Маломагнитная сталь и изделие, выполненное из нее

Изобретение относится к сталям, используемым в качестве конструкционных материалов в судостроении, энергетике, машиностроении. Сталь содержит 0,1-0,8 мас.% углерода, 0,001-0,9 мас.% кремния, 10,0-22,0 мас.% марганца, 1,5-4,5 мас.% алюминия, не более 0,8 мас.% хрома, не более 0,8 мас.% никеля, не более 0,8 мас.% меди, не более 0,05 мас.% серы, не более 0,05 мас.% фосфора, не более 0,015 мас.% азота, один или несколько компонентов из группы, содержащей молибдена в количестве 0,0005-0,01 мас.%, ванадия - 0,0005-0,01 мас.%, кальция – 0,0001-0,005 мас.% и ниобия - 0,0005-0,01 мас.%, остальное - железо и неизбежные примеси. Обеспечивается горячая технологическая пластичность, легкость механической обработки, хорошая свариваемость и уровень магнитной проницаемости (μ), стабильно не превышающей 1,01 Гс/Э. 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к легированным высокопрочным, маломагнитным сталям, используемым в качестве конструкционных материалов в судостроении, энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности.

Известна сталь, содержащая, мас. %: углерод 1,0-1,2, марганец 24,0-26,0, хром 2,5-5,0, алюминий 4,0-6,0, бор 0,005-0,1, иттрий 0,005-0,05, церий 0,005-0,05, ванадий 0,08-0,12, ниобий 0,01-0,04, кальций 0,001-0,01, железо - остальное [Патент RU 2307195, МПК С22С 38/38, 2007].

Недостатками данной стали являются достаточно высокая магнитная проницаемость, склонность к образованию горячих трещин при сварке, способность к хрупкому разрушению. Сталь достаточно тяжело поддается механической обработке, что препятствует использованию ее для изготовления корпусов судов и деталей судовой обвязки с требованиями немагнитных свойств.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является сталь, которая содержит углерод, кремний, марганец, никель, хром, алюминий, кальций, азот, медь, молибден, ванадий, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,34-0,45, кремний 0,15-0,50, марганец 6,0-8,0, никель 12,5-14,5, хром 0,15-0,30, медь 1,2-2,2, молибден 0,5-1,2, ванадий 1,0-1,7, алюминий 0,005-0,025, кальций 0,0010-0,025, азот 0,05-0,2, железо и примеси - остальное.

В качестве примесей сталь содержит, мас. %: серу 0,005-0,020, фосфор 0,005-0,030, свинец 0,0002-0,005, олово 0,0002-0,005, висмут 0,0002-0,005 и мышьяк 0,0002-0,005. Отношение суммарного содержания углерода и азота к ванадию составляет 0,25-0,5, а суммарная концентрация аустенитообразующих элементов удовлетворяет условию: [Ni]+0,5[Cu]+1,15 [Мn]=18-26% [Патент RU 2447186, МПК С22С 38/58, 2012].

Недостатками данной стали являются нестабильные характеристики прочности и пластичности, повышенная магнитная проницаемость, плохая свариваемость, недостаточный уровень горячей технологической пластичности, а также довольно высокая стоимость из-за наличия в составе большого количества дорогостоящих легирующих элементов: молибдена, никеля, ванадия и меди.

Технический результат изобретения - получение экономно-легированной стали, обладающей достаточной горячей технологической пластичностью, способностью легко поддаваться механической обработке, хорошей свариваемостью и уровнем магнитной проницаемости (μ), стабильно не превышающей 1,01 Гс/Э.

Указанный технический результат достигается тем, что маломагнитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, никель, медь, серу, фосфор, азот, молибден, ванадий, кальций, согласно изобретению дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,1-0,8, кремний 0,001-0,9, марганец 10,0-22,0, алюминий 1,5-4,5, хром не более 0,8, никель не более 0,8, медь не более 0,8, сера не более 0,05, фосфор не более 0,05, азот не более 0,015, один или несколько компонентов из группы: молибден 0,0005-0,01, ванадий 0,0005-0,01, кальций 0,0001-0,005, ниобий 0,0005-0,01, железо и неизбежные примеси - остальное.

Сталь дополнительно может содержать не более 0,005% бора, 0,0005-0,01% титана, не более 0,001% РЗМ. Суммарное содержание водорода и кислорода в стали составляет не более 0,001%, а суммарное содержание олова и свинца в стали не более 0,005%.

Сталь имеет, преимущественно, аустенитную структуру, содержащую по меньшей мере 95 объемных долей аустенита.

Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из стали указанного состава.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При содержании углерода менее 0,1% снижается доля устойчивого аустенита и увеличивается магнитная проницаемость стали. Содержание углерода более 0,8% ухудшает свариваемость и механическую обрабатываемость стали.

Повышение концентрации кремния в стали выше 0,9% приводит к повышению хрупкости стали. Снижение содержания кремния в стали ниже 0,001% является нецелесообразным с экономической точки зрения, так как для достижения низкой концентрации кремния потребуется использовать дорогостоящую футеровку при выплавке стали, что связано с высокой активностью расплава стали с повышенным содержанием алюминия и взаимодействием расплава с футеровкой, содержащей кремний.

Марганец содержанием менее 10,0% не позволяет достичь стабильной аустенитной структуры. Содержание марганца, превышающее 22,0%, ведет к повышению магнитной проницаемости, ухудшению свариваемости.

