СТАРЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ Российский патент 2010 года по МПК C22C38/38 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы (ЭПФ). Изделия из сталей с ЭПФ можно использовать в качестве муфт при бесшовном соединении трубопроводов и топливопроводов, в качестве силовых блоков в различного рода охранной и противопожарной автоматике.

ЭПФ проявляется в частичном восстановлении (вспоминании) формы или размеров после нагрева предварительно деформированного, например путем изгиба, образца. Причиной таких изменений является развитие прямого мартенситного превращения γ-ε при холодной деформации и обратного ε-γ превращения при последующем нагреве, что вызывает полное или частичное восстановление формы, которую имел образец перед исходной холодной деформацией.

Сплавы с ЭПФ находят применение в современной технике. Особый интерес среди известных материалов вызывают сплавы на основе железа и стали как наиболее дешевые и технологичные в изготовлении.

Важными характеристиками сталей с ЭПФ являются величина обратимой деформации и усилие при разгибе в процессе восстановления формы, которое зависит от прочностных характеристик. Значение ЭПФ соответствует величине обратимой деформации при нагреве и определяется углом разгиба φ предварительно согнутого материала. Прочностные свойства характеризуются временным сопротивлением разрыву σ_в и условным пределом текучести σ_0,2.

Другим не менее важным свойством, которым должна обладать сталь, является повышенная пластичность. Она нужна как при производстве изделий из ЭПФ-сталей с помощью холодной деформации, так и для осуществления деформационно-индуцированного γ-ε превращения с целью последующей реализации эффекта памяти формы в процессе нагрева. Высокий запас пластичности (относительного удлинения δ) в ЭПФ-сталях, как и в других конструкционных материалах, необходим также для предотвращения преждевременного разрушения нагруженных изделий. Необходимо, чтобы повышение пластичности стали сопровождалось сохранением достаточно высоких значений обратимой деформации и не приводило к большому снижению прочностных характеристик.

Среди известных функциональных материалов отсутствуют стали, которые одновременно обладали бы необходимыми прочностными характеристиками (σ_в=1000-1150 МПа, σ_0,2=650-750 МПа), пластическими свойствами (δ=30-40%) и высокими значениями ЭПФ (с углом разгиба φ не менее 130-150°).

Известны аустенитные стареющие стали, близкие по составу к предлагаемой. Сталь, содержащая, мас.%: 0,15-0,25 С, 17-19 Mn; 2-2,5 Si; 1,1-1,5 V и Fc - остальное (авт.св. СССР №1101465), в состаренном состоянии обладает низкими прочностными характеристиками из-за недостаточного количества углерода (предел текучести σ_0,2=549-630 МПа) и пониженными значениями обратимой деформации (угол разгиба φ согнутого в кольцо образца составляет 80° и меньше при максимально возможном угле разгиба в реальных ЭПФ сталях до 150°).

Сталь, содержащая 0,4-0,6 С; 15-25 Mn; 3,5-4,5 Cr; 0,9-1,7 V; 0,05-0,15 Zr; 0,05-0,15 Nb, 0,05-0,16 N (авт.св. СССР №981436), обладает удовлетворительными механическими характеристиками (прочностью и пластичностью), но в отсутствие кремния и оптимального легирования имеет низкие значения величины обратимой деформации (угол разгиба φ=40-60%).

Недостатком известных сталей является отсутствие сочетания высоких механических характеристик и необходимых значений обратимой деформации. Эти стали не могут быть использованы в качестве высокопрочных материалов с ЭПФ.

Наиболее близкой к заявляемой по составу (табл 1, п.5), технической сущности и достигаемому результату является стареющая аустенитная сталь, содержащая, мас.%: 0,25-0,50 С; 16-25 Mn; 1-3 Si; 1.1-3 V; 0,1-3 W; 0,1-3 Mo; 0,1-1,0 Nb; остальное Fe (патент РФ №2270267). В этой стали достаточно велика величина обратимой деформации при нагреве, определяемая углом разгиба φ предварительно согнутого в цилиндр листового образца, равная 110-150 градусов (см. п.5, табл.2). Эта сталь в результате выделения карбидов VC при 650°С обладает хорошими прочностными характеристиками (σ_в в упрочненном старением состоянии составляет обычно 1060-1194 МПа, табл.2). При максимальном количестве легирующих элементов (0,5% С, 3% W и 3% V) в этой стали σ_в увеличивается до 1320 МПа, но резко падает пластичность (относительное удлинение δ) до 15%.

Недостатком этой стали являются малые величины относительного удлинения (16-29%, см. п.5, табл.2), что снижает возможности производства и эксплуатации изделий. Таким образом, и эта сталь не обладает всем необходимым комплексом параметров, присущим ЭПФ-сталям.

В основу изобретения положена задача повышения пластических свойств стали в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации путем оптимизации состава и дополнительного легирования.

Поставленная задача решается тем, что стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, молибден и ванадий, согласно изобретению дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,27-0,50 Марганец 14-18 Кремний 2,0-3,0 Ванадий 1,6-3,0 Молибден 0,1-1,9 Хром 0,1-4,0 Галлий 0,1-0,5 Бор 0,001-0,003 Железо Остальное

причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода в сплаве должно быть не менее 5, что необходимо для формирования нужного количества наноразмерных карбидов VC для упрочнения и повышения величины обратимой деформации, а суммарное содержание марганца и хрома - не менее 16 мас.% для получения оптимального количества ε-мартенсита деформации и высоких значений ЭПФ.

