Коррозионно-стойкая сталь и изделие, выполненное из нее

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию коррозионно-стойкой стали, используемой в качестве листов или фольги в паяных сотовых панелях, деталях обшивки, в деталях внутреннего набора, работающих до 450°С. Предлагаемая коррозионно-стойкая сталь имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,005-0,03, хром 8,5-11, никель 10-16, молибден 1,5-2,5, алюминий 0,1-1,2, кремний 0,2-1,3, кальций 0,005-0,05, ниобий 0,1-0,3, церий 0,005-0,1, лантан 0,003-0,05, железо - остальное. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик, ударной вязкости, коррозионной стойкости, что позволило снизить вес несущих сотовых конструкций и повысить характеристики надежности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относятся к области металлургии, а именно к созданию коррозионно-стойкой стали, обладающей наряду с высокой прочностью высокой ударной вязкостью, высокой усталостной прочностью и высокой технологической пластичностью, используемой в качестве листов или фольги в паяных сотовых панелях, в деталях обшивки, в деталях внутреннего набора (стрингеров, гофр и.т.д.), работающих до 450°С.

Известна коррозионно-стойкая сталь для изготовления сотовых паяных панелей следующего химического состава (мас.%):

Углерод	0,005-0,03
Хром	12,6-14,1
Никель	2,5-4,8
Молибден	1,2-2,0
Марганец	2,1-5,0
Алюминий	0,25-0,6
Кремний	0,75-1,2
Цирконий	0,01-0,08
Ниобий	0,1-0,4

Один или несколько элементов из группы:

Церий	0,005-0,1
Лантан	0,003-0,05
Иттрий	0,001-0,05
Железо	остальное

(А.С. СССР №1340213)

Сталь обладает достаточно высокой прочностью σ_B=1000-1200 МПа, но имеет ограниченную температуру применения до 350°С, повышение температуры эксплуатации до 450°С приводит к значительному снижению ударной вязкости и к снижению характеристик надежности изделия, выполненного из этой стали.

Известна коррозионно-стойкая сталь для изготовления силовых паяно-сварных узлов следующего химического состава (мас.%):

Углерод	не более 0,03
Хром	10,0-13,0
Никель	8,0-11,0
Молибден	0,4-0,9
Титан	0,02-0,15
Кобальт	0,2-0,6
Бор	0,001-0,005
Лантан	0,01-0,1
Кальций	0,001-0,05
Железо	остальное

(Патент РФ №2175684)

Сталь обладает следующими механическими свойствами: пределом прочности 950-1020 МПа, относительным удлинением 15-16%. Недостатком стали является пониженная ударная вязкость после нагревов при 450°С, 100 часов.

Известны также коррозионно-стойкие стали мартенситного класса аналогичного назначения следующих химических составов (мас.%):

Углерод	0,03-0,08
Хром	12,8-14,5
Никель	5,2-6,5
Молибден	0,7-1,2
Вольфрам	0,7-1,2
Ванадий	0,15-0,3
Ниобий	0,08-0,3
Азот	0,01-0,03
Иттрий	0,001-0,01
Кальций	0,001-0,01
Цирконий	0,01-0,1
Лантан	0,01-0,1
Железо	остальное

(Патент РФ №2176283)

Углерод	0,08
Кремний	0,5-4,0
Марганец	не более 4,0
Никель	5,0-9,0
Хром	10,0-17,0
Молибден	0,3-2,5
Титан	0,15-1,0
Алюминий	не более 0,1
Азот	не более 0,03
Железо	остальное

(Патент Великобритании №2145734)

Углерод	0,01
Кремний	1,5-2,95
Марганец	не более 5,0
Никель	4,0 - 8,0
Хром	12,0-18,0
Медь	0,5-3,5
Азот	не более 0,15
Сера	менее 0,004
Железо	остальное

(Патент США №4849166)

Недостатком известных коррозионно-стойких сталей мартенситного класса является их недостаточная технологичность при производстве ленты и фольги, а также снижение вязкости после проведения процесса пайки и эксплуатационных нагревов при 450°С и, в связи с этим, снижение эксплуатационной надежности изделия, выполненного из этих сталей.

Известна коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса следующего химического состава (мас.%):

Углерод	0,02-0,08
Марганец	1,5-2,5
Кремний	0,5-1,0
Хром	12,5-14,5
Никель	14,5-16,5
Молибден	1,5-2,5
Титан	0,1-0,4
Ванадий	0,02-0,05
Тантал	0,005-0,2
Азот	не более 0,01
Кобальт	0,02-0,05
Железо	остальное

(Патент США №4530719)

Недостатком известной коррозионно-стойкой стали аустенитного класса является недостаточный уровень прочности, ограничивающий ее применение для изготовления силовых несущих конструкций.

