Мартенситно-стареющая сталь Российский патент 2020 года по МПК C22C38/50 C22C38/60 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким мартенситно-стареющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей.

Из уровня техники известны используемые в отечественной промышленности коррозионно-стойкие мартенситно-стареющие стали SU534165A (прототип) и 03Х11Н10М2Т (аналог 1). Основным недостатком прототипа и аналога является неоптимальный химический состав не обеспечивающий достаточно высокую прочность и коррозионную стойкость одновременно. Наряду с указанным недостатком следует отметить, что в химическом составе прототипа присутствует селен, который является опасным и токсичным элементом, как при производстве стали, так и при её последующей обработке и эксплуатации.

Кроме того, известна сталь SU585232(опубл. 25.12.1977)

углерод 0,003-0,03 хром 10,0-14,0 никель 9,0-14,0 молибден 1,0-3,0 титан 0,7-1,6 ванадий 0,05-0,35 цирконий 0,01-0,10 неодим 0,003-0,05 кальций 0,02-0,1 лантан 0,005-0,08 железо и неизбежные примеси остальное

Сталь предназначена для производства изделий больших сечений с повышенной пластичностью и вязкостью. Недостатком этой стали является отсутствие в её составе алюминия, входящий в состав упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al), которая в значительной степени увеличивает прочностные свойства стали.

Из уровня техники известна мартенситно-стареющая сталь 03Х11Н10М2Т (ЭП678, ВНС-17) по ТУ 14-1-1540-75

углерод ≤ 0,03 кремний ≤ 0,15 марганец ≤ 0,10 сера ≤ 0,010 фосфор ≤ 0,010 хром 10,0-11,3 никель 9,0-10,3 молибден 1,8-2,3 титан 0,7-1,1 алюминий ≤ 0,20 цирконий ≤ 0,03 ниобий ≤ 0,15 бор ≤ 0,003 железо и неизбежные примеси остальное

Недостатком этой стали является невысокое содержание хрома, не обеспечивающего достаточную коррозионную стойкость, а также повышенное содержание никеля, молибдена и титана в количествах не позволяющих получить достаточной высокий комплекс механических свойств.

Известна сталь RU2169790С2 (опубл. 27.06.2001) - аналог 2

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод 0,01-0,04 кремний 0,10-0,75 марганец 0,10-0,90 хром 9,5-13,5 никель 6,0-9,0 кобальт 2,5-7,8 молибден 0,8-4,0 ванадий 0,03-0,30 вольфрам 0,02-0,30 азот 0,01-0,08 кальций 0,001-0,05 церий 0,001-0,05 железо и неизбежные примеси остальное

Сталь предназначена для производства паяно-сварных конструкций энергетических установок, работоспособных при температурах от -253 до 500 °C. Недостатком этой стали является избыточное легирование кобальтом, которое приводит к значительному удорожанию стали без предоставления соизмеримых преимуществ по механическим свойствам.

Известна сталь RU2532785С1 (опубл. 17.05.2013) - аналог 3

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод ≤ 0,03 кремний 0,05-0,15 марганец 0,05-0,15 хром 9,3-10,5 никель 7,0-8,5 кобальт 3,5-7,0 молибден 1,2-3,0 ванадий 0,10-0,30 вольфрам 0,05-0,20 азот ≤ 0,02 титан 0,01-0,08 ниобий 0,05-0,15 кальций 0,001-0,05 церий 0,001-0,05 иттрий 0,001-0,05 железо и неизбежные примеси остальное

Сталь предназначена для производства изготовления высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723 K. Недостатком этой стали, с одной стороны, является недостаточное содержание хрома для обеспечения коррозионной стойкости и механических свойств и отсутствие с составе стали алюминия, а, с другой стороны, её избыточное легирование молибденом и кобальтом в значительной степени удорожающих металл.

Известна сталь RU2571241С1 (опубл. 20.12.2015)

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод ≤ 0,03 хром 2,0-18,0 никель 5,0-10,0 молибден 0,8-3,0 алюминий 1,0-2,5 титан ≤ 0,20 церий ≤ 0,02 иттрий ≤ 0,002 железо и неизбежные примеси остальное

Сталь предназначена для производства изделий с высокой твердостью и коррозионной стойкостью при достаточной пластичности. Недостатком этой стали является избыточное её легирование алюминием при невысоком содержании титана, что не удовлетворяет оптимальному стехиометрическому составу упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al) и, как следствие, сталь имеет меньшую прочность.

Известна сталь WO2019121879 (опубл. 27.06.2019) - аналог 4

Сталь имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод 0,01-0,05 кремний 0,40-0,80 марганец 0,10-0,50 хром 12,0-13,0 никель 9,5-10,5 молибден 0,5-1,5 алюминий 0,5-1,5 титан 0,5-1,5 медь ≤ 0,05 железо остальное

К недостаткам этой стали относится отсутствие в её составе небольших добавок вольфрама и ванадия, которые необходимы для защиты хрома от связывания в карбиды. При термической обработке такой стали, заключающейся в закалке с последующим старением, ввиду достаточно высокой допустимой концентрации титана, помимо упрочняющей фазы выделяются карбиды титана, ухудшающие пластические и вязкостные свойства стали. Также следует отметить, что состав стали по WO2019121879 (опубл. 27.06.2019) согласно описания изобретения разработан для изготовления порошковых материалов для их последующего спекания по технологиям селективного лазерного сплавления и некоторых других технологий 3D печати, что не позволяет оценить возможность изготовления металлических изделий по классической технологии с использованием выплавки горячей деформации слитков. Также авторы изобретения не приводят данные о пластических свойствах такого металла, которые являются весьма важной характеристикой для многих изделий, изготовляемых из мартенситно-стареющих сталей.

