Изобретение относится к черной металлургии, а именно составам коррозионно-стойких высокоуглеродистых сталей мартенситного класса, а также к изделиям, выполненным из них.
Изделия - лист, сорт из предлагаемой стали, могут быть использованы для изготовления различных изделий, в том числе режущего инструмента (высококачественных ножей различного назначения, скальпелей, ножниц и т.д.) во многих отраслях промышленности (пищевой, мясной, медицинской, быту и др.).
В областях где от материала требуется сочетание высокой твердости и износостойкости, коррозионной стойкости в агрессивных средах (разбавленных уксусной и фосфорной кислотах, горячей водопроводной воде при температуре до 60°C с повышенным содержанием хлористого натрия и др.), для изготовления режущих инструментов используют мартенситные стали с высоким содержанием хрома (в пределах от 10 до 19%) и углерода (до 1,2%). Содержание хрома и углерода балансируют так, чтобы после закалки и отпуска обеспечить мартенситную структуру с требуемым уровнем твердости, прочности и коррозионной стойкости.
Стойкость к коррозии в значительном числе агрессивных сред определяется в основном содержанием хрома в твердом растворе мартенсита (аустенита) стали и возрастает с увеличением его концентрации, особенно резко при переходе от 12 до 13%. Значение 13% является пороговым и обеспечивает коррозионную стойкость стали благодаря переходу ее в пассивное состояние.
Содержание углерода в стали ответственно за ее твердость. В качестве дополнительных легирующих элементов используют молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан.
Известна высокоуглеродистая мартенситная сталь для изготовления инструмента для холодной обработки.
Сталь содержит следующие компоненты, мас.%:
Углерод - 0,60-0,85
(Кремний + алюминий) от следовых количеств - до 0,3
Марганец - 0,10-2,0
Хром - 4,5-5,5
Молибден - 1,5-2,6
Вольфрам - максимум 1,0
Ванадий - 0,42-0,65
Ниобий - максимум 0,1
Титан - максимум 0,1
Цирконий - максимум 0,1
Кобальт - максимум 0,1
Железо и неизбежные примеси - остальное.
Сталь после закалки и высокотемпературного отпуска (при 500-600°C) имеет высокий уровень твердости (от 57 до 63HRC). Сталь обладает высокими механическими свойствами. Однако она не является коррозионно-стойкой, так как имеет в своем составе низкое содержание хрома (4,5-5,5%).
(Патент РФ 2322531, МПК С22С 38/24, опубл. 27.07.2005 г.)
Известна сталь японской фирмы Aichi Steel Works марки AUS-8 для изготовления разнообразных ножей с высокой износостойкостью и твердостью режущей кромки
(60-61HRC), содержащая, мас.%:
Углерод - 0,70-0,75
Кремний - максимум 1,0
Марганец - максимум 0,5
Хром - 13-14,5
Молибден - 0,10-0,30
Ванадий - 0,10-0,26
Никель - максимум 0,5
Железо и неизбежные примеси - остальное.
Сталь, однако, недостаточно коррозионно-стойка в средах средней агрессивности вследствие того, что углерод, связывая хром в карбиды (типа M23C6), обедняет им твердый раствор ниже порогового уровня (13%).
(Марьянко А.А. Справочное пособие «В помощь выбирающему нож» М.: Юниверсал Паблишинг Хаус, 2005 г. С.196.)
Известна коррозионно-стойкая сталь для режущего инструмента, содержащая, мас.%:
Углерод - 0,65-1,15
Кремний - 0,46-1,59
Марганец - 0,15-0,55
Хром - 13-18,6
Молибден - 0,05-0,35
Титан - 0,04-0,52
Ванадий - 0,05-0,57
Алюминий - 0,001-0,05
Кальций - 0,001-0,05
РЗМ - 0,01-0,12
Железо - остальное.
(АС СССР №1081234, МПК С22С 38/50, 1982 г.)
Недостатком известной стали является низкая технологическая пластичность при горячей деформации. Кроме того, ввиду заявленных широких пределов содержания хрома (13-18,6%) и углерода (0,65-1,15%) ряд конкретных составов не обеспечивает требуемую коррозионную стойкость (например, 13% Cr и 1,15% C).
