Патент на изобретение №2191845
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
(57) Реферат: Изобретение относится к металлургии, в частности к составу окалиностойкой стали, используемой для термической оснастки. Предложена нержавеющая сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, ниобий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,30-0,60, хром 10,0-20,0, марганец 5,0-20,0, кремний 2,0-2,60, алюминий 1,0-1,40, ниобий 0,10-0,25, железо остальное. Техническим результатом изобретения является получение стали, способной работать при повышенной температуре 900oС и не содержащей ванадий. 2 табл. Изобретение относится к металлургии, в частности к составу окалиностойкой стали, используемой для термической оснастки. Известна жаропрочная сталь 40Х24Н12С2Л Гост 2176-77 следующего состава, мас.%: Углерод – 0,25-0,45 Хром – 18,00-25,00 Никель – 18,00-25,00 Кремний – 1,00-2,50 Марганец – 0,30-0,50 Железо – Остальное Недостатком данной стали является наличие в ее составе дорогостоящего никеля. Наиболее близкой к предлагаемой стали является нержавеющая сталь (патент США 5096664 от 17.03.92, кл. С 22 С 38/38, национальная классификация США 420/74) следующего состава, мас.%: Углерод – 0,35-1,7 Кремний – 0,0-2,5 Марганец – 10,0-25,0 Хром – 6,0-20,0 Ванадий – 0,5-7,0 Ниобий – 0,5-3,0 Азот – 0,0-0,1 Железо – Остальное причем взаимосвязь между ванадием (V), ниобием (Nb) и углеродом (С) определяется следующей формулой: (V/5+Nb/8)/С  1,0.
Недостатком указанной стали является наличие в ее составе дорогостоящего ванадия.
Была поставлена задача разработать сталь, способную работать при повышенных температурах и не содержащую ванадий.
Поставленная задача решается за счет того, что нержавеющая сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, ванадий, ниобий и железо, дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,30-0,60; хром 10,00-20,00; марганец 5,00-20,00; кремний 2,00-2,60; алюминий 1,00-1,40; ниобий 0,10-0,25; железо – остальное, причем отношение суммы аустенитообразующих: углерод, марганец – к сумме ферритообразующих: хром, кремний, алюминий, ниобий составляет 0,41-0,85. Содержание углерода незначительно влияет на жаростойкость стали. Нижний предел 0,3% выбран из соображения прочности, а верхний – пластичности.
Хром значительно увеличивает жаростойкость стали. Чем выше содержание хрома, тем выше жаростойкость. Например, сплав Fe-Сr, содержащий 5% хрома, жаростоек до 600oC; сплав с 14% хрома жаростоек до 800oC; с 17% хрома – до 920oC, с 25% – до 1025oC; с 30% хрома – до 1100oC. В сплавах Fe-Сr чистая жаростойкая окись образуется только при высокой концентрации хрома.
Для снижения содержания дорогостоящего хрома в стали введен кремний, имеющий высокое сродство к кислороду и образующий тугоплавкий окисел SiO2. Добавка 2-2,6% кремния снижает оптимальное содержание хрома до 10-20%. Исходя из этого выбраны пределы содержания хрома и кремния.
Марганец, обладая более высоким сродством к сере, чем железо, стабилизирует кубическую систему сплава и устраняет вредное влияние серы, заменяя легкоплавкую эвтектику FeS-FeO-Fe, располагающуюся по границам зерен, на тугоплавкую MnS-FeS-Fe. Влияние марганца на жаростойкость при вышеуказанных соотношениях других компонентов начинает проявляться с концентрации 5% и сохраняется до 20%.
Легирование стали алюминием благоприятно влияет на жаростойкость. Алюминий образует стойкий окисел Al2O3. Кроме того, в процессе работы при высоких температурах наблюдается диффузия алюминия в поверхностные слои и восстановление окисных пленок. Наибольший эффект легирования алюминием при вышеуказанных соотношениях других компонентов проявляется при концентрациях от 1 до 1,4%. При содержании алюминия более 1,5% повышается хрупкость стали. При содержании алюминия менее 1% эффект не проявляется.
Присутствие ниобия в пределах 0,10-0,25% повышает механические и жаропрочные свойства стали.
Регламентация отношения суммы аустенитообразующих: углерод, марганец – к сумме ферритообразующих: хром, кремний, алюминий, ниобий – ограничивает возможный выбор содержания отдельных компонентов в указанных пределах, составляет 0,41-0,85 и является наилучшим для придания оптимального комплекса механических и жаростойких свойств.
