Патент на изобретение №2350683

(54) НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к нержавеющим мартенситно-стареющим сталям, используемым для изготовления высоконагруженных деталей. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, стронций, кальций, барий, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,15, кремний 0,15-1,5, марганец 0,15-2,0, хром 11,0-20,0, никель 2,0-10,0, ниобий 0,1-1,0, медь 1,5-5,0, стронций 0,001-0,050, кальций 0,001-0,10, барий 0,001-0,050, алюминий 0,005-0,10, азот 0,01-0,10, железо и примеси остальное. При этом выполняются следующие соотношения: (Al+Ca):(Ba+Sr)2 и 22[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]32, где k=45±5. Повышаются пластические свойства стали при сохранении уровня прочностных характеристик. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к нержавеющим мартенситно-стареющим сталям, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных деталей.

Известна коррозионно-стойкая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,07, кремний 0,4-0,8, марганец 0,4-0,8, хром 15,0-17,0, никель 2,5-4,5, медь 1,6-3,0, ниобий 0,15-0,3 5, железо – остальное (Патент РФ №2215815, М.кл. С22С 38/48). Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью при пониженных механических характеристиках.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная нержавеющая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,07, кремний до 1,0, марганец 0,3-1,8, хром 14,0-18,0, никель 2,0-5,0, медь 1,0-4,0, ниобий 0,01-1,0, азот 0,01-0,12, алюминий 0,01-2,0, железо и сопутствующие примеси – остальное (Патент РФ №2263155, М.кл.С22С 38/50, 38/54, 38/58. Прототип). Данная сталь имеет высокие прочностные характеристики и коррозионную стойкость. Введение в данную сталь алюминия и азота обуславливает образование карбидов и нитридов, что повышает прочностные свойства металла.

Недостатком данной стали являются пониженные пластические характеристики – относительное удлинение и относительное сужение.

Задачей, решаемой изобретением, является получение нержавеющей стали, обладающей высокими прочностными и пластическими свойствами.

Указанная задача решается тем, что нержавеющая сталь, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, дополнительно содержит стронций, кальций, барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при условии, что содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям:

22[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]32,

где k=45±5;

а также:

(AI+Са):(Ba+Sr)2

Введение в металл стронция при одновременном введении кальция и бария позволяет повысить его пластичность за счет измельчения сульфидных включений с образованием комплексного сульфида кальция, бария и стронция и снижения содержания растворенного в металле кислорода. Взаимодействуя с кислородом, растворенным в стали, стронций связывает кислород в оксиды стронция, а также снижает размер первичных дендритов. Содержание в стали стронция в количестве, меньшем 0,001 мас.%, не влияет на размер первичных дендритов, и соответственно не достигается в полной мере положительное влияние на эксплуатационные характеристики. При содержании стронция более 0,05 мас.% происходит образование большого количества крупных оксидных включений, что приводит к снижению пластичности стали. Стронций способен растворяться в и железе и тем самым их легировать, повышая прочностные свойства твердого раствора.

Дополнительное положительное влияние бария проявляется в воздействии на карбонитриды ниобия: в переводе их из остроугольной формы в сферическую, в их измельчении и удалении с границ внутрь зерна. Это способствует повышению пластических свойств стали. При содержании бария менее 0,001 мас.% не наблюдается стабильного влияния на форму карбонитридов и очистки от них границ зерен, что отрицательно сказывается на пластичности стали. При содержании бария более 0,05 мас.% происходит вторичное его окисление при проведении операции разливки стали, что увеличивает в металле количество оксидных включений, поэтому снижается уровень пластических свойств стали.

Введение в металл кальция позволяет, кроме того, за счет его высокого сродства к сере и кислороду, усилить действие ниобия в части повышения пластических свойств стали. При содержании кальция менее 0,001 мас.% положительного влияния не проявляется, содержание более 0,10 мас.% – экономически нецелесообразно.

Кроме того, совместное введение в металл кальция, бария и стронция при содержании алюминия в стали в установленных пределах (легкоокисляемых элементов) при заданном соотношении суммы алюминия и кальция к сумме бария и стронция позволяет снизить реактивность кальция, имеющего высокую упругость паров при температурах сталеплавильного процесса.

В результате чего повышается модифицирующий эффект кальция и, как следствие, стронция и бария. При соотношении суммы алюминия и кальция к сумме бария и стронция менее 2 не достигается полного модифицирующего эффекта.

Введение установленных экспериментальным путем пределов суммарного содержания хрома, никеля, кремния, марганца, меди, углерода и азота с учетом их коэффициентов влияния на образование мартенситной составляющей структуры – от 22 до 32 – позволяет получить оптимальное количество мартенсита в структуре стали, позволяющее повысить пластические свойства, не ухудшая прочностных. При получении данного значения менее 22 металл образует полностью мартенситную структуру, что приводит к снижению пластических характеристик металла. При получении данного значения более 32 в структуре металла содержание мартенсита будет менее 40%, что понизит его прочностные свойства.

Таким образом, одновременное введение в сталь стронция, бария и кальция и соблюдение соотношений содержания компонентов позволяет значительно повысить пластические свойства стали при сохранении уровня прочностных характеристик, что является техническим результатом изобретения.

Пример.

Выплавку стали производили в дуговых электропечах методом переплава высоколегированных отходов с использованием установки вакуумно-кислородного обезуглероживания. Модифицирование металла стронцием, барием и кальцием производили на установке вакуумно-кислородного обезуглероживания на заключительной стадии технологического процесса после раскисления и легирования металла алюминием посредством введения порошковой проволоки с наполнителем, содержащим стронций, барий и кальций. Легирование стали азотом производили присадкой азотированных ферросплавов с одновременной продувкой металла азотом. Разливку металла производили в слитки сифонным способом с использованием экзотермической смеси. Слитки прокатывали на стане 850 на промежуточную заготовку, затем слитки прокатывали на стане 250 на прутки диаметром от 14,3 до 35 мм длиной 3-6 метров, после чего прутки подвергали термической обработке (старению).

Определение уровня механических свойств проводили на готовых прутках в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73. Химический состав стали с учетом соотношений, определяющих мартенситную составляющую (Соотношение 1) и легкоокисляемых элементов (Соотношение 2), представлен в таблице 1. Результаты испытаний металла, имеющего разный химический состав в соответствии с таблицей 1, приведены в таблице 2. Как видно из таблиц 1, 2 оптимальными являются варианты 2, 3, 4.

Предлагаемая сталь обладает высоким уровнем прочностных характеристик и высокой пластичностью, так относительное удлинение повышается на 19%, относительное сужение на 6%, относительно характеристик известной стали, что позволяет использовать ее для высоконагруженных деталей.

Формула изобретения

Нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ниобий, медь, алюминий, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стронций, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при условии, что содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям:

22[Cr+1,5·Ni+0,7·Si+0,75·Mn+0,2·Cu+k·(C+N)]32,

(Al+Ca):(Ba+Sr)2,

где k=45±5.