Прототипом изобретения - сталь и изделие, выполненное из него, - выбрана мартенситная сталь 50Х14МФ, из которой изготавливают режущий инструмент в медицинской (цельнометаллические скальпели, съемные лезвия и др.), пищевой (ножи) промышленности. Металлопродукция из данной стали (лист, лента, пруток) поставляется в отожженном состоянии. После полного отжига сталь имеет структуру зернистого перлита, твердость - 197-207НВ.
Сталь содержит следующие компоненты, мас.%:
Углерод - 0,48-0,55
Кремний - ≤0,6
Марганец - ≤0,6
Хром - 14,0-15,0
Молибден - 0,45-0,80
Ванадий - 0,10-0,15
Сера - ≤0,030
Фосфор - ≤0,030
Железо - остальное.
Нормированные значения твердости металлопродукции после закалки и отпуска не должны быть ниже 50HRC. Фактические значения ее колеблются в пределах 50-57HRC, что не всегда достаточно для обеспечения требуемой истираемости инструмента. К недостаткам данной стали можно также отнести пониженную технологичность при производстве металлопродукции.
(Шлямнев А.П., Свистунова Т.В., Сорокина Н.А. и др. Справочник «Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы». М.: ПРОММЕТ-СПЛАВ, 2008, с.32-34).
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении технологичности стали при производстве металлопродукции, а также эксплуатационной стойкости изделий из нее, в том числе режущих инструментов с более высоким уровнем твердости и износостойкости при сохранении коррозионной стойкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание новой стали мартенситного класса, имеющей сбалансированный химический состав, улучшенную структуру (включая уменьшение и измельчение неметаллических включений, повышение дисперсности структуры с равномерным распределением карбидов), повышенную твердость, износостойкость, технологичность по сравнению с известным аналогом при сохранении коррозионной стойкости в средах средней коррозионной активности, включая стойкость против питтинговой коррозии в хлоридсодержащих средах.
Указанный технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, серу, фосфор и железо, согласно изобретению дополнительно содержит никель, медь, азот и титан, а также имеет повышенное содержание углерода и хрома и уменьшение содержания серы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,70-0,75
Кремний - 0,20-1,20
Марганец - 0,20-1,0
Хром - 15,0-17,0
Молибден - 0,50-0,80
Ванадий - 0,10-0,20
Никель - 0,15-0,30
Медь - 0,10-0,30
Азот - 0,01-0,07
Титан - 0,01-0,10
Сера - 0,001-0,010
Фосфор - 0,015-0,030
Железо - остальное,
при выполнении следующих соотношений: Cr/C=22-24, Сrэкв/Niэкв=0,75-0,90, где Сrэкв=%Cr+1,5·%Si+4·%Ti+Mo+2·%V и Niэкв=%Ni+0,5·%Mn+Cu+30·%C+N.
Указанный технический результат достигается также тем, что изделия выполняются из коррозионно-стойкой стали вышеуказанного состава.
Изделия могут быть выполнены в виде листа или в виде прутков, которые используются для изготовления различных изделий, в том числе режущих инструментов с требуемым комплексом свойств.
Основными легирующими элементами в стали являются углерод и хром.
Содержание углерода менее 0,70% не обеспечивает необходимую твердость, а следовательно, режущие свойства. Содержание углерода более 0,75% приводит к образованию крупных избыточных карбидов и возможному их выкрашиванию при заточке режущего инструмента. Содержание углерода определяет твердость мартенсита после закалки.
Хром в количестве 15,0-17,0% (при отношении Cr/C=22-24) обеспечивает коррозионную стойкость режущего инструмента в закаленном и отпущенном состоянии в условиях эксплуатации в средах средней агрессивности.
Молибден в заявленных пределах (0,50-0,80%) повышает стойкость стали против питтинговой коррозии в хлоридсодержащих средах, упрочняет твердый раствор, а также способствует уменьшению диффузионной подвижности атомов. Содержание молибдена менее 0,50% не в полной мере обеспечивает сохранение мелкозернистой структуры при высокотемпературном нагреве. При содержании более 0,80% снижается пластичность стали в закаленном состоянии.
