КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ Российский патент 2006 года по МПК C22C38/48 

Изобретение относятся к области металлургии, а именно к созданию коррозионно-стойкой стали, обладающей наряду с высокой прочностью высокой ударной вязкостью, высокой усталостной прочностью и высокой технологической пластичностью, используемой в качестве листов или фольги в паяных сотовых панелях, в деталях обшивки, в деталях внутреннего набора (стрингеров, гофр и.т.д.), работающих до 450°С.

Известна коррозионно-стойкая сталь для изготовления сотовых паяных панелей следующего химического состава (мас.%):

Углерод0,005-0,03Хром12,6-14,1Никель2,5-4,8Молибден1,2-2,0Марганец2,1-5,0Алюминий0,25-0,6Кремний0,75-1,2Цирконий0,01-0,08Ниобий0,1-0,4

Один или несколько элементов из группы:

Церий0,005-0,1Лантан0,003-0,05Иттрий0,001-0,05Железоостальное

(А.С. СССР №1340213)

Сталь обладает достаточно высокой прочностью σ_B=1000-1200 МПа, но имеет ограниченную температуру применения до 350°С, повышение температуры эксплуатации до 450°С приводит к значительному снижению ударной вязкости и к снижению характеристик надежности изделия, выполненного из этой стали.

Известна коррозионно-стойкая сталь для изготовления силовых паяно-сварных узлов следующего химического состава (мас.%):

Углеродне более 0,03Хром10,0-13,0Никель8,0-11,0Молибден0,4-0,9Титан0,02-0,15Кобальт0,2-0,6Бор0,001-0,005Лантан0,01-0,1Кальций0,001-0,05Железоостальное

(Патент РФ №2175684)

Сталь обладает следующими механическими свойствами: пределом прочности 950-1020 МПа, относительным удлинением 15-16%. Недостатком стали является пониженная ударная вязкость после нагревов при 450°С, 100 часов.

Известны также коррозионно-стойкие стали мартенситного класса аналогичного назначения следующих химических составов (мас.%):

Углерод0,03-0,08Хром12,8-14,5Никель5,2-6,5Молибден0,7-1,2Вольфрам0,7-1,2Ванадий0,15-0,3Ниобий0,08-0,3Азот0,01-0,03Иттрий0,001-0,01Кальций0,001-0,01Цирконий0,01-0,1Лантан0,01-0,1Железоостальное

(Патент РФ №2176283)

Углерод0,08Кремний0,5-4,0Марганецне более 4,0Никель5,0-9,0Хром10,0-17,0Молибден0,3-2,5Титан0,15-1,0Алюминийне более 0,1Азотне более 0,03Железоостальное

(Патент Великобритании №2145734)

Углерод0,01Кремний1,5-2,95Марганецне более 5,0Никель4,0 - 8,0Хром12,0-18,0Медь0,5-3,5Азотне более 0,15Сераменее 0,004Железоостальное

(Патент США №4849166)

Недостатком известных коррозионно-стойких сталей мартенситного класса является их недостаточная технологичность при производстве ленты и фольги, а также снижение вязкости после проведения процесса пайки и эксплуатационных нагревов при 450°С и, в связи с этим, снижение эксплуатационной надежности изделия, выполненного из этих сталей.

Известна коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса следующего химического состава (мас.%):

Углерод0,02-0,08Марганец1,5-2,5Кремний0,5-1,0Хром12,5-14,5Никель14,5-16,5Молибден1,5-2,5Титан0,1-0,4Ванадий0,02-0,05Тантал0,005-0,2Азотне более 0,01Кобальт0,02-0,05Железоостальное

(Патент США №4530719)

Недостатком известной коррозионно-стойкой стали аустенитного класса является недостаточный уровень прочности, ограничивающий ее применение для изготовления силовых несущих конструкций.

Наиболее близкой по химическому составу и назначению к предлагаемой стали является коррозионно-стойкая сталь 03Х6Н16М2Б, принятая за прототип.

