Патент на изобретение №2173729

(54) АУСТЕНИТНАЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, к составам коррозионностойких сталей и к изделиям из них и может быть использовано при производстве арматуры, труб, сварных конструкций, например кузовов железнодорожных вагонов. Предложена аустенитная нержавеющая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01 – 0,06, кремний 0,1 – 0,8, марганец 0,5 – 2,0, хром 16,0 – 19,0, никель 8,0 – 10,5, азот 0,05 – 0,25, бор 0,001 – 0,005, кальций 0,01 – 0,10, церий 0,001 – 0,050, сера 0,030, фосфор 0,045, железо и неизбежные примеси – остальное, при выполнении следующих соотношений: (Cr+1,2Si)/[2Mn+2,5(Ni-0,5)+50(C+N)]=0,40-0,70 и В+Са+Сe0,12. Изделие из предложенной стали может быть выполнено, например, в виде горячекатаных листов толщиной 3,0 – 8,0 мм, или в виде холоднокатаных листов толщиной 0,5 – 3,0 мм, или в виде прутков диаметром 4-8 мм. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности, улучшение штампуемости в холодном состоянии и стойкости против межкристаллитной коррозии при сохранении свариваемости, стойкости против общей коррозии. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, к составам коррозионностойких аустенитных сталей, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве арматуры труб, сварных конструкций, например кузовов железнодорожных вагонов и т.д.

Известна коррозионностойкая аустенитная свариваемая сталь с гарантированным пределом текучести более 40 кгс/мм², содержащая, мас.%:
Углерод – 0,006 – 0,04
Кремний – 0,3 – 0,9
Хром – 18 – 22
Марганец – 5 – 7
Никель – 13 – 16
Молибден – 2 – 2,5
Ниобий – 0,15 – 0,25
Азот – 0,25 – 0,4
Ванадий – 0,006 – 0,25
Магний – 0,001 – 0,01
Кальций – 0,0001 – 0,01
Железо – Остальное
при выполнении условия (Патент РФ 2039122, МКИ C 22 C 38/58, опубл. 09.07.1995).

Однако эта сталь содержит большое количество дефицитных дорогостоящих легирующих элементов.

Известна аустенитная коррозионностойкая сталь, содержащая следующие компоненты, мас.%:
Углерод – < 0,1
Кремний – < 0,5
Марганец – 9,0 – 11,0
Никель – 1,5 – 3,5
Медь – < 3,0
Хром – 16,0 – 18,0
Молибден – < 3,0
Азот – 0,10 – 0,20
Железо – Остальное
(Европейская заявка N 0694626, МПК C 22 C 38/58, опубл. 31.01.96).

Эта сталь очень сильно упрочняется в процессе холодной деформации, что связано с высоким содержанием в ней марганца, вследствие чего недостаточно технологична при операциях холодной обработки давлением (гибке, правке и др. ).

При холодной прокатке известной стали происходит значительное повышение нагрузок на опорные валки, что приводит в некоторых случаях к выходу из строя прокатного оборудования.

Известны изделия – листы толщиной 1,5 мм из нержавеющей стали, используемые, например, для изготовления кузовов железнодорожных вагонов. Сталь содержит, мас. %: углерод 0,01 – 0,065, кремний 0,1 – 1,1, марганец – 0,8 – 1,5, хром – 11,8 – 15, цирконий 0,15 – 0,45, алюминий 0,05 – 0,25, титан 0,005 – 0,25, кальций 0,005 – 0,1, РЗМ 0,005 – 0,1, железо – остальное (Патент РФ N 2033460, МПК C 22 C 38/28, опубл. 20.04.95).

Недостатком известных изделий является их невысокая коррозионная стойкость и низкая хладостойкость сварных соединений.

Данные табл. 2 описания к патенту N 2033460 свидетельствуют также о недостаточном уровне прочности известных изделий, а именно предел текучести в большинстве случаев значительно ниже требуемого уровня 340 МПа.

