Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ АУСТЕНИТНО-МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям аустенитно-мартенситного класса, обладающих супервысокой прочностью, хорошей свариваемостью и высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию. Сталь предназначена для изготовления высоконагруженных крупногабаритных деталей машин: шасси, рамы, лонжероны, узлы поворота, силовой крепеж и др., работающих при t = -70 - +300^oC во всеклиматических условиях, в том числе в морской среде.

Известны коррозионно-стойкие стали для силовых деталей машин, в том числе самолетных конструкций: 17-4PH (США) (New developments in high strength stainless steels, DMIC Report 223, January 3, 1966 г.) и сталь 13X11H6M2C (а.с. 647355, БИ N 6 от 15.02.79 г.).

Сталь 17-4PH имеет следующий химический состав, мас.%:
C - 0,07
Cr - 15,5-17,5
Ni - 3-5
Nb - 0,15-0,45
Cu - 3-5
Si - 1,0
Fe - Остальное
После закалки с 1040^oC и отпуска при 470^oC 1 час сталь имеет следующие механические свойства: σ_в = 133 кгс/мм², σ_0,2 = 120 кгс/мм², δ = 10,5%, Ψ = 35%, a_v = 2 кгсм/см².

Сталь имеет достаточно высокое сопротивление коррозионному растрескиванию, но недостаточный уровень прочностных характеристик и пониженные значения пластичности (δ и ϑ) и вязкости (a_v).

Сталь 13Х11Н6М2С имеет следующий химический состав, мас.%:
C - 0,10-0,16
Cr - 10,5-12,5
Ni - 5,6-7
Mo - 1,5-3
Si - 1,3-2,7
N - 0,006-0,05
Mn - 0,5
Fe - Остальное
Сталь после закалки и отпуска обладает следующими механическими свойствами: σ_в = 154-158 кгс/мм², σ_0,2 = 131-135 кгс/мм², δ = 12-13%, ϑ = 42-55%, a_н = 6-7,5 кгсм/см².

Указанная сталь имеет недостаточный уровень прочности и из-за пониженного содержания хрома недостаточную коррозионную стойкость, что затрудняет ее применение для деталей и узлов, работающих в морской среде. Кроме того, сталь не сбалансирована по фазовому составу: при содержании в стали ферритообразующих элементов (Cr, Si, Mo) на верхнем пределе, а аустенитообразующих (C, Ni, N) - на нижнем, в стали может быть до 13% дельта-феррита, который резко снижает пластичность и вязкость, особенно в поперечном волокну направлении. Кроме того, при неблагоприятном сочетании легирующих элементов сталь может быть либо чисто аустенитной, либо мартенситной, что приводит к нестабильности механических свойств.

Известна коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного класса 18Х14Н4АМ3 (а.с. N 829716, БИ 18 от 15.05.81 г.), принятая авторами за прототип, следующего химического состава, мас.%:
C - 0,17-0,20
Cr - 13-14,5
Ni - 4-4,5
Mo - 2,3-2,8
N - 0,05-0,10
Si - 0,1-0,7
Mn - 0,1-1,0
Fe - Остальное
Эта сталь имеет высокий комплекс механических и коррозионных свойств. После закалки, обработки холодом и отпуска сталь имеет следующие свойства: σ_в = 164-176 кгс/мм², σ_0,2 = 135-140 кгс/мм², δ₅ = 15,5-16,5%, ϑ = 50-55%, a_н = 10-12 кгсм/см².

Недостатками стали является недостаточная прочность для таких узлов, как шасси самолета, а также крупное зерно после закалки (~2 балла), что при жестких условиях испытания приводит к получению пониженных характеристик (ударная вязкость образцов с трещиной - a_ту, коэффициент интенсивности напряжений K_1с).

Технической задачей настоящего изобретения является создание супервысокопрочной коррозионно-стойкой стали ( σ_в = 180 кгс/мм²), обладающей стабильно высокими пластичностью и вязкостью, а также высокими характеристиками надежности - коэффициентом интенсивности напряжения K_1с, сопротивлением коррозионному растрескиванию.

