ВЫСОКОАЗОТИСТАЯ МАРТЕНСИТНАЯ НИКЕЛЕВАЯ СТАЛЬ

Изобретение относится к области металлургии и является высокопрочной мартенситной сталью с 8,5-10,5% никеля и со сверхравновесным содержанием азота для изготовления высоконагруженных изделий криогенной техники.

Известна мартенситная сталь 07Н9 [О.А.Банных, Ю.К.Ковнеристый. Стали для работы при низких температурах. Москва, Металлургия, 1969, с. 25.], включающая следующие компоненты, мас.%:

Основным недостатком этой стали является низкая прочность при 20°C (σ_в=726 МПа, σ_0,2=562 МПа) после применяемой при изготовлении изделий нормализации при 900°C и отпуска при 570°C в течение 1 часа. Таким же недостатком обладает 9% никелевая сталь после двойной нормализации при 900 и 790°C и отпуска при 550-585°C (σ_в=660-690 МПа, σ_0,2=420-450 МПа), применяющаяся в США при изготовлении изделий для хранения жидкого кислорода [Gill Е.Т., Swales G.L. Nickel-containing steels for low temperature applications in petroleum industry. Brit. Petrol. Equipment News. 1959, 7, №2, p. 60-64].

Наиболее близкой к заявляемой стали по химическому составу является известная сталь 0Н9 [Ю.П.Солнцев, Б.С.Ермаков, О.И.Слепцов. Энциклопедический справочник. Материалы для низких температур. Санкт-Петербург. Химиздат. 2000, с. 202-204], включающая следующие компоненты по техническим условиям ТУ 14-1-2236-77 (мас.%):

Существенным недостатком данной стали является низкая прочность при 20°C (σ_в=720 МПа и σ_0,2=580 МПа), недостаточная для высоконагруженных изделий.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке низкоуглеродистой с 8,5-10,5% никеля высокоазотистой мартенситной стали для изготовления высоконагруженных изделий криогенной техники. Техническим результатом изобретения является повышение прочности низкоуглеродистой стали с 8,5-10,5% никеля.

Технический результат достигается тем, что никелевая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний и железо, согласно изобретению, дополнительно содержит азот и хром при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Сущность изобретения заключается во введении в сталь, содержащую 8,5-10,5% никеля, 0,08-0,22% азота для повышения прочности стали и 1,5-2,0% хрома (повышающего растворимость азота) для получения такой стали без пор. В стали с указанным содержанием никеля, азота и хрома в процессе термической обработки формируется структура с большим количеством азотистого мартенсита, необходимого для высокопрочного состояния стали.

Предлагаемая сталь включает компоненты в указанных пределах ввиду того, что содержание азота менее 0,08% и углерода менее 0,02% не обеспечивают достаточной прочности для изготовления высоконагруженных изделий. При концентрациях азота более 0,22% и углерода более 0,06% не удается получить беспористые слитки стали с содержанием 8,5-10,5% никеля. Добавки хрома и марганца, повышающие растворимость азота в расплаве железа, в количествах 1,5-2,0% и 0.3-0,6% соответственно достаточны для кристаллизации жидкого метала стали с 8,5-10,5% никеля без образования в структуре δ-феррита (у которого низкая растворимость азота) и, как следствие, получение слитков без пор. При концентрациях никеля менее 8,5% или более 10,5% формируется структура с большим количеством феррита или аустенита соответственно, снижающих упрочнение стали.

Сталь может характеризоваться тем, что для содержания углерода и азота выполняется следующее условие:

С+N=0,14÷0,24

При суммарном содержании углерода и азота менее 0,14% требуемый уровень прочности стали не достигается из-за присутствия в структуре стали феррита. При значениях этой суммы более 0,24% в структуре нарушается оптимальное соотношение между аустенитной и мартенситной составляющей и уровень прочности будет ниже заданного. В сталях с заданным содержанием углерода и азота (0,14÷0,24) преобладающей структурной составляющей является азотистый мартенсит, обеспечивающий прочностные свойства стали.

Добавки 0,1-0,3% кремния достаточны для раскисления стали. Сталь может содержать кальций в количестве 0,005-0,05%. Кальций является сильным раскислителем. При введении кальция снижается уровень кислорода в металле [Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия. 1966. 1275 с.], уменьшается количество неметаллических включений и они приобретают округлую форму. При введении кальция в сталь менее 0,005% значительного снижения уровня неметаллических включений не наблюдается. При введении кальция в сталь в количестве более 0,05% неметаллические включения значительно укрупняются и, являясь концентраторами напряжений, снижают пластические свойства стали.

Сталь может содержать церий в количестве 0,005-0,03%. Церий, как и кальций, является активным раскислителем, его введение приводит к уменьшению количества неметаллических включений в металле, а также измельчению кристаллической структуры [Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия. 1966. 1275 с.]. При увеличении содержания церия более 0,03% возможно образование нитридов церия уже в жидкой фазе, которые, укрупняясь и всплывая, будут ассимилированы шлаком, выводя тем самым азот из металла.

Сталь выплавляли в Институте металловедения им. академика А.Балевского Болгарской академии наук в установке для литья под давлением 30-40 атм азота.

В таблице 1 представлен химический состав стали, содержание азота в которой 0,08-0,22%, т.е. в 3-5 раз выше равновесной (при выплавке при атмосферном давлении). Такое пересыщение азота в твердом растворе приводит к значительному упрочнению стали. 10 кг слитки ковали в интервале температур 1100-850°C на прутки сечением 14×14 мм. Термическую обработку стали производили по режиму, состоящему из закалки от 850°C (1 час) с охлаждением в воде и последующего отпуска при 500-650°C (1 час) с охлаждением на воздухе.

Методами оптической микроскопии (на микроскопе Olympus) и тонких фольг «на просвет» (на электронном микроскопе ЭМВ-100Л) исследована структура стали после закалки от 850°C и закалки от 850°C с последующим нагревом при 500-650°C в течение 1 часа.

Механические испытания на растяжение проводили на машине Инстрон-1185 со скоростью растяжения 1 мм/мин на стандартных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм. Для испытаний на ударную вязкость использовали стандартные образцы Менаже с U-образным надрезом при температурах +20 и -196°C на копре Zwick/Roell RKP 450 с записью диаграммы деформирования.

Предлагаемая сталь после закалки от 850°C и отпуска при 500-650°C в течение 1 часа значительно превосходит по уровню прочности применяющуюся в криогенной технике сталь 0Н9. В таблице 2 представлены механические свойства известной и предлагаемой стали. После закалки от 850°C и отпуска при 500°C в течение 1 час заявляемая сталь имеет максимальные значения прочности (σ_в=1021 и 1147 МПа, σ_0,2=950 и 1069 МПа) при повышенной пластичности и ударной вязкости (таблица 2). Такое сочетание прочности и пластичности у этой стали достигается в результате формирования после указанных режимов термической обработки мелкозернистой (~20 мкм) структуры азотистого пакетного мартенсита с прослойками между рейками мартенсита остаточного аустенита, приведенной на рис.1 (сталь плавки 3 после закалки от 850°C - 1 час - вода и отпуска 600°C - 1 час - воздух: а - вид структуры×10000; б - темнопольное изображение в рефл.022_γ).

Сталь, таким образом, может быть использована в качестве высокопрочного конструкционного материала. Указанные в таблице 2 механические свойства предлагаемой стали подтверждают ее перспективность для замены применяющейся в криогенной технике стали 0Н9.