Высокопрочная немагнитная композиционная сталь
Владельцы патента RU 2360029:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт металлургической технологии" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочной немагнитной коррозионно-стойкой композиционной стали, используемой в машиностроении, авиастроении, специальном судостроении, приборостроении и при создании высокоэффективной буровой техники. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, нитрид циркония, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,04-0,12, кремний 0,10-0,60, марганец 5,0-12,0, хром 19,0-21,0, никель 4,0-9,0, молибден 0,5-1,5, ванадий 0,10-0,55, ниобий 0,03-0,30, азот 0,4-0,7, нитрид циркония 0,03-1,00, железо и неизбежные примеси остальное. Нитрид циркония содержится в виде частиц с наноразмерной дисперсностью. Повышаются прочностные свойства стали при одновременном повышении показателей пластичности и вязкости. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, специальном судостроении, приборостроении и для создания высокоэффективной буровой техники.
Известна немагнитная сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,05; хром 21,0-24,0; марганец 12,0-15,0; никель 1,0-8,0; азот 0,65-0,80; молибден 0,5-1,0; ванадий 0,25-1,0; кальций 0,0015-0,020; железо остальное (Авт. свид. СССР №1225876, М. кл. С22С 38/58, опубл. 23.04.1986).
Недостатком стали является недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости и развитие межкристаллитной коррозии за счет наличия в стали ванадия, который соединяясь с азотом и углеродом образует нитриды и карбиды ванадия, выделяющиеся при затвердевании по границам аустенитных зерен. Кроме этого, ванадий как ферритообразующий элемент способствует выделению ферромагнитной фазы (δ - феррит), повышая магнитную проницаемость.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,04-0,9, кремний 0,10-0,60, марганец 5,0-12,0 хром 19,0-21,0, никель 4,5,0-9,0, молибден 0,5-1,5; ванадий 0,10-0,55; кальций 0,005-0,010; ниобий 0,03-0,30, азот 0,40-0,70; неизбежные примеси и железо остальное. При этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:
[Ni]+0,1[Mn]-0,01[Mn]2+18[N]+30[C]/[Cr]+l,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]+l,75[Nb]=0,70-0,90,
где [N], [С], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия и ниобия соответственно, выраженная в массовых процентах. Соотношение содержания углерода к содержанию азота равно 0,05-0,15.
Кроме того, сталь обладает развитой субзеренной структурой после горячей пластической деформации при температуре 1000-1050°С с обжатием 50-80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.
Сталь обладает мелкозернистой аустенитной структурой после закалки в воде от температуры 1030-1070°С (Патент РФ №2205889, М. кл. С22С 38/58, опубл. 06.10.2003, прототип).
Недостатком указанной стали являются недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости стали, так как наличие сильных карбидо- и нитридообразующих элементов ниобия и ванадия приведет к выделению крупноразмерных как карбидов, так и нитридов ниобия и ванадия по границам аустенитного зерна при затвердевании стали, что снизит характеристики пластичности и вязкости.
Задачей, решаемой изобретением, является получение стали, обладающей повышенными прочностными свойствами с высокими показателями пластичности и вязкости.
Указанная задача решается тем, что высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая композитная сталь, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, железо, дополнительно содержит нитрид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,04-0,12 |
| Кремний | 0,10-0,60 |
| Марганец | 5,0-12,0 |
| Хром | 19,0-21,0 |
| Никель | 4,0-9,0 |
| Молибден | 0,5-1,5 |
| Ванадий | 0,10-0,55 |
| Ниобий | 0,03-0,30 |
| Азот | 0,4-0,7 |
| Нитрид циркония | 0,03-1,00 |
| Железо и примеси | остальное |
Сталь содержит нитрид циркония в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.
Введение в состав стали мелкодисперсных нитридов циркония с наноразмерной дисперсностью позволит образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла.
В процессе затвердевания стали химически стойкие частицы нитрида циркония, находясь в высокоазотистом расплаве обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться инокуляторами, центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчит первичное аустенитное зерно, увеличит площадь границ аустенитных зерен, а также увеличит скорость затвердевания отливок. Это существенно уменьшит количество и увеличит дисперсность карбидов и нитридов ванадия и ниобия, выпадающих по границам аустенитных зерен, что в конечном счете приведет к увеличению прочностных свойств и одновременно показателей пластичности и вязкости.
При содержании в стали мелкодисперсных нитридов циркония в количестве меньшем 0,03 мас.% не происходит увеличения прочностных свойств, так как не происходит достаточного измельчения зерна и стабилизации границ зерен.
