НЕМАГНИТНАЯ СТАЛЬ Российский патент 1998 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к металлургии, в частности к экономичным аустенитным высококремнистым низкоуглеродистым хромомарганцевым и хромомарганцевоникелевым с содержанием 5-6% никеля сталям.

Известны высокомарганцевые немагнитные стали с кремнием, в которых высокая концентрация хрома в аустенитном твердом растворе достигается за счет наличия в их составе углерода и азота; кроме того, они зачастую содержат дефицитные легирующие элементы, такие как медь, титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден, кобальт, никель, магний, кальций, иттрий, церий и другие, повышающие стоимость и усложняющие технологию выплавки стали. В качестве аналогов служат:
авторское свидетельство СССР N 564361, кл. C 22 C 38/38, 1977,
авторское свидетельство СССР N 1130618, кл. C 22 C 38/38, 1983,
авторское свидетельство СССР N 1463794, кл. C 22 C 38/58, 1989.

Основным недостатком этих сталей-аналогов является то, что они представляют собой пересыщенный твердый раствор аустенита, и поэтому величина ударной вязкости их при комнатной и криогенных температурах сильно зависит от характера термической обработки, достигая наибольших значений лишь в закаленном состоянии. По этой же причине в зонах сварного шва возникает высокая вероятность выделения карбидов, нитридов и других избыточных фаз, способствующих появлению хрупкости, а также резкому снижению коррозийной стойкости. Следовательно, такие стали не могут обеспечить надлежащую надежность и долговечность работы сварных конструкций и ответственных изделий в общем и химическом машиностроении, атомной энергетике и т.д.

По технической сущности и содержанию основных компонентов наиболее близкой заявляемому изобретению является немагнитная сталь - прототип (авторское свидетельство СССР N 1463794, кл. C 22 C 38/58, 1987 г.), содержащая, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,05
Марганец - 18 - 22
Хром - 4,5 - 5,5
Никель - 4,0 - 6,0
Азот - 0,01 - 0,05
Кремний - 3,5 - 4,5
Алюминий - 1,5 - 2,1
Ванадий - 0,2 - 0,6
Железо - Остальное
при условии, что сумма алюминия и ванадия находится в пределах 1,7 - 2,3 [1].

Эта сталь-прототип имеет высокие показатели величины ударной вязкости, пластичности и повышенные значения прочности, однако она недостаточно коррозионностойкая в морской воде, так как концентрация хрома в стали составляет всего лишь 5%. Кроме того, она содержит ванадий и алюминий, которые так же, как и кремний, вводятся в состав аустенитной стали за счет снижения в ней концентрации хрома.

Технический результат, свидетельствующий о высоких значениях величин ударной вязкости и пластичности, о повышенных показателях прочности и о повышении коррозионной стойкости, обеспечивается введением в состав низкоуглеродистой немагнитной хромомарганцевой стали кремния и достижением в аустенитном твердом растворе максимально возможной концентрации хрома.

Технический результат достигается за счет того, что в сталь, в составе которой содержатся углерод, азот, марганец, хром, никель, железо, дополнительно вводится кремний в количестве 4,0 - 4,5% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,03
Азот - 0,001 - 0,1
Марганец - 20 - 45
Хром - 0,01 - 17,2
Никель - 0,001 - 6,0
Кремний - 4,0 - 4,5
Железо - Остальное
и ограничении верхнего предела хрома тремя условиями:
% Cr ≤ 9 + 0,6 • % Mn, для 0,001% никеля и 0,001% азота (1)
% Cr ≤ 13 + 0,04 • % Mn, для 5-6% никеля и 0,001% азота (2)
% Cr ≤ 15 + 0,05 • % Mn, для 5-6% никеля и 0,08-0,1% азота (3).

Предельные значения хрома, полученные из этих соотношений, отражают границу между однофазной аустенитной и двухфазной аустенито-ферритной областями. Поэтому стали с концентрацией хрома, удовлетворяющей эти соотношения, принадлежат исключительно аустенитной области и, следовательно, они немагнитны.

Согласно первому условию, выраженному соотношением (1), в немагнитной стали, содержащей в качестве примесей ≤ 0,001% никеля и ≤ 0, 001% азота, максимальная концентрация хрома не может быть выше 11,7%.

Согласно второму условию, выраженному соотношением (2), в немагнитной стали, содержащей 5-6% никеля и ≤ 0,001% азота, максимальная концентрация хрома не может быть выше 14,8%.

Согласно третьему условию, выраженному соотношением (3), в немагнитной стали, содержащей 5-6% никеля и 0,08-0,1% азота, максимальная концентрация хрома не может быть выше 17,25%.

За пределами этих максимальных концентраций хрома в структуре сталей образуется феррит, который в процессе термического воздействия при температуре ниже 800-850^oC превращается в хрупкую интерметаллидную фазу.

Установлено [2-5], что в тройной Fe-Cr-Mn и в псевдотройной Fe-Cr-Mn-5% Ni системах, начиная с 18% и 12% марганца соответственно, растворимость хрома в аустенитном твердом растворе линейно снижается с повышением в нем содержания марганца. Однако в этих же системах, но содержащих дополнительно 4,0 - 4,5% кремния, картина коренным образом меняется, и уже растворимость хрома в аустенитном твердом растворе линейно возрастает с повышением содержания в нем марганца. Этот факт лежит в основе изобретения и обуславливает достижение поставленной цели.