Содержание компонентов в вышеуказанном соотношении позволило получить нержавеющую, способную работать при повышенных температурах сталь, не содержащую ванадий и не склонную к трещинообразованию на отливках.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемая сталь отличается от прототипа.
В прототипе содержание углерода 0,35-1,7%, в предлагаемой стали 0,30-0,60%; в прототипе содержание марганца 10,0-25,0%, в предлагаемой – 5,0-20,0%; в прототипе содержится кремния до 2,5%, в предлагаемой стали 2,0-2,6%, в прототипе ниобий составляет 0,5-3,0%, а в предлагаемой стали – 0,10-0,25%; в прототипе содержание ванадия составляет 0,5-7,0%, а в предлагаемой стали ванадий отсутствует; в прототипе алюминий отсутствует, а в предлагаемой стали составляет 1,0-1,4%.
В прототипе регламентируется взаимосвязь между ванадием, ниобием и углеродом, а в предлагаемой стали устанавливается отношение суммы аустенитообразующих к сумме ферритообразующих элементов в размере 0,41-0,85.
Эти отличительные признаки обеспечивают возможность получения отливок из стали, не содержащей ванадий, без дефектов в виде трещин на отливках.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию “новизна”.
Анализ авторских свидетельств, патентов и научно-технической информации не выявил использование новых существенных признаков предлагаемого изобретения по их функциональному назначению. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию “изобретательский уровень”.
Пример конкретного выполнения.
Выплавку стали производили в печи с основной футеровкой методом сплавления исходных шихтовых материалов. В качестве шихты использовали следующие материалы:феррохром ФХ015А-3, ферромарганец ФМн 1,0-3, ферросилиций ФС 45-4, феррониобий ФН-3. Перед загрузкой шихту взвешивали. Загрузку шихты производили в плавильную печь в следующей последовательности: подавали на подину известняк (раскислитель) в количестве 1,0-1,5% от веса металлозавалки; сверху загружали феррохром, ферромарганец, ферросилиций, остальной лом. После расплавления металлозавалки и прогрева ванны до температуры 1550-1560 градусов С вводили в расплав расчетное количество феррониобия. После выдержки ванны и полного усвоения добавок отбирали пробу металла на анализ химического состава. В случае необходимости по результатам анализа производили корректировку химического состава сплава. Перед выпуском плавки из печи проводили раскисление шлака печи путем введения на шлак шамотного боя из расчета 1% от веса металлозавалки, измельченный ферросилиций и алюминий. Избыток шлака после его раскисления в печи скачивали в шлаковню под печью. Температура выпуска металла из печи в чайниковый 3-тонный ковш 1680-1700oC. С каждой залитой плавки отбирали пробы металла для контроля окончательного химического состава: столбик и скрапину. Механические свойства определялись растяжением на стандартных пятикратных разрывных образцах. Испытания проводились с использованием пяти образцов для получения каждой экспериментальной точки. Разброс результатов укладывался в 10%. Образцы были вырезаны из прутков, предварительно отожженых в вакууме 0,005 Top при 1050oС в течение 2 часов. Окалиностойкость определялась по удельному привесу  P грамм на метр квадратный образцов, выдержанных в печи с воздушной атмосферой при 950oС в течение 160 часов.
Значения механических свойств и окалиностойкости предлагаемой стали состава: С 0,5%; Сr 16%; Мn 15%; Si 2,2%; Al 1,2%; Nb 0,23% (сталь 1) и стали 45Х25Н19С2Л (сталь 2), используемой в настоящее время на Камском кузнечном заводе ОАО КамАЗ для термической оснастки, приведены в табл. 1.
В табл. 2 приведены значения механических свойств этих сталей при температуре 900oС и средний процент брака по трещинам на отливках.
По сравнению с используемой в настоящее время в производстве сталью 45Х25Н19С2Л предлагаемая не содержит дорогостоящего никеля и обладает более высоким уровнем механических свойств и окалиностойкостью.
По сравнению с прототипом предлагаемая сталь не содержит дорогостоящего ванадия.
Формула изобретения
Углерод – 0,30 – 0,60 Хром – 10,00 – 20,00 Марганец – 5,00 – 20,00 Кремний – 2,00 – 2,60 Алюминий – 1,00 – 1,40 Ниобий – 0,10 – 0,25 Железо – Остальное причем отношение суммы аустенитообразующих: углерод, марганец к сумме ферритообразующих: хром, кремний, алюминий, ниобий, составляет 0,41-0,85. РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