Содержание алюминия менее 1,5% приведет к снижению пластических свойств при горячей деформации из-за склонности к упрочнению при деформировании. При содержании алюминия более 4,5% произойдет рост магнитной проницаемости.

Содержание хрома не должно превышать 0,8% для исключения снижения пластических свойств и охрупчивания стали.

Содержание никеля более 0,8% ведет к значительному удорожанию производства стали.

Содержание меди более 0,8% ведет к значительному удорожанию производства стали и выпадению интерметаллидов, приводящих к охрупчиванию.

Ограничение содержания серы до 0,05% позволяет улучшить пластичность при горячем деформировании

Ограничение содержания фосфора до 0,05% требуется для хладостойкости при соответствующих условиях эксплуатации изделия.

Содержание азота более 0,015% в стали, легированной алюминием, приведет к понижению ударной вязкости из-за выделения нитрида алюминия по границам зерен.

Небольшое содержание молибдена (до 0,01%) оказывает влияние на снижение порога хладноломкости. Дальнейшее увеличение его содержания экономически не целесообразно.

Ванадий является довольно сильным нитридообразующим элементом. В его присутствии более 0,0005% возрастает растворимость азота в железе. Связывая азот, растворенный в стали, он способен устранить склонность стали к старению. Однако, когда содержание ванадия превышает 0,01%, ухудшается ударная вязкость и пластичность стали.

Ниобий вводят для снижения явлений коррозии в сварных изделиях, а также для повышения кислотостойкости стальных конструкций. Увеличение содержания более 0,01% экономически не целесообразно.

Кальций вводится в сталь как раскислитель, а также с целью модифицирования неметаллических включений. Увеличение содержания кальция более 0,005% не приводит к дальнейшему улучшению качества стали.

Дополнительное введение в сталь бора приводит к росту центров кристаллизации расплава, в результате чего улучшается литая структура стали. Повышение содержания бора в стали выше 0,005% является нецелесообразным, так как это не позволяет добиться улучшения литой структуры стали.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,0005% снижается прочность стали. Повышение содержания титана сверх 0,01% приводит к снижению вязкостных свойств металла.

Дополнительное введение в сталь редкоземельных металлов (РЗМ) приводит к модифицированию структуры стали и к улучшению ее пластических характеристик. Повышение содержания РЗМ в стали выше 0,001% является нецелесообразным, так как не приводит к дальнейшему улучшению пластических характеристик стали.

Водород, кислород, олово и свинец являются вредными примесями в стали. Большее их содержание по сравнению с указанными значениями приводит к охрупчиванию стали.

Аустенитная структура стали с содержанием по меньшей мере 95 объемных долей аустенита позволяет обеспечить стали требуемые механические свойства и немагнитность.

Пример реализации способа.

Плавки заявляемой стали различных составов, в том числе и с содержанием некоторых легирующих компонентов за пределами верхнего или нижнего уровня, были выплавлены в открытой высокочастотной индукционной печи с основной футеровкой емкостью 50 кг под флюсом. Химические составы сталей приведены в таблице 1.

Температура расплава плавок заявляемой стали перед выпуском находилась в пределах 1520-1550°С. Каждая из опытных плавок была разлита в слитки. Передача для нагрева под ковку производилась непосредственно после раздевания слитка. Перед ковкой прибыльные и донные части слитков не удалялись. Ковку осуществляли на молоте с усилием в 1 тонну. Температурный интервал ковки составлял 1300-1220°С. Нагрев производили со скоростью не более 70°С в час. При этой температуре производилась выдержка слитков в течение 4-х часов. Обжатие слитков составляло 50-100 мм за один проход. Производили обрубку головных и донных частей поковок. Охлаждали поковки на спокойном воздухе. Перед термообработкой поковки разрезали на темплеты для проведения испытаний.

Результаты испытаний механических свойств указанных сталей приведены в таблице 2.

Как видно, при выполнении всех параметров (составы 1-14), сталь заявляемого состава имеет высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости. При этом испытываемые образцы характеризовались хорошей свариваемостью. Магнитная проницаемость у составов 1-14 не превышала 1,01 Гс/Э, в то время как у составов 15-17 была в диапазоне 1,15-1,25 Гс/Э.

1. Маломагнитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, никель, медь, серу, фосфор и азот, отличающаяся тем, что она содержит один или несколько компонентов из группы, содержащей молибден, ванадий, кальций и ниобий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,1-0,8
кремний	0,001-0,9
марганец	10,0-22,0
алюминий	1,5-4,5
хром не более	0,8
никель не более	0,8
медь не более	0,8
сера не более	0,05
фосфор не более	0,05
азот не более	0,015

один или несколько компонентов из группы:

молибден	0,0005-0,01
ванадий	0,0005-0,01
кальций	0,0001-0,005
ниобий	0,0005-0,01
железо и неизбежные примеси	остальное

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит не более 0,005% бора.

3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0005-0,01% титана.

4. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит не более 0,001% РЗМ.

5. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание водорода и кислорода составляет не более 0,001%.

6. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание олова и свинца составляет не более 0,005%.

7. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она имеет аустенитную структуру, содержащую по меньшей мере 95 объемных долей аустенита.

8. Изделие, выполненное из маломагнитной стали, отличающееся тем, что оно выполнено из маломагнитной стали по любому из пп. 1-6.