Ванадий улучшает равномерность распределения химических элементов в твердом растворе, способствует образованию термически устойчивых высокодисперсных карбидов и в сочетании с хромом и молибденом в заявленных пределах образует карбиды типа (Cr, Mo, V)23C6. Содержание ванадия менее 0,10% не оказывает существенного влияния на измельчение зерна. Содержание ванадия более 0,20% усиливает карбидную ликвацию, неустраняемую в интервале закалочных температур (1045-1100°C).
Марганец и никель повышают прокаливаемость и ударную вязкость стали, что особенно хорошо проявляется при одновременном присутствии их в твердом растворе. Наиболее положительное влияние их проявляется при совместном присутствии в пределах Mn=0,2-1,0% и Ni=0,15-0,30%. В сочетании с молибденом марганец образует мелкодисперсную структуру при закалке и увеличивает твердость. Марганец также обладает свойством связывать чрезвычайно низкие количества серы, присутствующие в стали, с образованием сульфидов марганца. Содержание марганца должно составлять 0,2-1,0%, предпочтительно 0,30-0,70%.
Кремний введен как раскислитель. Нижний предел 0,2% определен тем, что при более низком его содержании не обеспечивается раскисление стали. Увеличение содержания кремния более 1,2% ухудшает технологические свойства стали.
Предпочтительное содержание кремния 0,4-0,7%. В предлагаемых пределах кремний способствует сохранению мелкого зерна при нагреве, увеличивает прокаливаемость. Кроме того, кремний повышает активность углерода в стали, внося таким образом свой вклад в придание стали повышенной твердости и износостойкости.
Медь повышает коррозионную стойкость и прочность стали. Однако при содержаниях более 0,30% меди высока вероятность развития красноломкости вследствие возможного появления богатой медью двухфазной структуры по границам зерен.
Азот, соединяясь с нитридообразующими элементами (Ti, V), измельчает зерно и обеспечивает упрочнение стали.
Содержание титана в количестве до 0,10% является достаточным для связывания азота в дисперсные нитриды и карбонитриды, что благоприятно сказывается на повышении устойчивости стали к росту зерна при нагреве под закалку. При содержании титана менее 0,01% нитриды как самостоятельная фаза не образуются и отсутствует их положительное влияние.
Нижние и верхние пределы содержания серы (0,01-0,10%) и фосфора (0,15-0,30%) определены техническими возможностями при выплавке стали в открытых сталеплавильных агрегатах с использованием последующего электрошлакового переплава. Снижение содержания серы повышает технологическую пластичность стали в интервале температур горячей пластической деформации. Кроме того, снижение содержания серы уменьшает количество неметаллических включений типа MnS, что оказывает положительное влияние на стойкость стали против питтинговой коррозии.
Заявленное соотношение Сrэкв/Niэкв=0,75-0,90 обеспечивает после закалки и отпуска получение в стали структуры отпущенного мартенсита с требуемым комплексом свойств: твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.
Ниже даны варианты осуществления изобретения, не исключающие другие в объеме формулы изобретения.
Сталь заявленного состава выплавляли дуплекс-процессом, включающим выплавку в 30-тонной дуговой электропечи с последующим электрошлаковым переплавом расходуемого электрода в ЭШП-слиток. Состав плавок отвечает предложенной и известной стали (таблица 1). Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением либо листового проката (толщиной 0,8-4,0 мм), либо прутков (⌀ 4-20 мм). Сталь заявленного состава имеет более высокий уровень пластичности в интервале температур горячей пластической деформации (1000-1200°C) по сравнению с прототипом (таблица 2).
Металлопродукция подвергалась отжигу при температуре 750°C, обеспечивающей получение зернистого перлита с твердостью 235НВ.
После закалки от 1045-1050°C размер аустенитного зерна в предлагаемой стали соответствует №10-11 ГОСТ 5639-65 и размер карбидов M23C6 1,2-5 мкм, в то время как у известной стали размер аустенитного зерна №9 и размер карбидов 1,5-8 мкм (таблица 2).
Оптимальный режим термической обработки, примененный при изготовлении режущего инструмента из предлагаемой стали, включает закалку с 1045°C в масло+отпуск в интервале температур 200-400°C. После данной термической обработки предлагаемая сталь характеризуется более высоким уровнем твердости
(57-62HRC) и ударной вязкости (0,4-0,6 мДж/м2), а также режущей стойкости (87-90 усл. единиц) по сравнению с известной сталью (HRC - 52-49, KCU - 0,4-0,5 мДж/м2, режущая стойкость - 82 усл. единицы) (таблица 2).
