Высокопрочная коррозионностойкая азотосодержащая мартенситно-аустенитно-ферритная сталь Российский патент 2023 года по МПК C22C38/58 C22C38/46 

Описание патента на изобретение RU2806682C1

Изобретение относится к области металлургии стали, в частности к высокопрочным коррозионностойким сталям мартенситно-аустенитно-ферритного класса, упрочняемым азотом, обладающими наряду с высокой прочностью повышенными значениями пластичности, ударной вязкости, в том числе при пониженных (до - 70°С) температурах.

Сталь предназначена для изготовления высоконагруженных деталей машин - лопаток, дисков, валов, компрессоров нефте- и газодобывающего оборудования, работающих при пониженных (до - 70°С) температурах.

Известна высокопрочная коррозионностойкая с низким содержанием никеля мартенситно-ферритная сталь 14Х17Н2 (ЭИ 268, ГОСТ 5632 - 72), следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,11-0,17 хром 16,0-18,0 никель 1,5-2,5 марганец ≤0,8 кремний ≤0,8 железо и примеси остальное

Основными недостатками этой стали являются низкая пластичность (δ = 10%) и склонность к отпускной хрупкости. Эта сталь после закалки и отпуска при 550°С имеет низкую ударную вязкость (KCU = 0,1 - 0,3 МДж/м2) [Liu Ning, Deng Zhonggand, Huang Menggen. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of martensitic-ferritic stainless steel containing 17% Cr and 2% Ni. Materials Science and Technology. November. V.7. p.1057. 1991]. Такими же недостатками обладает сталь AISI 431, аналогичная стали 14Х17Н2 по химическому составу и назначению. Сталь AISI 431, содержащая 0,17% С, 16% Cr, 1% Mn и 2% Ni, после закалки и отпуска при 670°С + 600°С имеет низкую пластичность (δ = 6,8 - 13,5%) [А. Rajasekhar, G. Madhusudhan Reddy, Т. Mohandas, V.S.R. Murti. Materials and Design. 2009. V.30. p.1612 - 1624]. Низкая пластичность этой стали с повышенным содержанием (0,17%) углерода связана с наличием в ее структуре после указанной термической обработки крупных частиц карбида типа Cr23C6, которые отрицательно влияют на пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и свариваемость коррозионностойких сталей.

Наиболее близкой к заявленному по химическому составу является сталь (патент № JP 2003089851, Япония), содержащая, мас.%:

углерод 0,04-0,15 азот ≤0,1 хром 10,0-20,0 марганец ≤2 никель 0,5-4,0 ванадий 0-0,3 кремний ≤2 медь ≤2 молибден 0-2,0 ниобий 0-0,5 алюминий 0-0,05 титан 0-0,5 кальций 0-0,1 иттрий 0-0,2 бор 0-0,015

Эта сталь имеет мартенситно-ферритную, не содержащую аустенита, структуру. Существенным недостатком этой стали является повышенное содержание углерода (0,04-0,15%) и пониженное содержание азота (≤0,1%), при которых в процессе термической обработки будут образовываться карбиды типа Cr23C6, снижающие пластичность, ударную вязкость стали и коррозионную стойкость. Другим существенным недостатком данной стали является ее низкая структурная стабильность, не обеспечивающая стабильности механических и коррозионных свойств (большой разброс значений), обусловленных слишком широкими пределами легирования, что делает невозможным ее применение для производства высоконагруженных деталей и конструкций. Также недостатком данной стали является наличие в ее составе дорогостоящих легирующих элементов, таких как Mo, Y, Cu, Ti, N, приводящих к удорожанию конечного полуфабриката или изделия.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является создание экономнолегированной, не содержащей дорогостоящих легирующих элементов (Mo, Y, Cu, Ti, Nb), стали со стабильной мартенситно-аустенитно-ферритной мелкозернистой структурой без карбидов типа Cr23C6, обеспечивающей повышение пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости при сохранении высокой прочности.

