Патент на изобретение №2389819

(54) СТАРЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, молибден, галлий, бор, хром и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,27-0,50, марганец 14-18, кремний 2,0-3,0, ванадий 1,6-3,0, молибден 0,1-1,9, хром 0,1-4, галлий 0,1-0,5, бор 0,001-0,003, железо остальное. Отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет не менее 5, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.%. Сталь обладает повышенными пластическими свойствами в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы (ЭПФ). Изделия из сталей с ЭПФ можно использовать в качестве муфт при бесшовном соединении трубопроводов и топливопроводов, в качестве силовых блоков в различного рода охранной и противопожарной автоматике.

ЭПФ проявляется в частичном восстановлении (вспоминании) формы или размеров после нагрева предварительно деформированного, например путем изгиба, образца. Причиной таких изменений является развитие прямого мартенситного превращения – при холодной деформации и обратного – превращения при последующем нагреве, что вызывает полное или частичное восстановление формы, которую имел образец перед исходной холодной деформацией.

Сплавы с ЭПФ находят применение в современной технике. Особый интерес среди известных материалов вызывают сплавы на основе железа и стали как наиболее дешевые и технологичные в изготовлении.

Важными характеристиками сталей с ЭПФ являются величина обратимой деформации и усилие при разгибе в процессе восстановления формы, которое зависит от прочностных характеристик. Значение ЭПФ соответствует величине обратимой деформации при нагреве и определяется углом разгиба предварительно согнутого материала. Прочностные свойства характеризуются временным сопротивлением разрыву _в и условным пределом текучести _0,2.

Другим не менее важным свойством, которым должна обладать сталь, является повышенная пластичность. Она нужна как при производстве изделий из ЭПФ-сталей с помощью холодной деформации, так и для осуществления деформационно-индуцированного – превращения с целью последующей реализации эффекта памяти формы в процессе нагрева. Высокий запас пластичности (относительного удлинения ) в ЭПФ-сталях, как и в других конструкционных материалах, необходим также для предотвращения преждевременного разрушения нагруженных изделий. Необходимо, чтобы повышение пластичности стали сопровождалось сохранением достаточно высоких значений обратимой деформации и не приводило к большому снижению прочностных характеристик.

Среди известных функциональных материалов отсутствуют стали, которые одновременно обладали бы необходимыми прочностными характеристиками (_в=1000-1150 МПа, _0,2=650-750 МПа), пластическими свойствами (=30-40%) и высокими значениями ЭПФ (с углом разгиба не менее 130-150°).

Известны аустенитные стареющие стали, близкие по составу к предлагаемой. Сталь, содержащая, мас.%: 0,15-0,25 С, 17-19 Mn; 2-2,5 Si; 1,1-1,5 V и Fc – остальное (авт.св. СССР 1101465), в состаренном состоянии обладает низкими прочностными характеристиками из-за недостаточного количества углерода (предел текучести _0,2=549-630 МПа) и пониженными значениями обратимой деформации (угол разгиба согнутого в кольцо образца составляет 80° и меньше при максимально возможном угле разгиба в реальных ЭПФ сталях до 150°).

Сталь, содержащая 0,4-0,6 С; 15-25 Mn; 3,5-4,5 Cr; 0,9-1,7 V; 0,05-0,15 Zr; 0,05-0,15 Nb, 0,05-0,16 N (авт.св. СССР 981436), обладает удовлетворительными механическими характеристиками (прочностью и пластичностью), но в отсутствие кремния и оптимального легирования имеет низкие значения величины обратимой деформации (угол разгиба =40-60%).

Недостатком известных сталей является отсутствие сочетания высоких механических характеристик и необходимых значений обратимой деформации. Эти стали не могут быть использованы в качестве высокопрочных материалов с ЭПФ.

Наиболее близкой к заявляемой по составу (табл 1, п.5), технической сущности и достигаемому результату является стареющая аустенитная сталь, содержащая, мас.%: 0,25-0,50 С; 16-25 Mn; 1-3 Si; 1.1-3 V; 0,1-3 W; 0,1-3 Mo; 0,1-1,0 Nb; остальное Fe (патент РФ 2270267). В этой стали достаточно велика величина обратимой деформации при нагреве, определяемая углом разгиба предварительно согнутого в цилиндр листового образца, равная 110-150 градусов (см. п.5, табл.2). Эта сталь в результате выделения карбидов VC при 650°С обладает хорошими прочностными характеристиками (_в в упрочненном старением состоянии составляет обычно 1060-1194 МПа, табл.2). При максимальном количестве легирующих элементов (0,5% С, 3% W и 3% V) в этой стали _в увеличивается до 1320 МПа, но резко падает пластичность (относительное удлинение ) до 15%.

Недостатком этой стали являются малые величины относительного удлинения (16-29%, см. п.5, табл.2), что снижает возможности производства и эксплуатации изделий. Таким образом, и эта сталь не обладает всем необходимым комплексом параметров, присущим ЭПФ-сталям.