Известны изделия (листы толщиной 12 мм), выполненные из аустенитной стали следующего состава, мас.%:
Углерод – 0,01 – 0,06
Хром – 18,0 – 22,0
Никель – 15,0 – 18,0
Марганец – 2,0 – 10,0
Азот – 0,2 – 0,5
Кремний – 0,01 – 0,45
Ванадий – 0,1 – 0,5
Медь – 0,1 – 1,5
Молибден – 0,1 – 2,5
Церий – 0,005 – 0,25
Селен – 0,05 – 0,25
Железо – Остальное,
причем при содержании марганца менее 5 содержание азота около 0,3, при содержании марганца более 5 содержание азота 0,4 – 0,5. Сталь имеет высокий комплекс механических свойств и стойкость против точечной коррозии, а также высокую горячую пластичность и обрабатываемость резанием (Патент РФ N 2101522, МПК C 22 C 38/60, опубл. 20.01.98).

Недостатком известных изделий является то, что они изготовлены из стали, содержащей большое количество дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Прототипом изобретения – сталь и изделие, выполненное из нее, является аустенитная сталь и изготовленная из нее тонкая полоса.

Сталь содержит, мас.%:
Углерод – 0,08
Кремний – 1,0
Марганец – 2
Хром – 17,0 – 20,0
Никель – 8,0 – 10,5
Фосфор – 0,045
Сера – 0,030
Азот – 0,053
Железо – Остальное,
при этом отношение Cr_экв/Ni_экв 1,55, где Cr_экв = % Cr + 1,37 % Mo + 1,5 % Si + 2 % Nb + 3 % Ti и Ni_экв = %Ni + 0,31 % Mn + 22 % Cr + 14,2 % N + %Cu (Патент США 5807444, НКИ 148/542, опубл. 15.09.1998).

Недостатком прототипа является то, что данный состав не обеспечивает требуемый уровень прочности и устойчивости аустенита против мартенситного превращения при холодном деформировании. Кроме того, сталь является недостаточно стойкой против межкристаллитной коррозии.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании свариваемых аустенитных коррозионностойких сталей и изделий, выполненных из них, сочетающих высокие прочностные и вязко пластические характеристики, коррозионную стойкость при сравнительно невысоком содержании в стали дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов. Кроме того, сталь должна обладать высокой способностью к формоизменению в холодном состоянии.

Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности, улучшение штампуемости в холодном состоянии и стойкости против межкристаллитной коррозии при сохранении свариваемости, стойкости против общей коррозии при сравнительно невысоком содержании в стали и изделиях, выполненных из нее, дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит бор, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод – 0,01 – 0,06
Кремний – 0,1 – 0,8
Марганец – 0,5 – 2,0
Хром – 16,0 – 19,0
Никель – 8,0 – 10,5
Азот – 0,05 – 0,25
Бор – 0,001 – 0,005
Кальций – 0,01 – 0,10
Церий – 0,001 – 0,050
Сера – 0,030
Фосфор – 0,045
Железо и неизбежные примеси – Остальное,
при этом и B + Ca + Ce 0,12,
а также тем, что изделия выполняют из стали вышеуказанного состава.

Изделия могут быть выполнены в виде листов горячекатаных толщиной 3,0 – 8,0 мм, холоднокатаных листов толщиной 0,5 – 3,0 мм и прутков диаметром 4-8 мм.

Сущность изобретения заключается в том, что в стали регламентировано соотношение элементов, стабилизирующих аустенит в отношении мартенситного превращения при деформации, введены бор, кальций и церий, а также увеличено содержание азота. Основные функции повышения уровня прочности выполняет азот и при этом возрастает устойчивость аустенита против образования дельта-феррита, отрицательно влияющего на высокотемпературную технологическую пластичность. Положительный эффект увеличения содержания азота проявляется и в стабилизации аустенитной фазы против мартенситного превращения при холодном деформировании металла. Указанные изменения физико-механических свойств могут состояться, когда количество азота в стали находится в пределах от 0,05 до 0,25%. Ограничение верхнего предела по содержанию азота определяется пределом растворимости его при кристаллизации в стали данного состава.

