Результат интеллектуальной деятельности: Хладостойкая аустенитная высокопрочная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению конструкционной коррозионностойкой и хладостойкой аустенитной высокопрочной стали, которая может быть использована в машиностроении, в том числе - для изготовления высокопрочных конструкций, работающих в условиях пониженных климатических температур, в т.ч. в морской воде (в климатических условиях Арктики и Антарктики).

Основные требования к таким материалам – высокий уровень прочности и ударной вязкости при пониженных температурах и стойкость против коррозии. С учетом этого сталь должна содержать:

- для обеспечения коррозионной стойкости – хром, молибден, азот;

- для обеспечения высокой прочности– азот;

-для стабилизации аустенита - азот, никель, марганец;

- для повышения уровня ударной вязкости при низких температурах – никель (основной легирующий элемент, эффективно влияющий на характеристики сталей в области пониженных климатических температур);

- для повышения растворимости азота в железе – марганец.

Хром и молибден также повышают растворимость азота в твердых растворах на основе железа. По данным Британской ассоциации коррозионностойких сталей (BRITISH STAINLESS STEELASS OCIATION) наилучший выбор сталей для очень низких температур – это стали, в которых аустенит стабилизирован добавками азота, например 304LN(www.bssa.org.uk).

Известна коррозионностойкая конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная свариваемая сталь и способ ее получения (RU №2545856, опубл. 10.04.2015), содержащая (мас.%): углерод - 0,05-0,07; хром 18,0-20,0; никель 5,0-7,0; марганец 8,0-10,0; молибден 1,4-1,8; кремний 0,25-0,35; азот 0,25-0,28; алюминий 0,0015-0,0035; РЗЭ 0,005-0,008; медь 0,05; сера 0,0025; фосфор 0,010; олово 0,005; свинец 0,005; висмут 0,005; мышьяк 0,005; железо остальное.

Способ получения данной стали включает загрузку в печь шихты, плавку, выпуск полупродукта в ковш, рафинирование расплава от примесей методами внепечной обработки, раскисление расплава и присадку редкоземельных элементов.

Недостатком данной стали является относительно низкое содержание никеля в такой стали, что не позволяет обеспечить значения ударной вязкости при комнатной температуре свыше 259 Дж/см², а содержание азота не более 0,28% не позволяет обеспечить придел текучести при 20°С более 545 МПа.

Известна сталь с более высоким содержанием никеля – высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь(RU №2205889, опубл. 10.06.2003), содержащая компоненты в следующем соотношении (мас. %): углерод 0,04-0,90, кремний 0,10-0,60, марганец 5,0-12,0, хром 19-21, никель 4,5-9,0, 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. Для значений концентраций легирующих элементов должно выполняться условие: [Ni]+0,1[Mn] -0,01[Mn]²+18[N]+30[C]/[Cr]+1,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]+1,75[Nb]=0,70-0,90. Соотношение содержания углерода к содержанию азота должно быть равно 0,05-0,15.

Недостатком данной стали является большой интервал по содержанию основных легирующих элементов, содержание аустенитообразующих элементов на нижнем уровне, а ферритообразующих на верхнем уровне в структуре стали приводит к образованию феррита. Кроме того, при выплавке стали с максимальным содержанием ниобия и ванадия, сталь будет иметь недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости стали из-за выделения крупноразмерных как карбидов, так и нитридов ниобия и ванадия, в т.ч. по границам аустенитного зерна, что приведет к падению ударной вязкости при пониженных температурах.

Наиболее близким техническим решением к предложенной стали является аустенитная коррозионно-стойкая высокопрочная сталь (RU №2218446, опубл. 10.12.2003) следующего химического состава (мас.%): углерод – 0,02-0,06; хром 20,0-24,0; марганец 4,0 -8,0; никель 7,0-12,0; Молибден 2,0-4,0; ниобий 0,10-0,30; азот 0,40-0,70; бор 0,001-0,003; церий 0,001-0,050. Железо и неизбежные примеси остальное, при выполнении соотношения (Cr+Mn+Mo)=28,5-32,5.

Недостатком этой стали является низкий уровень механических свойств при пониженных температурах. Содержание молибдена выше 2% при выплавке на нижнем пределе по содержанию марганца и азота может привести к образованию дельта–феррита, что снизит характеристики пластичности и ударной вязкости и может вызвать образование трещин при горячей прокатке стали. Несколько завышенное содержание азота, при предельной растворимости его в твердом растворе до 0,4% может привести к образованию пористости из-за образования газообразного азота при выплавке и сварке. Отсутствие регламентированного содержания примесных элементов может привести к ухудшению пластичности и ударной вязкости.