В основу изобретения положена задача повышения пластических свойств стали в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации путем оптимизации состава и дополнительного легирования.

Поставленная задача решается тем, что стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, молибден и ванадий, согласно изобретению дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода в сплаве должно быть не менее 5, что необходимо для формирования нужного количества наноразмерных карбидов VC для упрочнения и повышения величины обратимой деформации, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.% для получения оптимального количества -мартенсита деформации и высоких значений ЭПФ.

Для повышения пластичности сталь легировали небольшим количеством галлия, который образует галлийсодержащие частицы и уменьшает размер зерна при высокотемпературной обработке. Положительное влияние галлия на пластичность сплавов недавно было отмечено в журнале ФММ, 2008, т.106, в.5, с.489-497.

Одновременно было проведено микролегирование стали горофильным элементом бором, вытесняющим с границ зерен нежелательные примеси, что позволяет уменьшить выделение зернограничных фаз и улучшить механические свойства (см. монографию «Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали», Перевод с англ., 1961, Металлургиздат, Москва, 460 с.).

Было выполнено дополнительное легирование аустенитной стали хромом, который снижает энергию дефектов упаковки и способствует образованию -мартенсита при малых степенях деформации, что чрезвычайно важно для получения высоких значений обратимой деформации.

Легирование хромом позволяет снизить минимальное возможное содержание марганца до 14%, что благоприятно сказывается на улучшении экологической обстановки при выплавке стали. Кроме того, повышенное содержание Cr в стали делает эти стали более короззионностойкими.

Для дополнительного увеличения пластичности предлагаемой ЭПФ-стали (по сравнению с прототипом) из ее состава были исключены такие сильные карбидообразующие элементы, как Nb и W, а содержание молибдена было ограничено 1,9 мас.%. Для сохранения высоких прочностных характеристик в предлагаемой стареющей стали концентрация углерода должна быть не ниже 0,27 мас.%.

Свойства прототипа (п.5, табл.2) в зависимости от изменения его состава (п.5, табл.1) взяты из описания патента РФ 2270267.

В таблице 1 приведены составы предложенной аустенитной стареющей стали (1-4) и известной стали 5 (прототип), мас.%.

Таблица 1
Сталь	С	Mn	Si	V	Cr	Ga	В	W	Nb	Мо	Fe
1	0,5	14.0	2,5	2,5	4,0	0,1	0,003	–	–	0,1	Ост
2	0,5	14,0	3,0	3,0	4,0	0,1	0,003	–	–	1,0	Ост.
3	0,27	17,0	2,5	1,6	0,1	0,15	0,002	–	–	1,9	Ост.
4	0,4	18,0	2,0	2,0	1,0	0,5	0,001			1,0	Ост.
5 (прототип)	0,25-0,5	16-25,0	1,0-3,0	1,1-3,0				0,1-3,0	0,1-1,0	0,1-3,0	Ост.

В таблице 2 приведены механические свойства (относительное удлинение %, временное сопротивление _в, предел текучести _0,2) и величины ЭПФ (углы разгиба образцов при нагреве) предлагаемой стали (1-4) и прототипа (5).

Таблица 2
Сталь	Относит. удлинение ,%	Временное сопротивл. в, МПа	Предел текучести 0,2, МПа	Велич. ЭПФ (угол ), градусы	Режим термообработки
1	40	1173	678	120	Закалка от 1150°С (З) + Старение (С) – 650°С, 12 ч.
2	30	1174	784	150	З+С (650°С, 12 ч.)
3	44	1080	704	146	З+С (650°С, 12 ч.)
4	31	1006	768	137	З+С (650°С, 12 ч.)
5, прототип	16-29	1060-1194	730-924	110-150	З+С (650°С, 12 ч.) см. А.С. 2270267

Испытания предложенной стали проводили после закалки от 1150°С на воздухе с последующим старением при 650°С (выдержка 12 ч.). Предварительно, с помощью горячей и холодной прокатки, из всех сталей были изготовлены стандартные образцы для измерения механических свойств и пластины толщиной 1,35 мм, шириной 10 мм и длиной 200 мм для измерения величины обратимой деформации. Состаренные пластины загибали в кольца при комнатной температуре и нагревали до 500°С с целью измерения величины обратимой деформации (величины ЭПФ) по углу разгибания колец , аналогично ранее проведенным испытаниям на прототипе.

Механические свойства стали испытывали при 20°С на машине FP-100 на стандартных образцах. Результаты определения прочностных характеристик (_в, _0,2) и пластичности (5), а также режимы термообработки приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, после закалки и старения предлагаемая сталь (п.1-4) обладает заметно большей пластичностью, чем у прототипа (п.5). Относительное удлинение предложенной стали составляет 30-44% (в прототипе =16-29%). При этом сталь имеет близкие к прототипу значения обратимой деформации (угол разгиба =120-150 градусов) и достаточно высокие прочностные характеристики (_в=1006-1174 МПа, _0,2=730-924 МПа).

Формула изобретения

Стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, ванадий и молибден, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет не менее 5, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.%.