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

Углерод0,005-0,03Хром5,0-8,0Никель14,0-18,5Молибден1,0-3,0Алюминий0,1-0,4Ниобий0,1-0,3Цирконий0,05-0,2Бор0,001-0,003Медь0,3-0,8

Не менее одного компонента из группы:

Церий0,005-0,1Лантан0,003-0,05Иттрий0,001-0,05Железоостальное

(Патент РФ №2221895)

Сталь предназначена для паяных сотовых панелей, являющихся несущими звукопоглощающими конструкциями, работоспособными до 450°С.

Однако эта сталь имеет недостаточную усталостную прочность и коррозионную стойкость, а также недостаточный уровень прочностных характеристик, что ограничивает ее применение в других деталях летательных аппаратах нового поколения.

Технической задачей настоящего изобретения является создание высокопрочной коррозионно-стойкой стали технологичной при производстве листа и фольги с высокими значениями пластичности и вязкости, сохраняющимися в изделиях после проведения процесса пайки, глубокой вытяжки и эксплуатационных нагревов при температуре до 450°С и обладающей высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью.

Для достижения поставленной задачи предложена коррозионно-стойкая сталь, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, алюминий, ниобий, церий, лантан отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний и кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод0,005-0,03Хром8,5-11,0Никель10,0-16,0Молибден1,5-2,5Алюминий0,1-1,2Кремний0,2-1,3Кальций0,005-0,05Ниобий0,1-0,3Церий0,005-0,1Лантан0,003-0,05Железооснова

При этом соотношение компонентов, определяющих содержание аустенита (%) в стали, должно удовлетворять соотношениям:

Для листа: К_M=Cr+0,6Мо+1,5Ni+0,7Si+56С-0,1Al=31÷32

Для фольги: К_M=Cr+0,6Мо+1,2Ni+0,7Si+56С-0,1Al=29÷31.

Подобранное соотношение компонентов для листа позволяет получить мартенситную структуру с регламентированным содержанием остаточного аустенита (18-20%), что позволяет получить высокую прочность, ударную вязкость и высокую усталостную прочность, а для фольги - аустенитно-мартенситную структуру (˜50% мартенсита +50% аустенита), позволяющую получить наряду с высокой технологической пластичностью высокую прочность.

Количественное и качественное содержание элементов в предлагаемой стали обеспечивает высокую прочность, ударную вязкость, усталостную прочность и коррозионную стойкость за счет введения кремния и кальция, а также за счет увеличения содержания хрома.

Легирование кремнием обеспечивает получение высокой прочности стали за счет твердорастворного упрочнения мартенситной матрицы. При содержании кремния менее 0,2% требуемый уровень прочности не достигается, а при содержании кремния более 1,3% наблюдается охрупчивание при нагревах.

Легирование кальцием за счет связывания серы повышает коррозионную стойкость.

Введение в сталь хрома в количестве 8,5-11% обеспечивает высокую коррозионную стойкость и не приводит к снижению вязкости при нагревах до 450°С за счет подобранного фазового состава, характеризующегося коэффициентом мартенситообразования (К_M).

Таким образом, в результате комплексного легирования при указанном соотношении легирующих элементов в пределах предложенного состава достигаются необходимые характеристики стали (высокие исходные значения прочности и вязкости, отсутствие охрупчивания при термическом цикле пайки и после эксплуатационных нагревов при 450°С) высокая усталостная прочность и коррозионная стойкость, что позволяет создать детали внутреннего набора (стрингеры гофры), детали обшивки или паяные сотовые панели и другие детали, являющиеся несущими конструкциями.

Пример осуществления.

В лабораторных условиях проведено опробование предлагаемого состава стали выплавленной в вакуумной индукционной печи в сравнении с прототипом.

Химический и фазовый составы и механические свойства сталей приведены в таблицах 1 и 2, где примеры 1-4 предлагаемый состав, а примеры 5-6 состав по прототипу.

Механические и коррозионные свойства определялись после следующих режимов термообработки с имитацией термического цикла пайки: пайка при 1160°С + закалка и отпуск или пайка + закалка + обработка холодом + отпуск.

