37°С с выдержкой в течение 2 недель. Наличие металлических ионов в жидкостных вытяжках определялось атомно-адсорбционным методом. Испытывали образцы с площадью поверхности 32 см2. В качестве эталона для оценки результатов анализа приняты данные о предельно допустимых концентрациях металлических ионов в питьевой воде (ПДК по [5]). Результаты проверки приведены в таблице 3.
Из приведенных данных в таблице 3 видно:
что содержание ионов металлов в вытяжках из предлагаемых составов удовлетворяет требованиям норм ПДК по [5];
вытяжки из сплава-прототипа не укладываются в нормы ПДК по содержанию марганца и свинца.
Таким образом, предлагаемые составы превосходят стали-прототипы по устойчивости против выхода металлических ионов в модельную среду.
Источники информации
1. ОСТ 14-11-242-91. Общие ТУ.
2. ГОСТ 5632-72.
3. Патент РФ №2116374.
4. Международный стандарт ISO/TR 10271:1993(Е).
5. СанПиН 2.1.4.111-02.
| Таблица 1 Свойства коррозионно-стойких немагнитных сталей | |||||||||||
| № состава | %% основных легирующих | ||||||||||
| С | Mn | Cr | Со | Si | Мо | Cu | Ni | Та | N | Fe | |
| 1 | 0,19 | - | 13,0 | 13,0 | 0,9 | 1,4 | - | 0,5 | 0,009 | 0,09 | остальное |
| 2 | 0,2 | - | 14,0 | 14,0 | 1,0 | 1,5 | - | 0,8 | 0,01 | 0,1 | -«- |
| 3 | 0,25 | - | 17,0 | 17,0 | 1,5 | 2,0 | - | 0,8 | 0,25 | 0,16 | -«- |
| 4 | 0,3 | - | 19,0 | 19,0 | 2,0 | 2,5 | - | 0,9 | 0,45 | 0,2 | -«- |
| 5 | 0,31 | - | 20,0 | 20,0 | 2,1 | 2,6 | - | 1,1 | 0,5 | 0,21 | -«- |
| прототип | |||||||||||
| 6 | 0,06 | 16,5 | 16,0 | - | 0,1 | 1,0 | 1,0 | 0,8 | 0,43 | 0,25 | -«- |
| Таблица 2 Механические и технологические свойства коррозионно-стойких немагнитных сталей | ||||||
| № состава | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ,% | Фазовый состав (магнитность) | Жидкотекучесть (наличие дефектов) | Задымленность зеркала расплава |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | 510 | 840 | 62,5 | γ+α | Есть | Нет |
| 2 | 525 | 850 | 62,0 | γ | Нет | Нет |
| 3 | 555 | 895 | 58,5 | γ | Нет | Нет |
| 4 | 605 | 920 | 56,0 | γ | Нет | Нет |
| 5 | 610 | 930 | 57,0 | γ | Нет | Нет |
| Прототип | ||||||
| 6 | 455 | 844 | 67,8 | γ | Есть | Есть |
| Таблица 3 Результаты проверки коррозионно-стойких немагнитных сталей на выход металлических ионов в 2% водном растворе лимонной кислоты, моделирующем электрохимические свойства слюны человека | ||||||
| Содержание металлических ионов, мг/л | ||||||
| ПДК по СанПиН 2.1.4.1116-02 | Fe | Cr | Со | Мо | Pb | Mn |
| ≤0,3 | ≤0,03 | ≤0,1 | ≤0,07 | ≤0,005 | ≤0,05 | |
| 1 | 0,28 | 0,028 | 0,08 | 0,05 | 0,003 | 0,001 |
| 2 | 0,29 | 0,029 | 0,09 | 0,05 | 0,004 | 0,0005 |
| 3 | 0,28 | 0,029 | 0,09 | 0,06 | 0,004 | 0,001 |
| 4 | 0,29 | 0,029 | 0,1 | 0,06 | 0,004 | 0,001 |
| 5 | 0,29 | 0,03 | 0,1 | 0,06 | 0,004 | 0,001 |
| прототип | ||||||
| 6 | 0,28 | 0,03 | - | 0,05 | 0,009 | 0,09 |
Коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая углерод, хром, молибден, кремний, никель, азот, тантал и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,2-0,3 |
| Хром | 14,0-19,0 |
| Кобальт | 14,0-19,0 |
| Молибден | 1,5-2,5 |
| Кремний | 1,0-2,0 |
| Никель | Менее 1,0 |
| Азот | 0,1-0,2 |
| Тантал | 0,01-0,45 |
| Железо | Остальное |