Микролегирование церием значительно улучшает деформируемость металла в литом состоянии, при этом минимальный эффект достигается при введении 0,001% церия. Введение церия в количестве, большем, чем 0,05%, нецелесообразно из-за появления значительного количества окислов церия.

Введением бора достигается снижение чувствительности к красноломкости, присущей для большинства низкоуглеродистых коррозионностойких сталей, следствием чего является улучшение качества поверхности горячекатаного подката и, соответственно, холоднокатаного листа. Ограничение верхнего предела по содержанию бора 0,005% обусловлено необходимостью предотвращения образования боридной эвтектики в сварном соединении.

Введением кальция достигается более высокая степень чистоты металла, т. к. обладая высокой поверхностной активностью и сродством к сере и фосфору, кальций тормозит диффузионную подвижность последних. При введении кальция в количестве более 0,10 наблюдается повышенное содержание окислов кальция и поэтому содержание его ограничено.

Значение нижних пределов бора и кальция определены исходя из проявления эффекта положительного влияния.

При величине соотношения достигается сочетание высокой прочности и необходимой технологической пластичности.

Ограничение суммарного содержания B + Ca + Ce 0,12% продиктовано соображениями в части обеспечения качества соединений из предлагаемой стали.

Содержание в составе предложенной стали углерода (до 0,06%), кремния (до 0,8%), марганца (до 2%), никеля (до 10,5%), хрома (до 19%) обеспечивает возможность выплавки стали традиционными способами на обычных шихтовых материалах и одновременно позволяет получить необходимый уровень твердорастворимого упрочнения аустенитной основы в сочетании с достаточной коррозионной стойкостью.

Примеры осуществления способа.

Стали выплавляли в 50-кг индукционных печах и разливали в изложницы для 25 кг слитков. В таблице 1 представлен химический состав предлагаемой стали и прототипа. Слитки после зачистки ковали на молоте на прутки и сутунки. Изделия в виде горячекатаных листов толщиной 3,0 – 5,0 мм изготавливали прокаткой сутунок при температуре в интервале 1150 – 900^oC. Изделия в виде холоднокатанных листов толщиной 0,8 – 2,0 мм изготавливали путем холодной прокатки горячекатаных полос, предварительно подвергнутых закалке с 1020^oC в воде и щелочно-кислотному травлению поверхности.

В таблице 2 представлены механические свойства.

В качестве критериев оценки способности стали к формоизменению в холодном состоянии использовали метод Энегельгарда-Гросса с определением коэффициента вытяжки и методику ASTM по определению величины R_z, которая характеризует способность материала сопротивляться утонению или утолщению при растяжении или сжатии в плоскости листа. Деформируемость стали тем лучше, чем ближе значение R_z к единице. Склонность к деформированному упрочнению определяли по кривым истинных напряжений (tg ).

Стойкость против общей коррозии оценивали в 35%-ном растворе MgCl₂ при температуре кипения в течение 100 ч.

Стойкость против межкристаллитной коррозии определяли по методу АМУ (ГОСТ 6032-72) после провоцирующего отпуска при 650^oC в течение 1 часа.

Результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 3.

Таким образом, предлагаемая сталь превосходит прототип по прочности, штампуемости и коррозионной стойкости.

В результате использования предлагаемого изобретения получают также изделия с применением холодного формоизменения (кузова пассажирских вагонов, коррозионностойкая арматура).

Формула изобретения

1. Аустенитная нержавеющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор, кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод – 0,01-0,06
Кремний – 0,1-0,8
Марганец – 0,5-2,0
Хром – 16,0-19,0
Никель – 8,0-10,5
Азот – 0,05-0,25
Бор – 0,001-0,005
Кальций – 0,01-0,10
Церий – 0,001-0,050
Сера – 0,030
Фосфор – 0,045
Железо и неизбежные примеси – Остальное
при выполнении следующих соотношений: и B+Ca+Ce0,12.

2. Изделие, выполненное из аустенитной нержавеющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде горячекатаных листов толщиной 3,0-8,0 мм.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде холоднокатаных листов или полос толщиной 0,5-3,0 мм.

5. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде прутков диаметром 4-8 мм.

РИСУНКИ