Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса и изделие, выполненное из нее

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим высокой прочностью основного металла и сварных соединений, высокой усталостной прочностью основного металла и сварных соединений, не требующих термообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений в состоянии термообработки и сварки. Сталь предназначена для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от (-70)°С до 300°С. Предложена сталь и изделие, выполненное из нее. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,08-0,12, хром 12,5-14,0, никель 4,0-5,0, молибден 2,3-2,8, марганец 0,3-0,7, азот 0,05-0,10, кремний 1,7-2,5, ниобий 0,2-0,4, кобальт 4,0-5,0, лантан 0,001-0,05, иттрий 0,001-0,05, железо остальное. Применение предложенной стали позволит получить качественные сварные соединения после термообработки и сварки с высокой прочностью и вязкостью, высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью, эксплуатируемые при температурах от (-70)°С до 300°С во всеклиматических условиях, что позволит повысить ресурс и увеличить надежность изделий. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим высокой прочностью основного металла и сварных соединений, высокой усталостной прочностью основного металла и сварных соединений, хорошей свариваемостью, не требующих термообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений в состоянии термообработка + сварка.

Сталь предназначена для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от (-70)°С до 300°С.

Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса ЭП 817 следующего химического состава (мас.%):

углерод	0,05-0,08
молибден	0,8-1,6
хром	13,5-15,0
лантан	0,01-0,1
никель	5,05-6,0
церий	0,02-0,2
медь	1,8-2,2
ниобий	0,03-0,45
титан	0,02-0,15
кальций	0,002-0,1
марганец	0,1-1,0
кремний	0,05-0,7
железо	остальное

(авторское свидетельство СССР №380149).

Эта сталь способна свариваться без последующей термической обработки, сохраняя высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Недостатком этой стали и изделий, выполненных из нее, является относительно невысокий уровень прочностных характеристик основного металла: σ_B≥1250 МПа; σ_0,2≥950 МПа.

Известна коррозионно-стойкая сталь переходного аустенитно-мартенситного класса 07Х16Н6М следующего химического состава (мас.%):

углерод	0,05-0,09
марганец	0,6-0,8
кремний	0,2-0,4
хром	15,5-17,5
никель	6,0-8,0
молибден	0,3-0,6
лантан	0,005-0,05
железо	остальное

(патент РФ №1626709).

Эта сталь способна свариваться без последующей термической обработки, однако имеет недостаточный уровень прочности основного металла и сварных соединений: σ_в основного металла = 1250÷1400 МПа; σ_в сварного соединения в состоянии термообработка + сварка ≥ 700 МПа, что ограничивает применение этой стали в изделиях авиационной техники, в которых имеются замыкающие сварные швы.

Известна нержавеющая мартенситная сталь следующего химического состава (мас.%):

углерод	0,6
азот	0,05-0,25
никель	1,0-6,0
хром	10,0-19,0
вольфрам	0,5-6,0
кремний	2,5
марганец	2,5
молибден	3,5
ниобий	0,5
ванадий	0,5
медь	3,0
титан	0,8
тантал	1,0
железо	остальное

(патент Великобритании №2368849).

Недостатком этой стали является низкий уровень прочностных характеристик (σ_в˜1000 МПа), кроме того, большое содержание углерода в стали может приводить к трещинам при сварке силовых сварных деталей.

Известна мартенситная сталь для отливок следующего химического состава (мас.%):

углерод	0,1
азот	0,12-0,25
хром	8,0-15,0
кобальт	до 15,0
марганец	до 4,0
никель	до 4,0
молибден	до 8,0
вольфрам	до 6,0
ванадий	0,5-1,5
ниобий	≤0,15
титан	≤0,04
тантал	<0,4
церий	<0,02
гафний	≤0,02
марганец + никель	<4
молибден + вольфрам	<8

(патент США №6030469).

Недостатком стали является невысокий уровень предела прочности σ_в≤1100 МПа.

Наиболее близкой к изобретению, взятой за прототип, является высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса следующего химического состава (мас.%):

углерод	0,04-0,09
хром	12,5-15,0
никель	4,0-6,5
молибден	2,5-3,5
марганец	0,1-1,0
азот	0,02-0,1
кремний	0,3-1,6
ниобий	0,02-0,42
кобальт	3,5-6,0
церий	0,001-0,05
кальций	0,001-0,05
железо
примеси:	остальное
сера	0,018
фосфор	0,02

(патент РФ №2077602).

Сталь после термической обработки имеет: предел прочности основного металла σ_в≥1400 МПа, предел прочности сварного соединения σ_в ^св≥1300 МПа; не склонна к коррозионному растрескиванию в камере соляного тумана в состоянии термообработка + сварка.

Недостатком стали является недостаточная прочность основного металла и сварных соединений, недостаточная усталостная прочность.

Кроме того, сталь склонна к образованию горячих трещин при сварке. Критическая скорость деформации, при которой образуются горячие трещины А_кр, не более 3 мм/мин. Все эти недостатки не позволяют получать сварные изделия авиационной техники с качественными, в том числе и замыкающими, сварными швами (без трещин).

