Аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением
Владельцы патента RU 2415962:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к аустенитной дисперсионно-твердеющей высокопрочной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых сероводородсодержащих средах. Сталь содержит углерод, хром, никель, титан, молибден, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 10,0-12,5, никель 22,0-24,0, титан 2,7-3,1, молибден 1,0-1,6, алюминий не более 0,8, углерод 0,03-0,07, железо - остальное. Сталь обладает повышенной стойкостью к растрескиванию под напряжением в сероводородсодержащих средах и стабильными механическими свойствами: предел текучести не менее 725 МПа, а твердость не более 35 HRC. 6 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к легированию аустенитной дисперсионно-твердеющей высокопрочной стали с заданными пределами поля допуска параметров механических свойств.
Технической задачей изобретения является повышение стабильности значений параметров механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска: предел текучести не менее 725 МПа и твердость не более 35 HRC при использовании стали - для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых средах.
Это достигается тем, что устанавливается математическая зависимость между параметрами механических свойств и химическим составом, определяются наиболее значимые элементы, влияющие на механические свойства, и решением линейных уравнений «механические свойства (химический состав)» оптимизируется содержание значимых элементов так, чтобы выполнялось условие: σ02≥725 МПа; HRC≤35 при величине остальных параметров механических свойств не ниже границы допустимых значений.
Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к ограничению легирования известной стали для выполнения заданных пределов допуска по механическим свойствам с повышением стабильности значений параметров механических свойств.
Известна сталь аустенитного класса с дисперсионным и карбидным упрочнением, термообработанная по режиму, включающему закалку с 980°С и старение при 730°С продолжительностью 5 часов. Сталь приобретает структуру, механические свойства и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением, позволяющие использовать ее для изготовления высоконагруженных деталей, работающих в кислых средах при температурах 20÷-60°С (Патент на изобретение №2201971 10.04.2003 г).
Недостатком известного изобретения является то, что при содержании легирующих элементов, упрочняющих сталь в процессе старения за счет дисперсионного твердения, вблизи пределов марочного состава необходимо корректировать продолжительность старения и статистика значений параметров механических свойств по ряду параметров имеет значимые величины вероятности выхода за пределы технических условий (ГОСТ Р50779.11-2000 Статистическое управление качеством. Термины и определения).
Наиболее близким техническим решением химического состава высокопрочной аустенитной стали является высокопрочная сталь аустенитного класса 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72 (ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные). При стандартном легировании возможно такое сочетание элементов, что у стали может быть предел текучести ниже 725 МПа или твердость выше 35 HRC. Статистика данных механических свойств, включающая 160 значений каждого параметра, показывает, что вероятность выхода за пределы поля допуска составляет в сумме 25% и стандартное отклонение по пределу текучести и твердости составляет 67 МПа и 4 HRC соответственно.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности механических свойств, снижение стандартного отклонения по пределу текучести и твердости без снижения уровня и стабильности других параметров, а также ограничение выделения дисперсных фаз в процессе старения, устранение необходимости корректировки продолжительности старения при 730°С, получение комплекса механических свойств, требуемых для сталей, работающих в средах с высоким содержанием H2S и СО2.
Для получения технического результата предложена аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением, содержащая углерод, никель, титан, хром, молибден, алюминий, в которой в отличие от прототипа для повышения стабильности механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска: предела текучести не менее 725 МПа и твердости не более 35 HRC, ограничены пределы содержания углерода, никеля и титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 10,0-12,5 |
| Никель | 22,0-24,0 |
| Титан | 2,7-3,1 |
| Молибден | 1,0-1,6 |
| Алюминий | не более 0,8 |
| Углерод | 0,03-0,07 |
| Железо | основа. |
Предлагаемое решение технической задачи осуществляется путем определения оптимального химического состава легирования стали, полученного математическим расчетом. Ограничение пределов легирования стали 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72 по элементам: углерод 0,03-0,07%, никель 22-24%, титан 2,7-3,1% приводит к ограничению выделений дисперсных фаз в процессе старения без необходимости корректировки продолжительности старения при 730°С и получения комплекса свойств, требуемых для сталей, работающих в средах с высоким содержанием H2S и СО2, с повышением стабильности механических свойств.
Пример. Высокопрочная аустенитная сталь 10Х11Н23ТЗМР (ЭП 33) ГОСТ 5632-72, имеющая пределы содержания легирующих элементов:
Сr 10,0-12,5%; Ni 21,0-25,0%; Ti 2,6-3,2%; Mo 1,0-1,6%; Al≤0,8%; С≤0,1%, Fe - основа, при статистической обработке результатов испытаний механических свойств после термообработки по режиму: закалка с 980°С и старение при 730°С продолжительностью 5 часов имеет вероятность выхода за граничные условия в сумме 25% и стандартное отклонение по пределу текучести и твердости составляет 67 МПа и 4 HRC соответственно.