Сталь заявленного состава 70Х16МФС-Ш обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в 3%-ном растворе поваренной соли в воде после закалки и отпуска до 400°C. Кроме того, имеет повышенную стойкость против питтинговой коррозии благодаря пониженному содержанию в стали неметаллических включений, прежде всего MnS.
Предложенная сталь обеспечивает технологичность полуфабрикатов в цикле металлургического производства и изготовления режущих инструментов с требуемым комплексом эксплуатационных свойств: твердость - 57-62HRC, высокие износостойкость и режущая способность, коррозионная стойкость в средах средней агрессивности, стойкость против питтинговой коррозии в хлоридсодержащих средах.
мер плавки
кость, усл. ед.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ | 2001 |
|
RU2188874C1 |
НЕРЖАВЕЮЩАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ | 1995 |
|
RU2073741C1 |
КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ | 2010 |
|
RU2437954C1 |
НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ | 2014 |
|
RU2546947C1 |
МАРТЕНСИТНАЯ АЗОТСОДЕРЖАЩАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ | 2008 |
|
RU2413029C2 |
МАРТЕНСИТНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ ХРОМСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ | 2015 |
|
RU2586933C1 |
Способ производства горячекатаной высокопрочной коррозионно-стойкой стали | 2015 |
|
RU2615426C1 |
Труба нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса | 2018 |
|
RU2703767C1 |
ВЫСОКОПРОЧНАЯ ВЫСОКОТВЕРДАЯ СТАЛЬ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ ИЗ НЕЕ | 2016 |
|
RU2654093C2 |
Бесшовная труба нефтяного сортамента из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса и способ ее получения | 2021 |
|
RU2807645C2 |
Изобретение относится к черной металлургии, а именно составам коррозионно-стойких высокоуглеродистых сталей мартенситного класса, а также к изделиям, выполненным из них. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, серу, фосфор, никель, медь, азот, титан, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,70-0,75, кремний 0,20-1,20, марганец 0,20-1,0, хром 15,0-17,0, молибден 0,50-0,80, ванадий 0,10-0,20, никель 0,15-0,30, медь 0,10-0,30, азот 0,01-0,07, титан 0,01-0,10, сера 0,001-0,010, фосфор 0,015-0,030, железо и неизбежные примеси остальное. Выполняются следующие соотношения: Сr/С=22-24
и Сrэкв/Niэкв=0,75-0,90, где Сrэкв=%Сr+1,5·%Si+4·%Тi+Мо+2·%V, а Niэкв=%Ni+0,5·%Mn+Cu+30·%C+N. Изделия могут быть выполнены в виде листа или в виде прутков, которые используются для изготовления различных изделий, в частности режущих инструментов. Повышаются твердость, износостойкость, технологичность при сохранении коррозионной стойкости в средах средней коррозионной активности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
1. Коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, медь, азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
при выполнении следующих соотношений: Сr/С=22-24 и Сrэкв/Niэкв=0,75-0,90,
где Сrэкв=%Сr+1,5·%Si+4·%Ti+Мо+2·%V,
Niэкв=%Ni+0,5·%Mn+Сu+30·%С+N.
2. Изделие, выполненное из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.
3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде горячекатаного или холоднокатаного листа.
4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде прутка.
5. Изделие по п.3 или 4, отличающееся тем, что оно выполнено в виде режущего инструмента, в том числе ножевых изделий с высоким уровнем эксплуатационных свойств: твердости, износостойкости, коррозионной стойкости.
МАРТЕНСИТНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ | 1994 |
|
RU2080410C1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОЛИСТОВОЙ СТАЛИ И ПИЛ, СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕЕ | 2003 |
|
RU2235136C1 |
СТАЛЬ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБРАБОТКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБРАБОТКИ | 2003 |
|
RU2322531C2 |
НЕРЖАВЕЮЩАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ | 1995 |
|
RU2073741C1 |
Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор | 1923 |
|
SU2005A1 |
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
Авторы
Даты
2009-10-10—Публикация
2008-11-18—Подача