Эта задача достигается за счет дополнительного легирования кобальтом, иттрием, церием и лантаном при следующем соотношении компонентов, мас.%:
C - 0,18-0,21
Cr - 13-14
Ni - 4-4,5
Mo - 2,3-2,8
Si - 1,7-2,5
Co - 3,5-4,5
N - 0,06-0,09
Mn - 0,1-1,0
Y - 0,001-0,05
Ce - 0,001-0,05
La - 0,001-0,05
Fe - Остальное
При этом сумма Y+Ce+La≅0,1, т. к. большее содержание может повысить склонность к горячим трещинам.

Соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов, определяющих фазовый состав в стали, должно определяться следующими равенствами:
K_м = Cr+Mo+1,5Ni+30(C+N)+0,7(Mn+Si) = 30-35,
K_ф = Cr+Mo+2Si-{1,5Ni+30(C+N)+0,7Mn} = 5-5,5,
где K_м - эквивалент мартенситообразования,
K_ф - эквивалент ферритообразования.

Подобранное соотношение легирующих элементов (K_м и K_ф) позволяет получить стабильную структуру феррита и заданное соотношение мартенсита и аустенита (80-85% мартенсита, 15-20% остаточного аустенита) и обеспечить требуемый высокий уровень механических и коррозионных свойств.

Легирование стали повышенным содержанием Si и введенным Co позволяет получить высокий предел прочности σ_в = 180 кгс/мм².

Кроме того, повышенное содержание кремния обеспечивает высокую коррозионную стойкость в том числе сопротивление коррозионному растрескиванию.

Легирование церием и лантаном уменьшает содержание примесей на границах зерен, легирование иттрием позволяет получить достаточно мелкое зерно (~4 балла), что обеспечивает высокие и стабильные характеристики пластичности и вязкости.

Пример осуществления.

В лабораторных условиях в открытой печи с последующим электрошлаковым переплавом были произведены плавки предложенного химического состава (табл. 1).

Новая сталь после термообработки по оптимальному режиму: закалка + обработка холодом и отпуск обладает следующими механическими свойствами (табл. 2):
предел прочности σ_в = 180-190 кгс/мм²
предел текучести σ_0,2 = 142-150 кгс/мм²
относительное удлинение δ₅ = 18-20%
относительное сужение ϑ = 52-60%
ударная вязкость a_v = 6-10 кгсм/см² (r_н = 0,25 мм)
ударная вязкость с трещиной a_ту = 3,5-5 кгсм/см²
коэффициент интенсивности напряжения:
K_1с⁺²⁰ = 450-480 кгс/мм^3/2
K_1с^-50 = 290-310 кгс/мм^3/2
Сопротивление коррозионному растрескиванию - при приложенном напряжении σ = 0,8 σ_0,2 сталь выдерживает более 6 месяцев без разрушения в камере соляного тумана 5% NaCl, t = 35^oC (КСТ-35).

Как видно из приведенных данных, при весьма высоких значениях прочности σ_в = 180-190 кгс/мм² сталь имеет высокие характеристики пластичности (δ , ϑ), вязкости (a_н, a_v, a_ту), высокий коэффициент интенсивности напряжения (K_1с), высокое сопротивление коррозионному растрескиванию в камере соляного тумана (КСТ-35).

По сравнению с известной сталью (прототип) новая сталь обладает более высокими механическими свойствами: предел прочности (σ_в) выше на 10-20 кгс/мм², значение ударной вязкости (a_v и a_ту) выше в 1,5 раза, значения коэффициента интенсивности напряжений (K_1с) выше на 10-20%.

Таким образом, применение предложенной стали позволит снизить вес тяжелонагруженных деталей, эксплуатирующихся при t = -70 - +300^oC во всеклиматических условиях, и обеспечить стабильные и высокие характеристики надежности самолетов нового поколения.

Эта сталь может быть применена для высоконагруженных силовых конструкций (детали шасси, рамы, лонжероны, узлы поворота и др.), эксплуатирующихся во всеклиматических условиях и гидросамолете.