Нержавеющая сталь

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к нержавеющим мартенситно-стареющим сталям, используемым для изготовления высоконагруженных деталей. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, стронций, кальций, барий, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,15, кремний 0,15-1,5, марганец 0,15-2,0, хром 11,0-20,0, никель 2,0-10,0, ниобий 0,1-1,0, медь 1,5-5,0, стронций 0,001-0,050, кальций 0,001-0,10, барий 0,001-0,050, алюминий 0,005-0,10, азот 0,01-0,10, железо и примеси остальное. При этом выполняются следующие соотношения: (Al+Ca):(Ba+Sr)≥2 и 22≤[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]≤32, где k=45±5. Повышаются пластические свойства стали при сохранении уровня прочностных характеристик. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к нержавеющим мартенситно-стареющим сталям, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных деталей.

Известна коррозионно-стойкая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,07, кремний 0,4-0,8, марганец 0,4-0,8, хром 15,0-17,0, никель 2,5-4,5, медь 1,6-3,0, ниобий 0,15-0,3 5, железо - остальное (Патент РФ №2215815, М.кл. С22С 38/48). Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью при пониженных механических характеристиках.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная нержавеющая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,07, кремний до 1,0, марганец 0,3-1,8, хром 14,0-18,0, никель 2,0-5,0, медь 1,0-4,0, ниобий 0,01-1,0, азот 0,01-0,12, алюминий 0,01-2,0, железо и сопутствующие примеси - остальное (Патент РФ №2263155, М.кл.С22С 38/50, 38/54, 38/58. Прототип). Данная сталь имеет высокие прочностные характеристики и коррозионную стойкость. Введение в данную сталь алюминия и азота обуславливает образование карбидов и нитридов, что повышает прочностные свойства металла.

Недостатком данной стали являются пониженные пластические характеристики - относительное удлинение и относительное сужение.

Задачей, решаемой изобретением, является получение нержавеющей стали, обладающей высокими прочностными и пластическими свойствами.

Указанная задача решается тем, что нержавеющая сталь, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, дополнительно содержит стронций, кальций, барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,02-0,15
Кремний	0,15-1,5
Марганец	0,15-2,0
Хром	11,0-20,0
Никель	2,0-10,0
Ниобий	0,1-1,0
Медь	1,5-5,0
Стронций	0,001-0,050
Кальций	0,001-0,10
Барий	0,001-0,050
Алюминий	0,005-0,10
Азот	0,01-0,10
Железо и примеси	остальное

при условии, что содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям:

22≤[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]≤32,

где k=45±5;

а также:

(AI+Са):(Ba+Sr)≥2

Введение в металл стронция при одновременном введении кальция и бария позволяет повысить его пластичность за счет измельчения сульфидных включений с образованием комплексного сульфида кальция, бария и стронция и снижения содержания растворенного в металле кислорода. Взаимодействуя с кислородом, растворенным в стали, стронций связывает кислород в оксиды стронция, а также снижает размер первичных дендритов. Содержание в стали стронция в количестве, меньшем 0,001 мас.%, не влияет на размер первичных дендритов, и соответственно не достигается в полной мере положительное влияние на эксплуатационные характеристики. При содержании стронция более 0,05 мас.% происходит образование большого количества крупных оксидных включений, что приводит к снижению пластичности стали. Стронций способен растворяться в α и γ железе и тем самым их легировать, повышая прочностные свойства твердого раствора.

Дополнительное положительное влияние бария проявляется в воздействии на карбонитриды ниобия: в переводе их из остроугольной формы в сферическую, в их измельчении и удалении с границ внутрь зерна. Это способствует повышению пластических свойств стали. При содержании бария менее 0,001 мас.% не наблюдается стабильного влияния на форму карбонитридов и очистки от них границ зерен, что отрицательно сказывается на пластичности стали. При содержании бария более 0,05 мас.% происходит вторичное его окисление при проведении операции разливки стали, что увеличивает в металле количество оксидных включений, поэтому снижается уровень пластических свойств стали.

Введение в металл кальция позволяет, кроме того, за счет его высокого сродства к сере и кислороду, усилить действие ниобия в части повышения пластических свойств стали. При содержании кальция менее 0,001 мас.% положительного влияния не проявляется, содержание более 0,10 мас.% - экономически нецелесообразно.

Кроме того, совместное введение в металл кальция, бария и стронция при содержании алюминия в стали в установленных пределах (легкоокисляемых элементов) при заданном соотношении суммы алюминия и кальция к сумме бария и стронция позволяет снизить реактивность кальция, имеющего высокую упругость паров при температурах сталеплавильного процесса.

В результате чего повышается модифицирующий эффект кальция и, как следствие, стронция и бария. При соотношении суммы алюминия и кальция к сумме бария и стронция менее 2 не достигается полного модифицирующего эффекта.

