ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ Российский патент 2007 года по МПК C22C38/52 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим высокой прочностью основного металла и сварных соединений, высокой усталостной прочностью основного металла и сварных соединений, хорошей свариваемостью, не требующих термообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений в состоянии термообработка + сварка.

Сталь предназначена для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от (-70)°С до 300°С.

Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса ЭП 817 следующего химического состава (мас.%):

углерод0,05-0,08молибден0,8-1,6хром13,5-15,0лантан0,01-0,1никель5,05-6,0церий0,02-0,2медь1,8-2,2ниобий0,03-0,45титан0,02-0,15кальций0,002-0,1марганец0,1-1,0кремний0,05-0,7железоостальное

(авторское свидетельство СССР №380149).

Эта сталь способна свариваться без последующей термической обработки, сохраняя высокое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Недостатком этой стали и изделий, выполненных из нее, является относительно невысокий уровень прочностных характеристик основного металла: σ_B≥1250 МПа; σ_0,2≥950 МПа.

Известна коррозионно-стойкая сталь переходного аустенитно-мартенситного класса 07Х16Н6М следующего химического состава (мас.%):

углерод0,05-0,09марганец0,6-0,8кремний0,2-0,4хром15,5-17,5никель6,0-8,0молибден0,3-0,6лантан0,005-0,05железоостальное

(патент РФ №1626709).

Эта сталь способна свариваться без последующей термической обработки, однако имеет недостаточный уровень прочности основного металла и сварных соединений: σ_в основного металла = 1250÷1400 МПа; σ_в сварного соединения в состоянии термообработка + сварка ≥ 700 МПа, что ограничивает применение этой стали в изделиях авиационной техники, в которых имеются замыкающие сварные швы.

Известна нержавеющая мартенситная сталь следующего химического состава (мас.%):

углерод0,6азот0,05-0,25никель1,0-6,0хром10,0-19,0вольфрам0,5-6,0кремний2,5марганец2,5молибден3,5ниобий0,5ванадий0,5медь3,0титан0,8тантал1,0железоостальное

(патент Великобритании №2368849).

Недостатком этой стали является низкий уровень прочностных характеристик (σ_в˜1000 МПа), кроме того, большое содержание углерода в стали может приводить к трещинам при сварке силовых сварных деталей.

Известна мартенситная сталь для отливок следующего химического состава (мас.%):

углерод0,1азот0,12-0,25хром8,0-15,0кобальтдо 15,0марганецдо 4,0никельдо 4,0молибдендо 8,0вольфрамдо 6,0ванадий0,5-1,5ниобий≤0,15титан≤0,04тантал<0,4церий<0,02гафний≤0,02марганец + никель<4молибден + вольфрам<8

(патент США №6030469).

Недостатком стали является невысокий уровень предела прочности σ_в≤1100 МПа.

Наиболее близкой к изобретению, взятой за прототип, является высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса следующего химического состава (мас.%):

углерод0,04-0,09хром12,5-15,0никель4,0-6,5молибден2,5-3,5марганец0,1-1,0азот0,02-0,1кремний0,3-1,6ниобий0,02-0,42кобальт3,5-6,0церий0,001-0,05кальций0,001-0,05железо примеси:остальноесера0,018фосфор0,02

(патент РФ №2077602).

Сталь после термической обработки имеет: предел прочности основного металла σ_в≥1400 МПа, предел прочности сварного соединения σ_в ^св≥1300 МПа; не склонна к коррозионному растрескиванию в камере соляного тумана в состоянии термообработка + сварка.

Недостатком стали является недостаточная прочность основного металла и сварных соединений, недостаточная усталостная прочность.

Кроме того, сталь склонна к образованию горячих трещин при сварке. Критическая скорость деформации, при которой образуются горячие трещины А_кр, не более 3 мм/мин. Все эти недостатки не позволяют получать сварные изделия авиационной техники с качественными, в том числе и замыкающими, сварными швами (без трещин).

Технической задачей настоящего изобретения является создание высокопрочной коррозионно-стойкой стали, которая обладала бы высокими механическими свойствами, в том числе сварных соединений, выполненных без последующей термообработки, обладающей хорошей свариваемостью без образования горячих трещин, особенно с замыкающими сварными швами, например мест приварки обшивки к силовым узлам фюзеляжа, высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях, высокой усталостной прочностью. При этом прочность основного металла должна быть σ_в=1500-1700 МПа, прочность сварного соединения без последующей термической обработки - σ_в ^св≥1350 МПа, проба на склонность к образованию горячих трещин при сварке А_кр≥5 мм/мин.