Коэффициенты корреляции, обусловившие выбор элементов оптимизации химического состава (таблица 1).
| Таблица 1 | ||||
| Параметры механических свойств | σв, МПа | σ0,2, МПа | KV-60, Дж | HRC |
| Сr | 0,14 | |||
| Ni | 0,30 | -0,22 | 0,31 | |
| Ti | 0,45 | 0,20 | -0,42 | 0,29 |
| Мо | 0,16 | -0,33 | 0,15 | |
| А1 | 0,25 | -0,28 | ||
| С | -0,14 | -0,35 | 0,30 |
Значимые коэффициенты (более ±0,20) получены для элементов Ni, Ti, Мо, Аl, С (коэффициенты ниже ±0,10 не приведены в таблице).
Результаты статистической обработки данных определения химического состава и механических свойств приведены в таблицах 2 и 3. Для оптимизации химического состава выбраны элементы с большими значениями стандартного отклонения и вероятности выхода за пределы технических условий, т.е. Ni, Ti, С.
Уравнения регрессии вида У=b+Σm1…i xX1…i, устанавливающие математическую зависимость параметров механических свойств от химического состава, имеют коэффициенты, приведенные в таблице 4 (b - свободный член, m1…i - коэффициенты регрессии элементов от Сr до С, У - зависимый параметр механических свойств, Х - независимые параметры - элементы химического состава).
| Таблица 2 | ||||||
| Результаты статистической обработки данных определения химического состава | ||||||
| Сr | Ni | Ti | Мо | Аl | С | |
| ГОСТ 5632 пределы поля допуска, % | 10,0-12,5 | 21,0-25,0 | 2,6-3,2 | 1,0-1,6 | ≤0,8 | ≤0,1 |
| Среднестатистическое содержание элементов в генеральной выборке 160 значений (X) | 11,24 | 23,43 | 2,95 | 1,27 | 0,21 | 0,057 |
| Стандартное отклонение (σ) | 0,48 | 0,81 | 0,17 | 0,095 | 0,06 | 0,015 |
| Вероятность выхода за пределы технических условий ГОСТ 5632-72, % | 0 | 2,7 | 8% за верхний предел, 1,7 - за нижний | 0 | 0 | 6,4 |
| Предлагаемые пределы поля допуска | 22,0-24,0 | 2,7-3,1 | - | - | 0,3-0,7 | |
| Среднестатистическое значение элементов в выборке 80 значений | 11,1 | 23,4 | 2,95 | 1,27 | 0,21 | 0,048 |
| Стандартное отклонение в выборке 80 значений | 0,46 | 0,40 | 0,10 | 0,06 | 0,05 | 0,0075 |
| Снижение статистического параметра стандартного отклонения при ограничении пределов поля допуска в % | 49 | 59 | 50 |
| Таблица 3 | ||||||
| Результаты статистической обработки данных испытания механических свойств | ||||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | ψ,% | δ, % | KV-60, Дж | HRC | |
| Среднестатистические значения параметров в генеральной совокупности 160 значений | 1093,6 | 830,7 | 47,70 | 27,0 | 69,8 | 31,6 |
| Стандартное отклонение (о) | 53,3 | 67,5 | 3,67 | 4,6 | 20,9 | 4,0 |
| Вероятность выхода за пределы технических условий, % | 0 | 6 | 0 | 0 | 2 | 19,2 |
| Технические требования - пределы поля допуска | ≥960 | ≥725 | ≥20 | ≥15 | ≥27 | ≤35 |
| Среднестатистические значения параметров механических свойств после оптимизации химического состава в выборке 80 значений | 1103,6 | 795,9 | 48,2 | 29,4 | 79,8 | 30,2 |
| Стандартное отклонение в статистике 80 значений | 50,5 | 32,6 | 4,0 | 3,9 | 18,3 | 4 |
| Снижение статистического параметра стандартного отклонения после оптимизации химического состава, % | 9 | 50 | 9 | 15 | 13 | 33 |
| Вероятность выхода за пределы технических условий после оптимизации химического состава, % | 0 | 3 | 0 | 0 | 0 | 4 |
| Снижение вероятности выхода за пределы технических условий, раз | - | 2 | - | - | - | 4 |
| Таблица 4 | |||||||
| Параметр механических свойств У | Свободный член b | Коэффициенты регрессионных уравнений для каждого параметра механических свойств, m | |||||
| Сr | Ni | Ti | Mo | Аl | С | ||
| σb | 380,1 | -1,54 | 2,59 | 245,2 | -51,4 | 20,2 | 216,27 |
| σ0,2 | -536,9 | 41,4 | 38,3 | 148,7 | -338,4 | 44,4 | -195,0 |
| ψ | 108,3 | -0,14 | -2,23 | -4,25 | 4,36 | 7,76 | -23,83 |
| δ | 93,2 | -0,44 | -1,95 | -5,72 | 3,23 | 12,57 | -96,12 |
| KV-60 | 453,97 | -2,34 | -8,44 | -51,26 | 12,65 | 17,14 | 495,83 |
| HRC | -36,1 | -0,62 | 2,5 | 5,3 | -1,26 | -11,7 | 88,6 |
| Таблица 5 | ||||||||
| Матрица предельных значений химического состава и механические свойства, получаемые математическим расчетом по регрессионным уравнениям | ||||||||