Наиболее близкой по химическому составу и назначению к предлагаемой стали является коррозионно-стойкая сталь 03Х6Н16М2Б, принятая за прототип.

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

Углерод	0,005-0,03
Хром	5,0-8,0
Никель	14,0-18,5
Молибден	1,0-3,0
Алюминий	0,1-0,4
Ниобий	0,1-0,3
Цирконий	0,05-0,2
Бор	0,001-0,003
Медь	0,3-0,8

Не менее одного компонента из группы:

Церий	0,005-0,1
Лантан	0,003-0,05
Иттрий	0,001-0,05
Железо	остальное

(Патент РФ №2221895)

Сталь предназначена для паяных сотовых панелей, являющихся несущими звукопоглощающими конструкциями, работоспособными до 450°С.

Однако эта сталь имеет недостаточную усталостную прочность и коррозионную стойкость, а также недостаточный уровень прочностных характеристик, что ограничивает ее применение в других деталях летательных аппаратах нового поколения.

Технической задачей настоящего изобретения является создание высокопрочной коррозионно-стойкой стали технологичной при производстве листа и фольги с высокими значениями пластичности и вязкости, сохраняющимися в изделиях после проведения процесса пайки, глубокой вытяжки и эксплуатационных нагревов при температуре до 450°С и обладающей высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью.

Для достижения поставленной задачи предложена коррозионно-стойкая сталь, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, алюминий, ниобий, церий, лантан отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний и кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод	0,005-0,03
Хром	8,5-11,0
Никель	10,0-16,0
Молибден	1,5-2,5
Алюминий	0,1-1,2
Кремний	0,2-1,3
Кальций	0,005-0,05
Ниобий	0,1-0,3
Церий	0,005-0,1
Лантан	0,003-0,05
Железо	основа

При этом соотношение компонентов, определяющих содержание аустенита (%) в стали, должно удовлетворять соотношениям:

Для листа: К_M=Cr+0,6Мо+1,5Ni+0,7Si+56С-0,1Al=31÷32

Для фольги: К_M=Cr+0,6Мо+1,2Ni+0,7Si+56С-0,1Al=29÷31.

Подобранное соотношение компонентов для листа позволяет получить мартенситную структуру с регламентированным содержанием остаточного аустенита (18-20%), что позволяет получить высокую прочность, ударную вязкость и высокую усталостную прочность, а для фольги - аустенитно-мартенситную структуру (˜50% мартенсита +50% аустенита), позволяющую получить наряду с высокой технологической пластичностью высокую прочность.

Количественное и качественное содержание элементов в предлагаемой стали обеспечивает высокую прочность, ударную вязкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость за счет введения кремния и кальция, а также за счет увеличения содержания хрома.

Легирование кремнием обеспечивает получение высокой прочности стали за счет твердорастворного упрочнения мартенситной матрицы. При содержании кремния менее 0,2% требуемый уровень прочности не достигается, а при содержании кремния более 1,3% наблюдается охрупчивание при нагревах.

Легирование кальцием за счет связывания серы повышает коррозионную стойкость.

Введение в сталь хрома в количестве 8,5-11% обеспечивает высокую коррозионную стойкость и не приводит к снижению вязкости при нагревах до 450°С за счет подобранного фазового состава, характеризующегося коэффициентом мартенситообразования (К_M).

Таким образом, в результате комплексного легирования при указанном соотношении легирующих элементов в пределах предложенного состава достигаются необходимые характеристики стали (высокие исходные значения прочности и вязкости, отсутствие охрупчивания при термическом цикле пайки и после эксплуатационных нагревов при 450°С) высокая усталостная прочность и коррозионная стойкость, что позволяет создать детали внутреннего набора (стрингеры гофры), детали обшивки или паяные сотовые панели и другие детали, являющиеся несущими конструкциями.

Пример осуществления.

В лабораторных условиях проведено опробование предлагаемого состава стали выплавленной в вакуумной индукционной печи в сравнении с прототипом.

Химический и фазовый составы и механические свойства сталей приведены в таблицах 1 и 2, где примеры 1-4 предлагаемый состав, а примеры 5-6 состав по прототипу.

Механические и коррозионные свойства определялись после следующих режимов термообработки с имитацией термического цикла пайки: пайка при 1160°С + закалка и отпуск или пайка + закалка + обработка холодом + отпуск.