Для достижения поставленной задачи предложена высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, марганец, азот, кремний, кобальт, ниобий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

углерод0,08-0,12хром12,5-14,0никель4,0-5,0молибден2,3-2,8марганец0,3-0,7азот0,05-0,10кремний1,7-2,5ниобий0,2-0,4кобальт4,0-5,0лантан0,001-0,05иттрий0,001-0,05железоостальное

и изделие, выполненное из нее.

В заявленном составе соотношение легирующих элементов позволяет получить структуру с заданным соотношением мартенсита и аустенита, не содержащей дельта-феррита, что обеспечивает высокий уровень механических и коррозионных свойств стали, в том числе сварных соединений, и изделия, выполненного из нее.

Легирование стали предлагаемого состава повышенным содержанием кремния позволяет получить высокий предел прочности основного металла и сварного соединения, а также высокую усталостную прочность, высокое сопротивление коррозионному растрескиванию во всеклиматических условиях.

Легирование лантаном и иттрием благодаря большому сродству к кислороду позволяет понизить склонность стали, содержащей кремний, к образованию горячих трещин при сварке за счет торможения образования окислов кремния и тем самым обеспечить высокую А_кр - критическую скорость деформации, при которой образуются горячие трещины.

Пример осуществления

В лабораторных условиях проведено опробование предлагаемого состава стали, выплавленной в открытой индукционной печи в сравнении с прототипом. Химический состав сталей приведен в таблице 1.

Сварные образцы были выполнены автоматической аргоно-дуговой сваркой без присадки. Сваривались термически упрочненные заготовки без последующей термической обработки.

Проба на склонность к горячим трещинам А_кр характеризует качество замыкающих сварных швов в изделии.

В таблице 2 приведены свойства предлагаемой стали и прототипа после термической обработки по оптимальному режиму: закалка, обработка холодом и отпуск.

Как видно из приведенных данных, при высоких значениях характеристик прочности, пластичности и вязкости основного металла сталь обладает хорошей свариваемостью (А_кр ≥ 5 мм/мин) и высокими свойствами сварных соединений, выполненных в состоянии термообработка + сварка.

Таким образом, применение предложенной стали позволит получить качественные изделия со сварными соединениями в состоянии термообработка + сварка с высокой прочностью и вязкостью, высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью, эксплуатируемые при температурах от (-70)°С до 300°С во всеклиматических условиях, что позволит повысить ресурс и увеличить надежность изделий.

Таблица 1Химический состав сталей№ плСтальСодержание элементов, массовый %  СCrNiМоMnNSiNbСоLaYСеСаFe1предложенная0,0812,54,02,30,30,051,70,24,00,0010,001--ост.2 0,1013,54,52,50,50,082,00,34,50,020,02--ост.3 0,1214,05,02,80,70,102,50,45,00,050,05--ост.4прототип0,0713,85,23,00,60,060,90,224,8--0,90,02ост.

Таблица 2Механические свойства сталей№ пл.Стальσ_в основного металлаσ_в сварного соединенияА_кр, мм/минКСТ, Дж/см² по сварному швуσ_-1 основного металлаσ_-1 сварного соединения  МПа +20°С-70°СМПа1предложенная150013505,580606004502 160014005,375556204703 17001450570506505004прототип1500135036045550400А_кр - критическая скорость деформации, при которой образуются горячие трещины при сваркеКСТ - ударная вязкость с усталостной трещиной по сварному швуσ_-1 - усталостная прочность основного металла и сварного соединения

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим высокой прочностью основного металла и сварных соединений, высокой усталостной прочностью основного металла и сварных соединений, не требующих термообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений в состоянии термообработки и сварки. Сталь предназначена для изготовления силовых сварных деталей в авиастроении, работающих при температурах от (-70)°С до 300°С. Предложена сталь и изделие, выполненное из нее. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,08-0,12, хром 12,5-14,0, никель 4,0-5,0, молибден 2,3-2,8, марганец 0,3-0,7, азот 0,05-0,10, кремний 1,7-2,5, ниобий 0,2-0,4, кобальт 4,0-5,0, лантан 0,001-0,05, иттрий 0,001-0,05, железо остальное. Применение предложенной стали позволит получить качественные сварные соединения после термообработки и сварки с высокой прочностью и вязкостью, высокой усталостной прочностью и коррозионной стойкостью, эксплуатируемые при температурах от (-70)°С до 300°С во всеклиматических условиях, что позволит повысить ресурс и увеличить надежность изделий. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая железо, углерод, хром, никель, молибден, марганец, азот, кремний, ниобий, кобальт, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,08-0,12Хром12,5-14,0Никель4,0-5,0Молибден2,3-2,8Марганец0,3-0,7Азот0,05-0,10Кремний1,7-2,5Ниобий0,2-0,4Кобальт4,0-5,0Лантан0,001-0,05Иттрий0,001-0,05ЖелезоОстальное