Прецезионная аустенитная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу аустенитной стали для изготовления специальной оснастки, используемой для термокалибровки особотонкостенных обечаек. Прецизионная аустенитная сталь содержит углерод, хром, марганец, кремний, азот, бор, магний, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,13, хром 12,0-14,0, марганец 17,2-20,0, кремний 0,3-0,8, бор 0,0005-0,0030, магний 0,01-0,05, азот 0,03-0,07, железо и неизбежные примеси остальное. Суммарное содержание бора и магния составляет 0,012-0,051 мас.%. Содержание хрома, кремния, марганца, углерода и азота связано зависимостью: Обеспечивается стабильно высокий уровень коэффициента линейного расширения в температурных диапазонах 20-500°С и 20-800°С в условиях многоциклических воздействий высоких температур, а также повышается технологичность в процессе производства. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, к составам аустенитных сталей и предназначено для изготовления специальной оснастки, используемой для термокалибровки особотонкостенных обечаек из суперпрочных мартенситно-стареющих сталей.

Одним из основных требований, предъявляемых к материалу такой оснастки, является стабильно высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в широком интервале температур, сохраняющийся при термоциклировании в течение многочисленных теплосмен 20°С↔500°С и 20°С↔800°С.

Известна сталь аустенитного класса, содержащая следующие компоненты, мас.%:

Углерод	не более 0,10
Кремний	не более 0,8
Марганец	13,0-15,0
Хром	13,0-15,0
Никель	2,8-4,5
Титан	5·(С-0,02) - 0,6
Сера	не более 0,020
Фосфор	не более 0,035
Железо	остальное

(1. ГОСТ 5632-72. 2. Справочник «Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы», «ИнтерметИнжениринг», М., 2000 г., с.59-61).

Температурный коэффициент линейного расширения этой стали в интервале температур 20°С÷500°С и 20°С÷800°С составляет 19,3·10⁶ К^-1 и составляет 19,6·10⁶ К^-1 соответственно. Данные значения величины ТКЛР недостаточны для выполнения калибровки тонкостенных обечаек из мартенситно-стареющих сталей. Кроме того, наблюдается нестабильность значений ТКЛР этой стали с тенденцией к снижению в зависимости от соотношения в ней хрома, марганца и никеля.

Наиболее близкой к предлагаемой стали является аустенитная сталь, содержащая следующие компоненты, мас.%:

Углерод	0,07-0,13
Кремний	0,3-0,8
Хром	12,5-14,0
Марганец	3,5-15,0
Никель	0,2-3,0
Медь	0,1-0,6
Азот	0,1-0,3
Кальций	0,01-0,1
Алюминий	0,01-0,15
Сера	<0,03
Фосфор	<0,045
Железо	остальное

(Справочник «Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы», «ИнтерметИнжениринг», М., 2000 г., с.57-58 - прототип).

Эта сталь характеризуется хотя и повышенными значениями ТКЛР (20°C÷400°C - 19,4·10⁶ К^-1; 20°С÷800°С - 22,5·10⁶ К^-1 ), но все же недостаточными для применения в качестве оправок для калибровки тонкостенных обечаек с микронной точностью.

При содержании азота 0,1%÷0,3% и марганца 13,5%÷15,0% сталь имеет высокий уровень прочности, затрудняющий изготовление прецизионных изделий с супержесткими допусками по геометрическим размерам.

Наличие в составе стали никеля затрудняет механическую обработку, увеличивая число проходов для достижения требуемой шероховатости поверхности.

Техническим результатом данного изобретения является достижение стабильно высокого уровня коэффициента линейного расширения в температурных диапазонах 20°С÷500°С и 20°С÷800°С в условиях многоцикловых воздействий высоких температур и повышение технологичности в процессе производства металлургической продукции (снижение сопротивления деформации и повышение пластичности при горячей обработке давлением; повышение обрабатываемости резанием).

Технический результат достигается тем, что прецизионная аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит бор и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,07-0,13
Хром	12,0-14,0
Марганец	17,2-20,0
Кремний	0,3-0,8
Бор	0,0005-0,0030
Магний	0,01-0,05
Азот	0,03-0,07
Железо и неизбежные примеси	остальное,

причем суммарное содержание бора и магния составляет 0,012-0,051, а содержание хрома, кремния, марганца, углерода и азота связано зависимостью:

Соотношение компонентов в данном изобретении обеспечивает получение устойчивой определенной величины коэффициента линейного расширения >21·10⁶ К^-1 при переменном воздействии температур 500°С и 800°С не только за счет совокупности хрома и марганца, но также за счет гарантированного ускорения возможности появления в структуре дельта-феррита. Наличие в структуре дельта-фазы приводит к перераспределению содержания хрома и марганца между α- и γ-фазами, вследствие чего изменяется коэффициент линейного расширения. Одновременно с этим при появлении дельта-феррита наблюдается ухудшение технологичности стали в части возникновения рванин, трещин на поверхности проката, что вызовет повышенный расход металла при зачистке полуфабрикатов.

Содержание углерода в стали должно составлять от 0,07% до 0,13%.