Условиями, регламентирующими верхний и нижний пределы концентрации ингредиентов в стали, являются ее немагнитность и отсутствие в ее структуре хрупких составляющих.

При ниже 20% марганца в структуре стали образуется ферромагнитная мартенситная фаза, а при выше 45% марганца возникает хрупкая высокомарганцевая фаза. Легирование стали кремнием ниже 4% и выше 4,5% не целесообразно, так как в первом случае существенно снижается эффект твердорастворного упрочнения аустенита, а во втором случае в структуре возникает высококремнистая хрупкая составляющая.

Верхний предел содержания никеля в стали, равный 5-6%, обусловлен тем, что при этих концентрациях он наиболее эффективен в качестве элемента, расширяющего аустенитную область, а также экономическими соображениями. В свою очередь, нижний предел содержания никеля, равный 0,001%, обусловлен возможным наличием его в качестве примеси.

Верхний предел концентрации азота, равный 0,1%, обусловлен тем, что при нем гарантировано получение не пронизанных порами, здоровых слитков стали, а нижний предел содержания азота, равный 0,001%, обусловлен наличием его в стали в качестве примеси.

Верхние пределы концентрации хрома в немагнитной стали 11,7%, 14,8% и 17,2% строго ограниченны условиями, накладываемыми вышеприведенными соотношениями (1), (2) и (3) соответственно, а нижний предел содержания хрома, равный 0,01%, обусловлен возможным наличием его в качестве примеси.

Углерод в немагнитной стали является неизбежной примесью и содержание его в пределах 0,01 - 0,03% зависит от состава исходных материалов и способа выплавки. Известно, что концентрация углерода более 0,03% может привести в процессе длительного термического воздействия к образованию в структуре стали карбидных включений и, следовательно, к снижению ударной вязкости и коррозионной стойкости.

Выплавка сталей производилась в магнезитовых тиглях в индукционной печи. Слитки массой 6 кг ковались на прутки сечением 15 х 15 мм при температуре 900 - 1000^oC. Свойства сталей определялись после закалки в воде с 1000^oC, а ударная вязкость и коррозионная стойкость оценивались также и после ступенчатого отжига с 1000 до 600^oC, протекавшего в течение 12 ч. Продолжительность коррозионных испытаний в синтетической морской воде составляла 2000 ч.

Составы сталей, соответствующие изобретению и прототипу, приведены в табл. 1. Результаты испытаний на коррозию и механические свойства представлены в табл. 2. Эти данные свидетельствуют о том, что в заявляемой области концентраций у сталей с минимальным хромом имеется существенное превосходство в прочности, а у сталей с максимальной концентрацией хрома - большое превосходство в коррозионной стойкости по сравнению с прототипом. Но все эти стали в пределах заявляемой области концентраций обладают высокими значениями величины ударной вязкости и пластичности.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1463794. Немагнитная сталь. Пирцхалаишвили В.А. и др., опубл. в Б.И. 1989, N 9.

2. Пирцхалаишвили В.А. Аустенитная область системы Fe - Cr - Mn - Ni. В кн.: Структура и физико-механические свойства немагнитных сталей. М.: Наука, 1986, с. 24.

3. Диаграммы состояния металлических систем. /Под ред. Петровой Л.А. М.: ВИНИТИ, 1986. Вып. 30, т. 2, с. 462, с. 672.

4. Franks K., Binder W., Thompson J. - Trans. ASM, 1955, v. 47, p. 231.

5. Kreiner H. - Arch. Eisenhuttenw., 1957, Bd. 28, H. 2, S. 81.

Изобретение относится к металлургии. Предложена немагнитная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,01-0,03; азот 0,001-0,1; марганец 20-45; хром 0,01-17,2; никель 0,001-6,0; кремний 4,0-4,5; железо - остальное. При этом верхний предел содержания хрома в стали ограничен определенными соотношениями марганца, никеля и азота, которые приводятся в зависимых пунктах формулы. Заявленная сталь имеет коррозионную стойкость в морской воде от 0,0022 до 0,08 мм/год, ударную вязкость 2,0-3,6 МДж/м², предел текучести 360-450 МПа и показатели пластичности δ =40-70%; ψ =50-70%. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Немагнитная сталь, содержащая углерод, азот, марганец, хром, никель, кремний и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,03
Азот - 0,001 - 0,1
Марганец - 20 - 45
Хром - 0,01 - 17,2
Никель - 0,001 - 6
Кремний - 4 - 4,5
Железо - Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что верхний предел содержания хрома ограничивается следующим соотношением: хром ≤ 9 + 0,6 x % марганца, для никеля - 0,001% и азота - 0,001%. 3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что верхний предел содержания хрома ограничивается следующим соотношением: хром ≤ 13 + 0,04 х % марганца, для (5 - 6)% никеля и 0,001% азота. 4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что верхний предел содержания хрома ограничивается следующим соотношением: хром ≤ 15 + 0,05 х % марганца, для (5 - 6)% никеля и (0,08 - 0,1)% азота.