| Химический состав, % | Механические свойства | |||||||
| Ni | Ti | С | σв, МПа | σ02, МПа | ψ, % | δ, % | KV-60, Дж | HRC |
| 22 | 2,7 | 0,03 | 1027 | 743 | 52,6 | 33,8 | 108 | 24 |
| 24 | 2,7 | 0,03 | 1032 | 819 | 48,0 | 29,9 | 91,6 | 30 |
| 22 | 3,1 | 0,03 | 1125 | 802 | 50,9 | 32,9 | 87,9 | 27 |
| 24 | 3,1 | 0,03 | 1130 | 879 | 46,4 | 27,6 | 71,0 | 31 |
| 22 | 2,7 | 0,07 | 1036 | 735 | 51,6 | 30,0 | 88,6 | 28 |
| 24 | 2,7 | 0,07 | 1041 | 811 | 47,2 | 26,0 | 71,7 | 33 |
| 22 | 3,1 | 0,07 | 1134 | 794 | 50,0 | 27,6 | 68,1 | 30 |
| 24 | 3,1 | 0,07 | 1139 | 871 | 45,5 | 23,7 | 51,2 | 35 |
| Таблица 6 | |||||||
| Оценка параметров стабильности механических свойств | |||||||
| Статистики | Критерии стабильности | Параметры механических свойств | |||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | ψ, % | δ, % | KV-60, Дж | HRC | ||
| Генеральная совокупность 160 значений | Размах значений | 981,0-1265,0 | 623,0-953,0 | 32,0-60,0 | 19,0-37,0 | 32,0-117,0 | 23-37 |
| Стандартное отклонение | 53,3 | 67,5 | 4 | 4,6 | 26,9 | 4 | |
| Вероятность выхода за пределы, % | 0 | 6 | 0 | 0 | 2 | 19,2 | |
| Выборка значений с оптимальным химсоставом 80 значений | Размах значений | 1038-1176 | 741,0-953,4 | 42,0-58,0 | 25,0-31,8 | 47,0-104,0 | 26-35 |
| Стандартное отклонение | 48,6 | 61,7 | 4 | 4,3 | 18,3 | 2,9 | |
| Вероятность выхода за пределы, % | 0 | 3 | 0 | 0 | 0 | 4 | |
| Матрица предельных значений химсостава | Размах значений | 1027-1139 | 735-879 | 45,5-52,6 | 23,7-33,8 | 51,2-108,0 | 24-35 |
Коэффициенты детерминированности, оценивающие полноту корреляции с линейной моделью уравнения регрессии, коэффициенты F-статистики для каждого параметра механических свойств, расчетные коэффициенты t-статистики (отношение коэффициента регрессии к стандартному значению ошибки) указывают на значимость полученных коэффициентов регрессионного уравнения.
В расчете значений параметров механических свойств при оптимальных пределах поля допуска содержания элементов (Ni, Ti, С) в качестве содержания остальных элементов (Cr, Mo, A1) использовано среднеарифметическое значение элемента из статистики 160 значений каждого параметра. Согласно уравнениям регрессии их изменение в сторону максимального или минимального содержания положительно влияет на значения оптимизируемых параметров механических свойств.
Матрица значений предлагаемого химического состава и получаемые при этом значения всех параметров механических свойств приведены в таблице 5. Допуск (разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями) у каждого параметра механических свойств уменьшился.
Оптимизация химического состава позволила повысить стабильность параметров механических свойств. Критериями стабильности (таблица 6) взят размах выборки для статистики, величина стандартного отклонения (среднеквадратичное отклонение), вероятность выхода за пределы технических условий (ГОСТ Р 50779.10 Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения).
Проверка влияния оптимального содержания элементов: углерод 0,03-0,07%, никель 22-24%, титан 2,7-3,1% на выборке из генеральной совокупности значений статистики с химическим составом в указанных пределах подтверждает правильность выбранного направления сужения пределов поля допуска: вероятность выхода за пределы технических условий для предела текучести и твердости уменьшается в 2 и 4 раза соответственно.
Аустенитная дисперсионно-твердеющая высокопрочная сталь, стойкая к сероводородному растрескиванию под напряжением, содержащая углерод, хром, никель, титан, молибден, алюминий и железо, отличающаяся тем, что для повышения стабильности механических свойств при соблюдении заданных пределов допуска - предел текучести не менее 725 МПа и твердость не более 35 HRC она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| хром | 10,0-12,5 |
| никель | 22,0-24,0 |
| титан | 2,7-3,1 |
| молибден | 1,0-1,6 |
| алюминий не более | 0,8 |
| углерод | 0,03-0,07 |
| железо | остальное |