Задачей предлагаемого изобретения является получение хладостойкой аустенитной высокопрочной стали, используемой в условиях пониженных климатических температур.

Поставленная задача достигается за счет того, что хладостойкая аустенитная высокопрочная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, никель, молибден, азот, дополнительно содержит кремний, кальций, селен, фосфор и серу при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод 0,06 – 0,7

Хром 20– 22

Никель 9 – 12

Марганец 5 – 7

Молибден 1 – 2

Азот 0,3 – 0,4

Кремний не более 1

Сера не более 0,005

Фосфор не более – 0,009

Кальций 0,001- 0,01%

Селен 0,005-0,01

Железо и неизбежные примеси - остальное

Между компонентами выполняются следующие соотношения:

Ni+30C+30N+0,5Mn+0,8Cr+0,8Mo+1.2Si+0,4Nb>28

1,4Cr+1,4Mo+2,1Si+0,7Nb-Ni-30C-30N+0,5Mo<12,

где Ni, C, N, Mn, Cr, Mo, Si, Nb - содержание химических элементов, %.

Технический результат заключается в получении хладостойкой аустенитной высокопрочной стали, обладающей высоким уровнем прочности и ударной вязкости при пониженных температурах и стойкости против коррозии.

Введение в сталь хрома в количестве 20 – 22% необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 22%, а никеля менее 9% и марганца менее 5% сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и сигма-фазы. С увеличением содержания никеля более 12% невозможно получить сталь с заданным количеством азота. Содержание молибдена более 2% будет способствовать образованию в металле в ферромагнитной фазы (дельта -феррита) и охрупчивающей сталь сигма-фазы. Содержание молибдена менее 1% недостаточно для обеспечения коррозионной стойкости стали и растворимости азота. Содержание азота (0,3-0,4%) обусловлено его предельной растворимостью в твердом растворе, превышение содержания азота может привести к образованию пористости из-за образования газообразного азота при выплавке и сварке. Содержание кремния более 1% ускоряет формирование окручивающих фаз, таких как сигма-фаза, и снижает растворимость азота в твердом растворе. В сплаве необходим контроль примесных элементов – сера не более 0,005, фосфор не более 0,009, отсутствие регламентированного содержания примесных элементов может привести к ухудшению пластичности и ударной вязкости. Для очищения стали от серы и фосфора и связывания остатков этих элементов в высокотемпературные соединения необходимо вводить при выплавке кальций (0,001- 0,01%) и селен (0,005-0,01%). Очищение границ зерен от серы и фосфора с помощью кальция и селена приводит к повышению высокотемпературной пластичности и длительной прочности. Высокие прочностные свойства и коррозионные характеристики также достигаются за счет того, что в стали отсутствую карбидо- и нитридообразующие элементы, таких как Nb и B в результате чего азот и углерод остаются в твердом растворе. При этом состав химических элементов должен удовлетворять требованиям Ni эквивалента и Cr эквивалент в соответствии с диаграммой Schaeffler(G.George, H. Shaikh, in: H.S. Khatak, B. Raj (Eds.), CorrosionofAusteniticStainlessSteels. Mechanism Mitigationand Monitoring, WoodheadPublishing, 2002, pp. 1–36.), в результате чего сталь будет находиться в аустенитной области.

Примеры осуществления

Пример 1. Были отлиты два сплава предлагаемого химического состава (табл.1). Стали предложенного химического состава были отлиты в индукционной печи. После чего стали были подвергнуты гомогенизационному отжигу и ковке.

Химический состав предлагаемого сплава и прототипа представлен на фиг. 1 в Таблице 1, где:1 – Прототип, 2 – Предлагаемый сплав, 3 – Предлагаемый сплав.

Прототип выплавляли в 50-кг индукционной печи и разливали в изложницы для слитков массой 25 кг. Слитки ковали и прокатывали на прутки диаметром 16-20 мм.

Результаты механических испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84 представлены на фиг. 2 в Таблице 2, где σ_0,2 - предел текучести условный; σ_в - предел прочности; δ - относительное удлинение после разрыва, KCV - ударная вязкость.

Механические испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84, на определение ударной вязкости − по ГОСТ 9454-78, тип образца KCV.

Как видно из таблицы 2, механические свойства предлагаемого сплава существенно выше свойств прототипа даже при более низкой температуре (-100°С), чем указано для стали прототипа (-60°С), что позволяет полученную конструкционную коррозионностойкую и хладостойкую аустенитную высокопрочную сталь применять в машиностроении, в том числе - для изготовления высокопрочных конструкций, работающих при более низких температурах, а также в морской воде в климатических условиях Арктики и Антарктики.