Для повышения пластичности сталь легировали небольшим количеством галлия, который образует галлийсодержащие частицы и уменьшает размер зерна при высокотемпературной обработке. Положительное влияние галлия на пластичность сплавов недавно было отмечено в журнале ФММ, 2008, т.106, в.5, с.489-497.

Одновременно было проведено микролегирование стали горофильным элементом бором, вытесняющим с границ зерен нежелательные примеси, что позволяет уменьшить выделение зернограничных фаз и улучшить механические свойства (см. монографию «Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали», Перевод с англ., 1961, Металлургиздат, Москва, 460 с.).

Было выполнено дополнительное легирование аустенитной стали хромом, который снижает энергию дефектов упаковки и способствует образованию ε-мартенсита при малых степенях деформации, что чрезвычайно важно для получения высоких значений обратимой деформации.

Легирование хромом позволяет снизить минимальное возможное содержание марганца до 14%, что благоприятно сказывается на улучшении экологической обстановки при выплавке стали. Кроме того, повышенное содержание Cr в стали делает эти стали более короззионностойкими.

Для дополнительного увеличения пластичности предлагаемой ЭПФ-стали (по сравнению с прототипом) из ее состава были исключены такие сильные карбидообразующие элементы, как Nb и W, а содержание молибдена было ограничено 1,9 мас.%. Для сохранения высоких прочностных характеристик в предлагаемой стареющей стали концентрация углерода должна быть не ниже 0,27 мас.%.

Свойства прототипа (п.5, табл.2) в зависимости от изменения его состава (п.5, табл.1) взяты из описания патента РФ №2270267.

В таблице 1 приведены составы предложенной аустенитной стареющей стали (1-4) и известной стали 5 (прототип), мас.%.

Таблица 1 Сталь С Mn Si V Cr Ga В W Nb Мо Fe 1 0,5 14.0 2,5 2,5 4,0 0,1 0,003 - - 0,1 Ост 2 0,5 14,0 3,0 3,0 4,0 0,1 0,003 - - 1,0 Ост. 3 0,27 17,0 2,5 1,6 0,1 0,15 0,002 - - 1,9 Ост. 4 0,4 18,0 2,0 2,0 1,0 0,5 0,001     1,0 Ост. 5 (прототип) 0,25-0,5 16-25,0 1,0-3,0 1,1-3,0       0,1-3,0 0,1-1,0 0,1-3,0 Ост.

В таблице 2 приведены механические свойства (относительное удлинение δ%, временное сопротивление σ_в, предел текучести σ_0,2) и величины ЭПФ (углы разгиба образцов φ при нагреве) предлагаемой стали (1-4) и прототипа (5).

Таблица 2 Сталь Относит. удлинение δ,% Временное сопротивл. σ_в, МПа Предел текучести σ_0,2, МПа Велич. ЭПФ (угол φ), градусы Режим термообработки 1 40 1173 678 120 Закалка от 1150°С (З) + Старение (С) - 650°С, 12 ч. 2 30 1174 784 150 З+С (650°С, 12 ч.) 3 44 1080 704 146 З+С (650°С, 12 ч.) 4 31 1006 768 137 З+С (650°С, 12 ч.) 5, прототип 16-29 1060-1194 730-924 110-150 З+С (650°С, 12 ч.)
см. А.С. №2270267

Испытания предложенной стали проводили после закалки от 1150°С на воздухе с последующим старением при 650°С (выдержка 12 ч.). Предварительно, с помощью горячей и холодной прокатки, из всех сталей были изготовлены стандартные образцы для измерения механических свойств и пластины толщиной 1,35 мм, шириной 10 мм и длиной 200 мм для измерения величины обратимой деформации. Состаренные пластины загибали в кольца при комнатной температуре и нагревали до 500°С с целью измерения величины обратимой деформации (величины ЭПФ) по углу разгибания колец φ, аналогично ранее проведенным испытаниям на прототипе.

Механические свойства стали испытывали при 20°С на машине FP-100 на стандартных образцах. Результаты определения прочностных характеристик (σ_в, σ_0,2) и пластичности (5), а также режимы термообработки приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, после закалки и старения предлагаемая сталь (п.1-4) обладает заметно большей пластичностью, чем у прототипа (п.5). Относительное удлинение δ предложенной стали составляет 30-44% (в прототипе δ=16-29%). При этом сталь имеет близкие к прототипу значения обратимой деформации (угол разгиба φ=120-150 градусов) и достаточно высокие прочностные характеристики (σ_в=1006-1174 МПа, σ_0,2=730-924 МПа).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, молибден, галлий, бор, хром и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,27-0,50, марганец 14-18, кремний 2,0-3,0, ванадий 1,6-3,0, молибден 0,1-1,9, хром 0,1-4, галлий 0,1-0,5, бор 0,001-0,003, железо остальное. Отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет не менее 5, а суммарное содержание марганца и хрома - не менее 16 мас.%. Сталь обладает повышенными пластическими свойствами в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации. 2 табл.

Стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, ванадий и молибден, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,27-0,50 марганец 14-18 кремний 2,0-3,0 ванадий 1,6-3,0 молибден 0,1-1,9 хром 0,1-4 галлий 0,1-0,5 бор 0,001-0,003 железо остальное