Технической задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является разработка коррозионно-стойкой высокопрочной мартенситно-стареющей стали, обладающей высокой прочностью и повышенной коррозионной стойкостью.

Для достижения поставленной цели предлагается мартенситно-стареющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, титан, ванадий и вольфрам, церий и магний остальное железо и неизбежные примеси, в том числе: сера, фосфор, медь, олово, сурьма, мышьяк, свинец и висмут, отличающаяся тем, что она содержит ванадий, вольфрам, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод ≤ 0,04 кремний ≤ 0,30 марганец ≤ 0,20 сера ≤ 0,025 фосфор ≤ 0,025 хром 12,0-14,0 никель 7,5-9,0 молибден 0,6-1,0 алюминий 0,3-0,6 титан 0,3-0,6 ванадий 0,01-0,20 вольфрам 0,01-0,20 церий ≤ 0,05 магний ≤ 0,05 медь ≤ 0,20 олово ≤ 0,001 сурьма ≤ 0,001 мышьяк ≤ 0,001 свинец ≤ 0,001 висмут ≤ 0,001 железо остальное

Сущность изобретения заключается в подборе оптимальных соотношений основных легирующих элементов для обеспечения комплекса физико-механических свойств, а также дополнительном легировании заявляемой стали малыми количествами ванадия и вольфрама, церия и магния.

В сравнении с рассмотренными выше сталями заявляемая сталь содержит достаточное количество:

хрома, чтобы обеспечить хорошую коррозионную стойкость;

никеля, чтобы обеспечить высокую ударную вязкость и обеспечить возможность выделения при старении частиц упрочняющей фазы;

титана и алюминия, достаточных, чтобы получить оптимальное количество упрочняющей фазы Ni₃(Ti, Al), обеспечив при этом высокую прочность и достаточную пластичность;

молибдена для устранения отпускной хрупкости стали, а также препятствования сегрегациям упрочняющей фазы по границам зерен;

ванадия и вольфрама, для образования мелкодисперсных специальных карбидов, предохраняющих хром от его связывания в карбиды Cr₂₃C₆ и тем самым улучшая стойкость заявляемой стали к межкристаллитной коррозии и титан от образования грубых угловатых включений карбида титана, улучшая пластичность заявляемой стали;

церия и магния, наиболее полного осуществления процесса раскисления при выплавке, а также положительно влияет на дисперсность упрочняющих фаз.

Также в предлагаемой стали нормировано содержание вредных примесей, растворенных в металле, для обеспечения её чистоты по неметаллическим включениям и обеспечению высокого качества изделий.

Примеры осуществления изобретения

Опытную сталь, в пределах заявленного состава, выплавляли в вакуумно-индукционной печи. Также были опробованы вакуумно-дуговой и электрошлаковый переплавы, которые позволили дополнительно улучшить чистоту стали, в том числе и по неметаллическим включениям. Химический состав опытных плавок приведен в таблице 1. Результаты контроля механических свойств предложенной стали, а также её сравнение с прототипом и ближайшими аналогами показаны в таблице 2. Как видно из предоставленных данных, предложенная сталь имеет достаточно высокие прочностные свойства, превосходя прототип и некоторые аналоги,и в тоже время является экономнолегированной.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким мартенситно-стареющим сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей. Сталь выплавлена в открытой индукционной печи (ОИП) с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП) или вакуумно-дуговым переплавом (ВДП) и содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод до 0,04, кремний до 0,30, марганец до 0,20, хром 12,0-14,0, никель 7,5-9,0, молибден 0,6-1,0, алюминий 0,3-0,6, титан 0,3-0,6, ванадий 0,01-0,20, вольфрам 0,01-0,20, церий до 0,05, магний до 0,05, остальное - железо и неизбежные примеси, в том числе сера до 0,025, фосфор до 0,025, медь до 0,20, олово до 0,001, сурьма до 0,001, мышьяк до 0,001, свинец до 0,001, висмут до 0,001. Сталь обладает высокими прочностью и коррозионной стойкостью. 2 н.п. ф-лы.

1. Коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, титан, железо и неизбежные примеси, в том числе: сера, фосфор, медь, олово, сурьма, мышьяк, свинец и висмут, отличающаяся тем, что она выплавлена в открытой индукционной печи (ОИП) с последующим электрошлаковым переплавом (ЭШП) или вакуумно-дуговым переплавом (ВДП) и дополнительно содержит ванадий, вольфрам, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод ≤ 0,04 кремний ≤ 0,30 марганец ≤ 0,20 сера ≤ 0,025 фосфор ≤ 0,025 хром 12,0-14,0 никель 7,5-9,0 молибден 0,6-1,0 алюминий 0,3-0,6 титан 0,3-0,6 ванадий 0,01-0,20 вольфрам 0,01-0,20 церий ≤ 0,05 магний ≤ 0,05 медь ≤ 0,20 олово ≤ 0,001 сурьма ≤ 0,001 мышьяк ≤ 0,001 свинец ≤ 0,001 висмут ≤ 0,001 железо остальное

2. Изделие из коррозионно-стойкой мартенситно-стареющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п. 1.