Высокопрочная дисперсионно-твердеющая азотосодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь
Владельцы патента RU 2704703:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным дисперсионно-твердеющим азотосодержащим коррозионно-стойким аустенитным сталям, используемым для изготовления высоконагруженных конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ванадий, железо и примеси при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,03, кремний 0,20-0,40, марганец 0,50-1,00, хром 16,0-18,0, никель 11,0-13,0, азот 0,15-0,25, ванадий 0,8-1,2, железо и примеси – остальное. Содержания углерода и азота удовлетворяют условию: [С]:[N]≤0,12. После закалки от 1200-1250°С и последующего старения при 650-700°С она имеет структуру азотистого аустенита, упрочненную дисперсными частицами нитрида ванадия размером ~ 60 . Обеспечивается повышение прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к области легированных высокопрочных коррозионностойких сталей, используемых для высоконагруженных конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте.
Известна коррозионностойкая хромоникелевая сталь 0Х18АН12 [Бабаков А.А., Приданцев В.М. Коррозионностойкие стали и сплавы. М. Металлургия, 1971. С. 124, 127], обладающая высокой пластичностью (δ=63%, ψ=78%) и ударной вязкостью (KCU=3,4 МДж/м2), содержащая следующие компоненты, масс. %:
углерод | 0,05 |
никель | 12,2 |
хром | 18,4 |
марганец | 0,87 |
кремний | 0,14 |
азот | 0,06 |
железо | остальное |
Основными недостатками этой стали является низкая прочность (σв=608 МПа, σ0,2=268 МПа).
Наиболее близкой по химическому составу к предлагаемому техническому решению является коррозионностойкая хромоникелевая сталь 03Х18АН12 [Приданцев В.М., Талов Н.П., Левин Ф.Л. Высокопрочные аустенитные стали. М.: Металлургия. 1969. с. 64], содержащая следующие компоненты, масс. %:
углерод | 0,03 |
никель | 12,0 |
хром | 17,0 |
азот | 0,18 |
железо | остальное |
Основным недостатком этой стали являются низкая прочность (σв=625 МПа, а0)2=300 МПа).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа легирования и обработки, позволяющего получать высокопрочную коррозионностойкую сталь, обладающую по сравнению со сталью 0Х18АН12 более высоким пределом текучести, и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности при сохранении высокой пластичности и ударной вязкости коррозионностойкой стали.
Технический результат достигается тем, что коррозионностойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ванадий, железо и примеси, согласно изобретению содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %:
углерод | 0,01-0,03 |
кремний | 0,20-0,40 |
марганец | 0,50-1,00 |
хром | 16,0-18,0 |
никель | 11,0-13,0 |
азот | 0,15-0,25 |
ванадий | 0,8-1,2 |
железо и примеси | - остальное, |
При этом, содержания углерода и азота удовлетворяют условию:
[С]:[N]≤0,12. Сталь после закалки от 1200-1250°С и последующего старения при 650°С в течение 5 часов имеет характеризуется структурой азотистого аустенита, дисперсноупрочненного нитридами ванадия.
Дополнительное введение азота в состав стали в количестве 0,15-0,25% приводит к повышению прочности. Увеличение показателей прочности стали после закалки от 1200 - 1250°С обусловлено наличием азота в γ-твердом растворе, а после старения упрочнением дисперсными (~ 60 ) частицами нитридов VN, выделяющимися в процессе нагрева при температуре 650°С. При концентрации азота более 0,25% трудно получить качественный металл без пористости из-за высокого содержания никеля, снижающего растворимость азота.
При содержании углерода более 0,03% по границам зерен выделяются крупные частицы карбидов хрома типа Ме23С6, приводящие к снижению пластичности и ударной вязкости. При отношении содержаний углерода и азота C/N≤0,12, такие карбиды не образуются.
Введение в сталь с 16-18% Сr и 11-13% Ni ванадия в количестве 0,8-1,2% повышает растворимость азота в аустените и позволяет получать сталь с содержанием азота до 0,25%. Увеличение содержания ванадия (ферритообразующего элемента) в количестве более 1,2% приводит к снижению стабильности аустенита по отношению к мартенситному превращению при охлаждении, а уменьшение его содержания менее 0,8% не позволяет металлу приобрести заданную прочность.
Увеличение концентрации никеля более 13,0% приводит к снижению растворимости азота, и значительному возрастанию стоимости металла. При содержании никеля менее 11,0% не удается сохранить стабильно аустенитную структуру при пластической деформации.
Введение в сталь, содержащую 16-18% Сr и 11-13% Ni, марганца в количестве 0,5-1,0% достаточно для раскисления стали.
Сталь выплавляли в открытой индукционной печи. Составы стали опытных плавок приведены в таблице 1.
Термическую обработку проводили по режимам, состоящим из закалки от 1200-1250°С с охлаждением в воде и последующего старения при 650-700°С в течение 4-5 часов. Результаты механических испытаний металла приведены в таблице 2.
Таким образом, по результатам испытаний видно (таб. 2), что предлагаемая сталь, в отличие от прототипа обладает более высоким пределом текучести, и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости, что приводит к увеличению долговечности и надежности высоконагруженных изделий и конструкций из этой стали.
Высокопрочная дисперсионно-твердеющая азотосодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ванадий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод | 0,01-0,03 |
кремний | 0,20-0,40 |
марганец | 0,50-1,00 |
хром | 16,0-18,0 |
никель | 11,0-13,0 |
азот | 0,15-0,25 |
ванадий | 0,8-1,2 |
железо и примеси | остальное |
при этом содержания углерода и азота удовлетворяют условию:
[С]:[N]≤0,12,
причем после закалки от 1200-1250°С и последующего старения при 650-700°С она имеет структуру азотистого аустенита, упрочненную дисперсными частицами нитрида ванадия размером ~ 60 .