Технический результат достигается за счет дополнительного введения в высокопрочную коррозионностойкую азотосодержащую мартенситно-аустенитно-ферритную сталь, содержащую углерод, азот, хром, никель, марганец, кремний, ванадий, железо и неизбежные примеси церия, лантана и бария при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,02-0,05 азот 0,11-0,20 хром 17,5-20,0 марганец 1,0-2,0 никель 2,0-3,0 ванадий 0,07-0,13 кремний 0,2-0,4 церий 0,005-0,03 лантан 0,005-0,03 барий 0,005-0,02 железо и примеси остальное

При этом отношение содержания азота к углероду высокопрочной коррозионностойкой азотосодержащей мартенситно-аустенитно-ферритной стали составляет 0,18-0,25, а соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов, определяющих фазовый состав в стали, должно определяться следующими равенствами:

(1)

(2)

,

при этом высокопрочная коррозионностойкая азотосодержащая мартенситно-ферритно - аустенитная сталь после закалки от температуры 800-850°С обладает стабильной мартенситно - аустенитно - ферритной мелкозернистой (с размером зерна феррита 4 мкм) структурой с заданным содержанием мартенсита 74%, феррита 18% и аустенита 8%, не содержащей карбидов типа Cr23C6.

Элементы ванадий, углерод и азот образуют в стали дисперсные частицы нитридов (карбонитридов) ванадия типа V(C, N), при отношении содержания азота к углероду 0,18-0,25, которые сдерживают рост зерна в стали при нагреве под закалку, т.е. способствуют формированию мелкозернистой структуры стали, необходимой для получения высокой прочности.

Уравнения (1-2) регулируют количество мартенсита, феррита и аустенита в стали за счет учета феррито- и аустенитообразующей способности входящих в состав стали элементов (с использованием коэффициентов из уравнений для оценки эквивалентов феррито- и аустенитообразования). Соотношение компонентов в рамках уравнения 1 и 2 позволяет получать оптимальную структуру с заданным количеством мартенсита (74%), феррита (18%) и аустенита (8%).

Граничные условия по концентрациям отдельных элементов, входящих в состав стали, обусловлены следующими факторами. У стали с содержанием хрома менее 17,5% и никеля менее 2% (пл.5, табл.1, 2) не достигается достаточной для практического использования пластичности (δ > 10%), вследствие формирования структуры, содержащей малое количество аустенита (<3%).

При концентрации хрома более 20%, никеля более 3% и азота более 0,20% (пл. 6. табл.1, 2) невозможно получить качественные без пор крупные слитки из-за низкой растворимости азота в жидкой стали при таком содержании хрома и никеля. Содержание азота менее 0,11% (пл.5, табл.1, 2) не обеспечивает достаточной прочности, а более 0,20% (плавка 6, табл.1,2) - пластичности стали. Введение в заявленную сталь более 0,05% углерода (плавка 6, табл.1, 2) приводит к понижению пластичности в результате преимущественного выделения по границам зерен крупных частиц карбида хрома типа Cr23C6.

Для получения стали с содержанием углерода менее 0,02% необходима специальная технология выплавки. Добавки ванадия в количестве 0,07-0,13% обеспечивают получение мелкозернистой структуры. Добавки ванадия в меньшем количестве, чем 0,07% неэффективны, а при их концентрации свыше 0,13% возможны низкие значения характеристик пластичности стали из-за высокого содержания карбонитридов ванадия.

Дополнительное легирование барием в количестве 0,005-0,02% позволяет изменить форму сульфидов на глобулярную и тем самым улучшает деформируемость слитков и повышает пластичность. При введении бария в количестве менее 0,005% значительного изменения формы сульфидов не наблюдается. Введение бария в количестве более 0,02% приводит к укрупнению сульфидов и снижению ударной вязкости.

Наличие церия и лантана в количестве 0,005-0,030%, являющихся активными раскислителями, приводит к уменьшению количества неметаллических включений в металле, делая их округлыми, а также способствует измельчению структурных составляющих, что также повышает пластичность и ударную вязкость. При введении церия и лантана в количестве менее 0,005% значительного снижения количества неметаллических включений не наблюдается. При введении церия и лантана в количестве более 0,03% приводит к укрупнению неметаллических включений, которые, являясь концентраторами напряжений, приводят к снижению пластичности и ударной вязкости стали.

Химический состав и механические свойства исследованных плавок предложенной и известной сталей приведены в табл.1 и 2.