Технической задачей настоящего изобретения является создание высокопрочной коррозионно-стойкой стали, которая обладала бы высокими механическими свойствами, в том числе сварных соединений, выполненных без последующей термообработки, обладающей хорошей свариваемостью без образования горячих трещин, особенно с замыкающими сварными швами, например мест приварки обшивки к силовым узлам фюзеляжа, высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях, высокой усталостной прочностью. При этом прочность основного металла должна быть σ_в=1500-1700 МПа, прочность сварного соединения без последующей термической обработки - σ_в ^св≥1350 МПа, проба на склонность к образованию горячих трещин при сварке А_кр≥5 мм/мин.

Для достижения поставленной задачи предложена высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, марганец, азот, кремний, кобальт, ниобий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

углерод	0,08-0,12
хром	12,5-14,0
никель	4,0-5,0
молибден	2,3-2,8
марганец	0,3-0,7
азот	0,05-0,10
кремний	1,7-2,5
ниобий	0,2-0,4
кобальт	4,0-5,0
лантан	0,001-0,05
иттрий	0,001-0,05
железо	остальное

и изделие, выполненное из нее.

В заявленном составе соотношение легирующих элементов позволяет получить структуру с заданным соотношением мартенсита и аустенита, не содержащей дельта-феррита, что обеспечивает высокий уровень механических и коррозионных свойств стали, в том числе сварных соединений, и изделия, выполненного из нее.

Легирование стали предлагаемого состава повышенным содержанием кремния позволяет получить высокий предел прочности основного металла и сварного соединения, а также высокую усталостную прочность, высокое сопротивление коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях.

Легирование лантаном и иттрием благодаря большому сродству к кислороду позволяет понизить склонность стали, содержащей кремний, к образованию горячих трещин при сварке за счет торможения образования окислов кремния и тем самым обеспечить высокую А_кр - критическую скорость деформации, при которой образуются горячие трещины.

Пример осуществления

В лабораторных условиях проведено опробование предлагаемого состава стали, выплавленной в открытой индукционной печи в сравнении с прототипом. Химический состав сталей приведен в таблице 1.

Сварные образцы были выполнены автоматической аргоно-дуговой сваркой без присадки. Сваривались термически упрочненные заготовки без последующей термической обработки.

Проба на склонность к горячим трещинам А_кр характеризует качество замыкающих сварных швов в изделии.

В таблице 2 приведены свойства предлагаемой стали и прототипа после термической обработки по оптимальному режиму: закалка, обработка холодом и отпуск.

Как видно из приведенных данных, при высоких значениях характеристик прочности, пластичности и вязкости основного металла сталь обладает хорошей свариваемостью (А_кр ≥ 5 мм/мин) и высокими свойствами сварных соединений, выполненных в состоянии термообработка + сварка.

Таким образом, применение предложенной стали позволит получить качественные изделия со сварными соединениями в состоянии термообработка + сварка с высокой прочностью и вязкостью, высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью, эксплуатируемые при температурах от (-70)°С до 300°С во всеклиматических условиях, что позволит повысить ресурс и увеличить надежность изделий.

Таблица 1
Химический состав сталей
№ пл	Сталь	Содержание элементов, массовый %
		С	Cr	Ni	Мо	Mn	N	Si	Nb	Со	La	Y	Се	Са	Fe
1	предложенная	0,08	12,5	4,0	2,3	0,3	0,05	1,7	0,2	4,0	0,001	0,001	-	-	ост.
2		0,10	13,5	4,5	2,5	0,5	0,08	2,0	0,3	4,5	0,02	0,02	-	-	ост.
3		0,12	14,0	5,0	2,8	0,7	0,10	2,5	0,4	5,0	0,05	0,05	-	-	ост.
4	прототип	0,07	13,8	5,2	3,0	0,6	0,06	0,9	0,22	4,8	-	-	0,9	0,02	ост.

Таблица 2
Механические свойства сталей
№ пл.	Сталь	σв основного металла	σв сварного соединения	Акр, мм/мин	КСТ, Дж/см2 по сварному шву	σ-1 основного металла	σ-1 сварного соединения
		МПа		+20°С	-70°С	МПа
1	предложенная	1500	1350	5,5	80	60	600	450
2		1600	1400	5,3	75	55	620	470
3		1700	1450	5	70	50	650	500
4	прототип	1500	1350	3	60	45	550	400
Акр - критическая скорость деформации, при которой образуются горячие трещины при сварке
КСТ - ударная вязкость с усталостной трещиной по сварному шву
σ-1 - усталостная прочность основного металла и сварного соединения

1. Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, марганец, азот, кремний, ниобий, кобальт, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,08-0,12
Хром	12,5-14,0
Никель	4,0-5,0
Молибден	2,3-2,8
Марганец	0,3-0,7
Азот	0,05-0,10
Кремний	1,7-2,5
Ниобий	0,2-0,4
Кобальт	4,0-5,0
Лантан	0,001-0,05
Иттрий	0,001-0,05
Железо	Остальное

2. Изделие из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.