Как видно из таблицы 2, у предлагаемой стали как для варианта листовой стали (для обшивки) - составы 1 и 2, так и для фольги (для сотового наполнителя) - составы 3 и 4 по сравнению с прототипом повышены:

предел прочности и предел текучести:

для листа: σ_B на 190÷230 МПа и σ_0,2 на 100÷340 МПа;

для фольги; σ_B на 280÷400 МПа и σ_0,2 на 200÷270 МПа;

значение ударной вязкости для листа после эксплуатационных нагревов 450°С, 100 ч выше по сравнению с прототипом в 1,7÷2,4 раза, что связано с подобранным фазовым составом стали,

сопротивление малоцикловой усталости выше в 1,3 раза, сопротивление коррозионному растрескиванию ˜ в 2 раза.

Таким образом, применение предложенной стали позволит создать детали внутреннего набора (стрингеры, гофры), детали обшивки или паяные сотовые панели и другие детали, являющиеся несущими конструкциями и повысить характеристики надежности - сопротивление малоцикловой усталости и коррозионному растрескиванию в летательных аппаратах нового поколения.

Таблица 1 Химический и фазовый состав сталей
№ пл.	Сталь	Полуфабрикат	Содержание элементов, масс %	Фазовый состав
С	Cr	Ni	Mo	Al	Si	Nb	Ca	Се	La	Cu	Zr	I	В	КМ*	A** %
1	Предложенная	Лист	0,005	10	10	2,0	0,1	1,0	0,2	0,01	0,005	0,003	-	-	-	-	31	18
2		-//-	0,03	11	11	2,5	0,3	1,3	0,3	0,05	0,01	0,01	-	-	-	-	32	20
3		Фольга	0,005	8,5	15	1,5	1,0	0,2	0,1	0,005	0,005	0,003	-	-	-	-	29	40
4	-//-	0,03	9,0	16	2,0	1,2	0,3	0,3	0,05	0,1	0,05	-	-	-	-	31	50
5	Прототип	Лист	0,03	8	15	2,9	0,38	-	0,26	-	0,08	-	0,8	0,17	-	0,003	30	27
6	Фольга	0,03	7,8	18,5	3,0	0,4		0,3		0,1		0,72	0,2		0,002	40	100
*КM - коэффициент мартенситообразования; **А% - количество аустенита.

Таблица 2 Механические свойства сталей
№ пл.	Сталь	Полуфабрикат	σВ	σ0,2	δ5	КСТ*	МЦУ**	КПН***	КСТ*	КПН***
			МПа	%	Дж/см2	N=2×106 ц σмах МПа	морская среда τ=3 мес	Дж/см2	Морская среда τ=3 мес
без нагрева	после нагрева 450°С, 100 ч
1	Предложенная	Лист	1290	1000	16	58	500	σ=900 МПа	48	σ=800 МПа
2		-//-	1330	1240	14	50	-//-		35
3		Фольга	1060	900	24,5	67,5	400	σ=700 МПа	45	σ=600 МПа
4	-//-	1180	970	24	60,5	-//-		44
5	Прототип	Лист	1100	900	20	80	380	σ=500 МПа	20	σ=350 МПа
6	Фольга	850	720	20	100	300	σ=350 МПа	80	σ=350 МПа
*КСТ - ударная вязкость образца с усталостной трещиной, **МЦУ - малоцикловая усталость, ***КПН - коррозия под напряжением.

1. Коррозионно-стойкая сталь, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, алюминий, ниобий, церий, лантан, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,005-0,03
Хром	8,5-11
Никель	10-16
Молибден	1,5-2,5
Алюминий	0,1-1,2
Кремний	0,2-1,3
Кальций	0,005-0,05
Ниобий	0,1-0,3
Церий	0,005-0,1
Лантан	0,003-0,05
Железо	Остальное

2. Коррозионно-стойкая сталь по п.1, отличающаяся тем, что соотношение компонентов, определяющих содержание аустенита в стали, удовлетворяет следующему соотношению:

К_M=Cr+0,6Мо+1,5Ni+0,75Si+56С-0,1Аl=31÷32,

где К_M - коэффициент мартенситообразования.

3. Коррозионно-стойкая сталь по п.1, отличающаяся тем, что соотношение компонентов, определяющих содержание аустенита в стали, удовлетворяет следующему соотношению:

K_M=Cr+0,6Мо+1,2Ni+0,75Si+56С-0,1Al=29÷31,

где К_M - коэффициент мартенситообразования.

4. Изделие из коррозионно-стойкой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по любому из пп.1-3.