Сталь выплавляли в открытой индукционной печи. Термическую обработку проводили по режимам, состоящим из закалки от 800 - 850°С с охлаждением в воде.

Предлагаемая сталь (пл. 2, 3, 4) после закалки от 800 и 850°С превосходит по уровню пластичности и ударной вязкости сталь-прототип (14Х17Н2). В табл.2 приведены механические свойства стали-прототипа 14X17H2 и предлагаемой стали. После закалки от 800-850°С и охлаждения в воде, заявляемая сталь имеет повышенные значения пластичности (δ = 16-18%, ψ = 43-46%) и ударной вязкости (KCU+20°C=1,28-1,67 МДж/м2, KCU-70°C=0,67-0,75 МДж/м2) при примерно одинаковых как у стали 14Х17Н2 предела прочности (σB=1065-1068 МПа) и предела текучести (σ0,2=851-872 МПа). Такое сочетание механических свойств у предлагаемой стали достигается в результате формирования мелкозернистой структуры с размером зерна 4 мкм, с заданным содержанием мартенсита 74%, феррита 18% и аустенита 8%, без карбидов Cr23C6, снижающих пластичность и коррозионную стойкость.

Предлагаемая сталь, таким образом, может быть использована для изготовления высоконагруженных деталей машин - лопаток, дисков, валов, компрессоров нефте- и газодобывающего оборудования, работающих при пониженных (до - 70°С) температурах.

Похожие патенты RU2806682C1

название год авторы номер документа
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ПЕРЕХОДНОГО КЛАССА 2015
  • Банных Олег Александрович
  • Блинов Виктор Михайлович
  • Лукин Евгений Игоревич
  • Глезер Александр Маркович
  • Бецофен Сергей Яковлевич
  • Блинов Евгений Викторович
  • Мушникова Светлана Юрьевна
  • Парменова Ольга Николаевна
RU2576773C1
КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩАЯ СТАЛЬ 2013
  • Новиков Виктор Иванович
  • Недашковский Константин Иванович
  • Громыко Борис Михайлович
  • Дмитриев Владимир Владимирович
  • Ильичева Нина Алексеевна
  • Логачева Елена Викторовна
RU2532785C1
БЕСШОВНАЯ ВЫСОКОПРОЧНАЯ ТРУБА ИЗ СТАЛИ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ДЛЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН И СПОСОБ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА 2022
  • Пумпянский Дмитрий Александрович
  • Чикалов Сергей Геннадьевич
  • Четвериков Сергей Геннадьевич
  • Трутнев Николай Владимирович
  • Тумашев Сергей Владимирович
  • Красиков Андрей Владимирович
  • Буняшин Михаил Васильевич
  • Ульянов Андрей Георгиевич
  • Мякотина Ирина Васильевна
  • Чубуков Михаил Юрьевич
  • Лоханов Дмитрий Валерьевич
  • Благовещенский Сергей Иванович
  • Никляев Андрей Викторович
  • Пышминцев Игорь Юрьевич
  • Выдрин Александр Владимирович
  • Черных Иван Николаевич
  • Корсаков Андрей Александрович
RU2798642C1
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2004
  • Шадрин Анатолий Павлович
  • Дядик Сергей Петрович
  • Александров Виктор Леонидович
RU2271402C1
Бесшовная высокопрочная труба из стали мартенситного класса для обсадных колонн и способ ее производства 2021
  • Пумпянский Дмитрий Александрович
  • Пышминцев Игорь Юрьевич
  • Чикалов Сергей Геннадьевич
  • Трутнев Николай Владимирович
  • Тумашев Сергей Владимирович
  • Красиков Андрей Владимирович
  • Неклюдов Илья Васильевич
  • Буняшин Михаил Васильевич
  • Усков Дмитрий Петрович
  • Мякотина Ирина Васильевна
  • Чубуков Михаил Юрьевич
  • Коновалов Сергей Сергеевич
  • Битюков Сергей Михайлович
RU2787205C2
Высокопрочная конструкционная сталь 2020
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Громов Валерий Игоревич
  • Якушева Наталья Александровна
  • Самченко Нина Александровна
RU2737903C1
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2012
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Шепилов Николай Борисович
RU2493285C1
ВЫСОКОПРОЧНАЯ ПОРОШКОВАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2020
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Неруш Святослав Васильевич
  • Тонышева Ольга Александровна
  • Мазалов Павел Борисович
  • Крылов Сергей Алексеевич
  • Богачев Игорь Александрович
RU2751064C1
Высокопрочная дисперсионно-твердеющая азотосодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь 2018
  • Блинов Виктор Михайлович
  • Лукин Евгений Игоревич
  • Блинов Евгений Викторович
  • Костина Мария Владимировна
  • Ригина Людмила Георгиевна
  • Лукина Ираида Николаевна
RU2704703C1
ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ 2015
  • Банных Олег Александрович
  • Блинов Виктор Михайлович
  • Костина Мария Владимировна
  • Лукин Евгений Игоревич
  • Блинов Евгений Викторович
  • Ригина Людмила Георгиевна
  • Банных Игорь Олегович
RU2586193C1