Введение установленных экспериментальным путем пределов суммарного содержания хрома, никеля, кремния, марганца, меди, углерода и азота с учетом их коэффициентов влияния на образование мартенситной составляющей структуры - от 22 до 32 - позволяет получить оптимальное количество мартенсита в структуре стали, позволяющее повысить пластические свойства, не ухудшая прочностных. При получении данного значения менее 22 металл образует полностью мартенситную структуру, что приводит к снижению пластических характеристик металла. При получении данного значения более 32 в структуре металла содержание мартенсита будет менее 40%, что понизит его прочностные свойства.

Таким образом, одновременное введение в сталь стронция, бария и кальция и соблюдение соотношений содержания компонентов позволяет значительно повысить пластические свойства стали при сохранении уровня прочностных характеристик, что является техническим результатом изобретения.

Пример.

Выплавку стали производили в дуговых электропечах методом переплава высоколегированных отходов с использованием установки вакуумно-кислородного обезуглероживания. Модифицирование металла стронцием, барием и кальцием производили на установке вакуумно-кислородного обезуглероживания на заключительной стадии технологического процесса после раскисления и легирования металла алюминием посредством введения порошковой проволоки с наполнителем, содержащим стронций, барий и кальций. Легирование стали азотом производили присадкой азотированных ферросплавов с одновременной продувкой металла азотом. Разливку металла производили в слитки сифонным способом с использованием экзотермической смеси. Слитки прокатывали на стане 850 на промежуточную заготовку, затем слитки прокатывали на стане 250 на прутки диаметром от 14,3 до 35 мм длиной 3-6 метров, после чего прутки подвергали термической обработке (старению).

Определение уровня механических свойств проводили на готовых прутках в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73. Химический состав стали с учетом соотношений, определяющих мартенситную составляющую (Соотношение 1) и легкоокисляемых элементов (Соотношение 2), представлен в таблице 1. Результаты испытаний металла, имеющего разный химический состав в соответствии с таблицей 1, приведены в таблице 2. Как видно из таблиц 1, 2 оптимальными являются варианты 2, 3, 4.

Предлагаемая сталь обладает высоким уровнем прочностных характеристик и высокой пластичностью, так относительное удлинение повышается на 19%, относительное сужение на 6%, относительно характеристик известной стали, что позволяет использовать ее для высоконагруженных деталей.

Таблица 1
Плавка	Химический состав, мас.%	Соотн. I	Соот. II
Cr	Ni	Si	Mn	Си	С	N	Nb	Al	Sr	Ca	Ba
1	1,32	3,64	0,35	0,29	2,82	0,03	0,02	0,18	0,005	0,0005	0,0005	0,0005	23,06	5,5
2	14,89	3,09	0,42	0,59	1,94	0,02	0,01	0,37	0,005	0,001	0,001	0,001	22,0	3,0
3	15,64	4,73	0,37	0,47	3,05	0,04	0,02	0,15	0,03	0,013	0,030	0,012	26,7	2,4
4	16,95	5,42	0,79	0,76	4,23	0,06	0,05	0,26	0,10	0,050	0,10	0,050	32,0	2,0
5	14,27	5,06	0,79	0,41	4,07	0,02	0,02	0,19	0,07	0,055	0,16	0,055	25,3	2,1
6	13,82	2,13	0,26	0,35	1,71	0,02	0,01	0.31	0,03	0,012	0,030	0,011	19,2	2,6
7	17,93	6,64	0,45	0,63	2,73	0,04	0,05	0,24	0,03	0,013	0,032	0,012	33,3	2,5
8	16,22	4,82	0,31	0,69	3,17	0,07	0,06	0,19	0,04	0,031	0,034	0,028	30,7	1,3

Таблица 2
Плавка	Механические свойства
относительное удлинение, %	относительное сужение, %	предел текучести, кгс/мм2	временное сопротивление разрыву, кгс/мм2
1	16	51	124	134
2	17	53	126	136
3	19	55	128	137
4	18	53	127	136
5	15	49	124	135
6	12	46	128	137
7	20	59	120	118
8	15	51	125	136
прототип	16	52	125	135

Нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стронций, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,02-0,15
кремний	0,15-1,5
марганец	0,15-2,0
хром	11,0-20,0
никель	2,0-10,0
ниобий	0,1-1,0
медь	1,5-5,0
стронций	0,001-0,050
кальций	0,001-0,10
барий	0,001-0,050
алюминий	0,005-0,10
азот	0,01-0,10
железо и примеси	остальное

при условии, что содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям:

22≤[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]≤32,

(Al+Ca):(Ba+Sr)≥2,

где k=45±5.