При содержании нитридов циркония более 1,00 мас.% происходит ухудшение характеристик пластичности и вязкости, так как нитриды циркония начинают выделяться в избыточном количестве по границам зерен.
Таким образом, техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств стали при одновременном повышении показателей пластичности и вязкости.
Пример.
Выплавку стали производили в открытой основной индукционной печи вместимостью 160 кг методом сплавления нержавеющих азотсодержащих отходов и чистых ферросплавов. Азот вводили в состав стали азотированными отходами и азотированными ферросплавами хрома и марганца.
Нитрид циркония получали методом СВС в режиме фильтрационного горения. После азотирования спек нитрида циркония дробили и измельчали до фракции менее 100 нм в шаровой мельнице в течение 5 минут. Нитрид циркония вводили в металлических капсулах на струю металла при выпуске плавки в ковш. Металл разливали сверху в слитки массой 130 кг диаметром 150 мм. Слитки нагревали в газовой печи до температуры 1175-1220°С и ковали при температуре не ниже 1050°С на прутки сечением 70×70 мм. Из прутков изготавливали продольные образцы на растяжение и ударный изгиб, которые подвергали термообработке закалкой в воду с 1050°С.
Структуру металла изучали на металлографическом микроскопе Неофот-2.
Фазовый состав стали определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.
Механические испытания на растяжение по ГОСТ 1497-80 проводили на универсальной испытательной машине Тип 1958у-10, а испытания на ударный изгиб - на копре КМ-30 по ГОСТ 9454-80.
Результаты химического анализа предлагаемой стали приведены в табл.1.
Результаты испытаний представлены в табл.2.
По результатам испытаний видно, что предлагаемая сталь обладает более высокими прочностными показателями при повышенных характеристиках пластичности и вязкости, что приведет к повышению долговечности изделий из этого металла.
| Таблица 1. | ||||||||||||||
| Химический состав стали | ||||||||||||||
| Плавка | Содержание элементов, мас.% | |||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | Nb | Са | N | ZrN | S | P | Fe и примеси | |
| 1 | 0,04 | 0,10 | 5,0 | 19,0 | 4,0 | 0,5 | 0,10 | 0,03 | - | 0,4 | 0,03 | 0,006 | 0,018 | Ост. |
| 2 | 0,09 | 0,30 | 10,0 | 20,5 | 8,0 | 0,9 | 0,35 | 0,10 | - | 0,55 | 0,50 | 0,007 | 0,019 | Ост. |
| 3 | 0,12 | 0,58 | 11,8 | 21,0 | 8,9 | 1,5 | 0,55 | 0,30 | - | 0,69 | 1,00 | 0,011 | 0,020 | Ост. |
| 4 | 0,08 | 0,25 | 11,2 | 20,3 | 8,73 | 0,87 | 0,40 | 0,20 | - | 0,57 | 0,02 | 0,009 | 0,17 | Ост. |
| 5 | 0,04 | 0,40 | 11,0 | 19,6 | 8,5 | 1,0 | 0,45 | 0,15 | - | 0,70 | 1,1 | 0,006 | 0,018 | Ост. |
| 6 прототип | 0,4 | 0,26 | 11,7 | 19,9 | 5,6 | 1,5 | 0,37 | 0,27 | 0,006 | 0,51 | - | 0,004 | 0,017 | Ост. |
| Таблица 2 | ||||||
| Механические свойства и магнитная проницаемость стали | ||||||
| Плавка | σB, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ψ, % | KCU, МДж/м2 | µ, Гс/Э |
| 1 | 1170 | 1132 | 59 | 78 | 4,3 | 1,001 |
| 2 | 1180 | 1150 | 53 | 75 | 3,8 | 1,002 |
| 3 | 1200 | 1160 | 50 | 75 | 3,1 | 1,001 |
| 4 | 900 | 850 | 50 | 68 | 1,2 | 1,004 |
| 5 | 1180 | 1100 | 35 | 50 | 1,0 | 1,005 |
| 6 прототип | 1040 | 848 | 32 | 55 | 2,2 | 1,005 |
1. Высокопрочная немагнитная коррозионностойкая композиционная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нитрид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,04-0,12 |
| кремний | 0,10-0,60 |
| марганец | 5,0-12,0 |
| хром | 19,0-21,0 |
| никель | 4,0-9,0 |
| молибден | 0,5-1,5 |
| ванадий | 0,10-0,55 |
| ниобий | 0,03-0,30 |
| азот | 0,4-0,7 |
| нитрид циркония | 0,03-1,00 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит нитрид циркония в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.