Реферат патента 2023 года Высокопрочная коррозионностойкая азотосодержащая мартенситно-аустенитно-ферритная сталь

Изобретение относится к металлургии стали, а именно к легированным коррозионностойким высокопрочным мартенситно-аустенитно-ферритным сталям, используемым для изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,02-0,05, азот 0,11-0,20, хром 17,5-20,0, марганец 1,0-2,0, никель 2,0-3,0, ванадий 0,07-0,13, кремний 0,2-0,4, церий 0,005-0,03, лантан 0,005-0,03, барий 0,005-0,02, железо и примеси остальное. Содержание компонентов в стали удовлетворяет следующим условиям: Nieqv=%Ni+0,1%Mn-0,01%Mn2+30%С+18%N=4,67÷8,36 и Creqv=%Cr+0,48%Si+2,3%V=17,76÷20,49. Обеспечивается повышение пластичности, ударной вязкости при сохранении высокой прочности, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока службы конструкций из этой стали при их эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Формула изобретения RU 2 806 682 C1

1. Высокопрочная коррозионностойкая азотосодержащая мартенситно-аустенитно-ферритная сталь, содержащая углерод, азот, хром, никель, марганец, кремний, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий, лантан и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,02-0,05 азот 0,11-0,20 хром 17,5-20,0 марганец 1,0-2,0 никель 2,0-3,0 ванадий 0,07-0,13 кремний 0,2-0,4 церий 0,005-0,03 лантан 0,005-0,03 барий 0,005-0,02 железо и примеси остальное

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение содержания азота к углероду составляет 0,18-0,25.

3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов, определяющих фазовый состав в стали, определяется следующими равенствами:

(1)

(2)

.

4. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что после закалки от температуры 800-850°С она обладает стабильной мартенситно-ферритно-аустенитной мелкозернистой структурой с содержанием мартенсита 74%, феррита 18% и аустенита 8% без карбидов типа Cr23C6, при этом размер зерна феррита составляет 4 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2806682C1

Способ и приспособление для нагревания хлебопекарных камер 1923
  • Иссерлис И.Л.
SU2003A1
КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕЕ 2005
  • Кузнецов Юрий Васильевич
RU2270268C1
СТАЛЬ, ИЗДЕЛИЕ ИЗ СТАЛИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2005
  • Кузнецов Юрий Васильевич
RU2693990C1
НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ, ТРУБА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ 2010
  • Такабе Хидеки
  • Кондо Кунио
  • Амая Хисаси
  • Охе Таро
  • Отоме Йохей
RU2494166C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФИЛЬТРА ДЛЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ ТАБАЧНОГО ДЫМА 2011
  • Питер Брантон
  • Элизабет Досон
  • Гарет Паркес
RU2562285C2
US 3689325 A, 05.09.1972.

RU 2 806 682 C1

Авторы

Блинов Виктор Михайлович

Лукин Евгений Игоревич

Блинов Евгений Викторович

Банных Игорь Олегович

Черненок Дмитрий Владимирович

Анцыферова Марина Валентиновна

Самойлова Маргарита Анатольевна

Лукина Ираида Николаевна

Ашмарин Артём Александрович

Севальнёв Герман Сергеевич

Шокодько Александр Владимирович

Мамыкин Никита Игоревич

Неруцкая Ангелина Васильевна

Даты

2023-11-02Публикация

2023-03-03Подача