Как видно из таблицы 2, у предлагаемой стали как для варианта листовой стали (для обшивки) - составы 1 и 2, так и для фольги (для сотового наполнителя) - составы 3 и 4 по сравнению с прототипом повышены:

предел прочности и предел текучести:

для листа: σ_B на 190÷230 МПа и σ_0,2 на 100÷340 МПа;

для фольги; σ_B на 280÷400 МПа и σ_0,2 на 200÷270 МПа;

значение ударной вязкости для листа после эксплуатационных нагревов 450°С, 100 ч выше по сравнению с прототипом в 1,7÷2,4 раза, что связано с подобранным фазовым составом стали,

сопротивление малоцикловой усталости выше в 1,3 раза, сопротивление коррозионному растрескиванию ˜ в 2 раза.

Таким образом, применение предложенной стали позволит создать детали внутреннего набора (стрингеры, гофры), детали обшивки или паяные сотовые панели и другие детали, являющиеся несущими конструкциями и повысить характеристики надежности - сопротивление малоцикловой усталости и коррозионному растрескиванию в летательных аппаратах нового поколения.

Таблица 1
Химический и фазовый состав сталей№ пл.СтальПолуфабрикатСодержание элементов, масс %Фазовый составСCrNiMoAlSiNbCaСеLaCuZrIВК_М*A** %1ПредложеннаяЛист0,00510102,00,11,00,20,010,0050,003----31182-//-0,0311112,50,31,30,30,050,010,01----32203Фольга0,0058,5151,51,00,20,10,0050,0050,003----29404-//-0,039,0162,01,20,30,30,050,10,05----31505ПрототипЛист0,038152,90,38-0,26-0,08-0,80,17-0,00330276Фольга0,037,818,53,00,4 0,3 0,1 0,720,2 0,00240100*К_M - коэффициент мартенситообразования;
**А% - количество аустенита.

Таблица 2
Механические свойства сталей№ пл.СтальПолуфабрикатσ_Вσ_0,2δ₅КСТ*МЦУ**КПН***КСТ*КПН***МПа%Дж/см²N=2×10⁶ ц σ_мах МПаморская среда τ=3 месДж/см²Морская среда τ=3 месбез нагревапосле нагрева 450°С, 100 ч1ПредложеннаяЛист129010001658500σ=900 МПа48σ=800 МПа2-//-133012401450-//- 35 3Фольга106090024,567,5400σ=700 МПа45σ=600 МПа4-//-11809702460,5-//- 44 5ПрототипЛист11009002080380σ=500 МПа20σ=350 МПа6Фольга85072020100300σ=350 МПа80σ=350 МПа*КСТ - ударная вязкость образца с усталостной трещиной,
**МЦУ - малоцикловая усталость,
***КПН - коррозия под напряжением.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию коррозионно-стойкой стали, используемой в качестве листов или фольги в паяных сотовых панелях, деталях обшивки, в деталях внутреннего набора, работающих до 450°С. Предлагаемая коррозионно-стойкая сталь имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,005-0,03, хром 8,5-11, никель 10-16, молибден 1,5-2,5, алюминий 0,1-1,2, кремний 0,2-1,3, кальций 0,005-0,05, ниобий 0,1-0,3, церий 0,005-0,1, лантан 0,003-0,05, железо - остальное. Техническим результатом является повышение прочностных характеристик, ударной вязкости, коррозионной стойкости, что позволило снизить вес несущих сотовых конструкций и повысить характеристики надежности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Коррозионно-стойкая сталь, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, алюминий, ниобий, церий, лантан, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,005-0,03Хром8,5-11Никель10-16Молибден1,5-2,5Алюминий0,1-1,2Кремний0,2-1,3Кальций0,005-0,05Ниобий0,1-0,3Церий0,005-0,1Лантан0,003-0,05ЖелезоОстальное

К_M=Cr+0,6Мо+1,5Ni+0,75Si+56С-0,1Аl=31÷32,

где К_M - коэффициент мартенситообразования.

K_M=Cr+0,6Мо+1,2Ni+0,75Si+56С-0,1Al=29÷31,

где К_M - коэффициент мартенситообразования.