Нижний предел, равный 0,07%, обеспечивает получение аустенитной структуры без следов дельта-феррита; верхний предел ограничен 0,13%, т.к. в случае превышения этого значения наблюдается образование карбидов, для растворения которых требуется повышение температуры закалки, что приводит к росту аустенитного зерна и снижению коэффициента линейного расширения.

Пределы по содержанию хрома выбраны по следующим соображениям.

При содержании хрома ниже 12,0% не достигается требуемый минимальный уровень коррозионной стойкости в атмосферных условиях повышенной влажности.

Если содержание хрома более 14%, в аустенитной основе стали появляется дельта-феррит, в связи с чем снижается величина коэффициента линейного расширения.

Пределы по содержанию марганца играют определяющую роль в обеспечении необходимого уровня коэффициента линейного расширения

При содержании марганца ниже величины 17,2% и выше 20% не достигается стабильность величин коэффициента линейного расширения при термоциклировании в интервалах от 20°С до 500°С и от 20°С до 800°С.

Пределы по содержанию кремния выбраны исходя из того, что при содержании его ниже 0,3% металл недостаточно раскислен и содержит повышенное количество кислорода, что отрицательно влияет на сопротивление коррозии. При содержании кремния более 0,8% наблюдается появление в структуре дельта-феррита и снижается коэффициент линейного расширения.

Содержание азота ограничено пределами от 0,03% до 0,07%. Нижний предел по содержанию азота, равный 0,03%, - это то минимальное количество, которое всегда присутствует в металле при открытой электродуговой выплавке. Верхний предел ограничен 0,07%, т.к. при превышении его имеет место упрочнение стали, отрицательно влияющее на обрабатываемость резанием.

Микролегирование бором способствует повышению качества поверхности, как в горячедеформированном состоянии, так и после обработки резанием, а также препятствует росту аустенитного зерна.

При 0,0005% бора имеет место минимальный эффект, верхний предел ограничен для предупреждения выпадения из твердого раствора боридов.

Магний в данной композиции повышает технологичность металла при обработке давлением за счет повышения чистоты металла по границам зерен, что приводит к снижению сопротивления деформации при высоких температурах. При 0,01% магния достигается минимум сегрегации вредных примесей. Верхний предел по содержанию магния ограничен 0,05%, т.к. при большем его содержании появляются неметаллические включения в виде сложных оксидов.

Поскольку действие бора и магния в данной композиции протекает в общих направлениях, суммарное количество их ограничено 0,012%-0,051%.

При (B+Mg)<0,012% не достигается значительного эффекта влияния их на повышение технологичности и размер зерна.

При (B+Mg)>0,051% в структуре металла наблюдается появление избыточных фаз сложного состава.

Экспериментально установлено, что при величине зависимости

не обеспечивается необходимый уровень значений коэффициента линейного расширения, а при величине зависимости

нарушается стабильность при термоциклировании.

Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие в объеме формулы изобретения.

Опытные плавки выплавляли в условиях экспериментального комплекса ЦНИИЧермет, а также в промышленных условиях на оборудовании ОАО «Металлургический завод «Электросталь».

Выплавка в ЦНИИЧермете производилась в 100-киллограмовой индукционной печи. Металл разливали в изложницы для слитков массой 20 кг. Выплавка в ОАО «Электросталь» производилась в 1-тонной электродуговой печи. Получение зависимости

при выплавке опытных плавок достигалось путем расчета навесок с учетом угара хрома.

В таблице 1 приведен химический состав опытных плавок, а в таблице 2 представлены свойства полученных сталей.

Таблица 1.
Химический состав предлагаемой стали.
	Массовая доля элементов, %
№	С	Cr	Mn	Si	N	В	Mg	B+Mg	Cr+1,7Si
										Примечание
1	0,11	12,5	18,2	0,4	0,03	0,0009	0,04	0,0409	2,83	Выплавлена в ЦНИИЧермет
2	0,10	13	19,5	0,7	0,07	0,002	0,02	0,022	3,46	Выплавлена в ЦНИИЧермет
3	0,08	12,3	18,6	0,6	0,05	0,001	0,015	0,016	2,6	Выплавлена в ОАО «Электросталь»

Таблица 2.
Свойства предлагаемой стали.
№	Средний температурный коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от 20°С в 106 К-1 (после 50-ти циклов)	Содержание дельта-феррита, в структуре, %	σв при 1100°С МПа	KCU при 1100°С Дж/см
100°С	200°С	400°С	500°С	600°С	700°С	800°С
1	16,9	17,8	19,8	21,4	22,3	22,5	23,1	0	31	160
2	17,0	17,9	20,1	21,2	22,3	22,5	23,5	0,5	33	172
3	16,8	18,1	20,3	21,5	22,7	22,9	23,7	0,5	29	178

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемая сталь является более технологичной при горячей обработке давлением, чем прототип: σ_в при 1100°С составляет 29÷31 МПа против 42 МПа и KCU составляет 160÷178 дж/см² против 125 дж/см².

Прецезионная аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,07-0,13
хром	12,0-14,0
марганец	17,2-20,0
кремний	0,3-0,8
бор	0,0005-0,0030
магний	0,01-0,05
азот	0,03-0,07
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом суммарное содержание бора и магния составляет 0,012-0,051, а содержание хрома, кремния, марганца, углерода и азота связано зависимостью: