МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ ХРОМОНИКЕЛЕВАЯ СТАЛЬ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ
MARTENSITE-FERRITE CORROSION-RESISTANT CHROME-NICKEL STEEL WITH IMPROVED MACHINABILITY

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых для изготовления рабочих лопаток, дисков, валов, втулок, фланцев, крепежных и других деталей, деталей компрессорных машин, работающих на нитрозном газе, деталей, работающих в агрессивных средах и при пониженных температурах в химической и других отраслях промышленности, фасонных отливок и отливок по выплавляемым моделям для авиастроения I группы - нагруженных деталей с определенными требованиями по плотности и механическим свойствам: высоконагруженных кронштейнов, герметичных корпусов приборов, рам гироскопов, стабилизаторов и т.д., и II группы - ненагруженных и малонагруженных деталей: колец, фланцев, соединительных деталей, негерметичных корпусов приборов и т.д., с рекомендуемой максимальной температурой эксплуатации в течение длительного времени +400°C.
Из уровня техники известна коррозионно-стойкая сталь (ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные» М.: Изд-во стандартов), содержащая хром, никель, углерод и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - 0,11-0,17;
- хром - 16,00-18,00;
- никель - 1,5-2,5;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, масс. %:
- кремний - не более 0,80;
- марганец - не более 0,80.
- сера - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,030;
- молибден - не более 0,30;
- медь - не более 0,30;
- титан - не более 0,20;
- ванадий - не более 0,20;
- вольфрам - не более 0,20.
Коррозионно-стойкая сталь обладает высоким сопротивлением коррозии в атмосфере воздуха, паров воды, морской воде, в кислотах, растворах солей и прочих агрессивных средах. Значительная антикоррозионная стойкость коррозионно-стойкой стали обусловлена прежде всего присутствием в ее составе повышенного количества хрома. При воздействии агрессивных сред на поверхности хромосодержащих сталей образуется тончайшая, не различимая глазом, плотная пленка окислов, обладающая свойством надежно защищать сталь от дальнейшего ее разъедания. Установлено, что удовлетворительное защитное действие пленок окислов против дальнейшей коррозии обнаруживается только в том случае, когда в стали имеется не менее 12% хрома. Поэтому коррозионно-стойкие стали всегда содержат более 12% хрома.
Обладая вполне удовлетворительной сопротивляемостью коррозии в атмосфере воздуха, водяного пара, в воде и в ряде кислот, а также в растворах многих солей, хромистые коррозионно-стойкие стали характеризуются наибольшей простотой своего состава и потому находят широкое применение в технике.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- низкая степень чистоты и обрабатываемости поверхности;
- низкий срок службы инструмента;
- высокая вязкость и наклепываемость стали;
- быстрое повышение температуры на контактной поверхности сталь инструмент.
Кроме того, известна легкообрабатываемая коррозионно-стойкая селенсодержащая сталь (патент JP 2001262280 «Pb-FREE-TYPE FERRITIC FREE-CUTTING STAINLESS STEEL», МПК C22C 38/00, C22C 38/28, C22C 38/60, опубл. 26.09.2001), содержащая углерод, хром, никель и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - 0,005-0,200;
- хром - 12,00-35,00;
- никель - 0,00-2,00;
- селен - 0,01-0,40;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс. %:
- титан - 0,03-1,20 или цирконий - 0,03-1,20;
- сера - 0,01-0,50.
При введении в сталь селена уменьшается площадь сдвига и деформация стружки в процессе стружкоотделения, что снижает силы резанием. Одной из причин снижения сил при резании селенсодержащей стали является снижение склонности к адгезионному схватыванию инструмента с обрабатываемым материалом, способствующие сокращению объема деформированного металла в зоне резания. Снижение склонности к адгезионному схватыванию происходит за счет защитной пленки, образующейся при резании селенсодержащей стали. Кроме того, снижение температуры в зоне резания при обработке селенсодержащей стали можно рассматривать как следствие уменьшения силы трения между обрабатываемой сталью и инструментом.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- сера, способствующая улучшению показателей обрабатываемости стали, в случае ее легирования селеном не оказывает существенного влияния на процесс механического резания, а увеличение ее содержания выше значений, обеспечивающее получение высококачественной стали, нецелесообразно в связи с аккумулятивным негативным воздействием указанного элемента на механические свойства металлопродукции;
- селен крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к 3 классу опасности, а селендиоксид, образующийся при разливке стали, имеет наивысший 1 класс опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды.
- не регламентируется содержание фосфора в стали, что может привести к высокой степени хладноломкости, а значит, ухудшению ее механических свойств;
- содержания таких элементов, как хром, селен, никель, титан и цирконий, находятся в широких пределах и будут оказывать отрицательное влияние на механические свойства представленной стали.
Из уровня техники известна мартенситно-ферритная коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь (ЕР 143413, МПК С22С 38/60, опубл. 23.06.2004 г.), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, алюминий, титан, цирконий, никель, медь, молибден, ниобий, ванадий, свинец, бор и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %: кремний - 0,01-3,00; марганец - не более 2,00; хром - 5,00-25,00; алюминий - 0,01-5,00; титан - 0,05-0,50; цирконий - 0,05-0,50; никель - не более 2,00; медь - не более 2,00; молибден - не более 1,00; ниобий - не более 1,00; ванадий - не более 1,00; свинец - не более 0,15; бор - не более 0,01; железо - основа.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- очевидная бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания свинца больше регламентированных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железе приводит к ухудшению механических характеристик и росту их анизотропии, а также способствует усилению красноломкости поверхностного слоя в процессе горячей обработки металла давлением;
- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности и высокой упругости пара, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента; во время горячего пластического деформирования стали, содержащей свинец, происходит его диффузия на поверхность заготовки, что приводит к образованию в указанной области капиллярного слоя, ухудшающего условия захвата валками полосы металла вследствие уменьшения коэффициента трения, и снижению производительности прокатного оборудования; свинец крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к наивысшему 1 классу опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды; не регламентируется содержание фосфора в стали, что может привести к высокой степени хладноломкости, а значит, снизятся значения механических свойств стали; содержания таких элементов, как марганец, кремний, алюминий, хром, никель, молибден, медь, ванадий и титан, находятся в широких пределах и будут оказывать отрицательное влияние на механические свойства представленной стали;
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием при сохранении требуемых механических характеристик металла, коррозионной стойкости, способности к свариваемости, равномерному распределению легирующих элементов в матрице, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая мартенситно-ферритная коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, висмут, кальций, вольфрам, молибден, ванадий, титан, серу, фосфор и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит алюминий и медь при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод - 0,11-0,17; кремний - 0,20-0,80; марганец - 0,20-0,80; хром - 16,00-18,00; висмут - 0,06-0,13; кальций - 0,002-0,003; алюминий - 0,02-0,04; сера - не более 0,025; фосфор - не более 0,030; никель - 1,5-2,5; молибден - не более 0,30; медь - не более 0,30; титан - не более 0,20; ванадий - не более 0,20; вольфрам - не более 0,20; железо - остальное.
Применение висмута и кальция для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием, никеля и хрома с целью улучшения коррозионостойкости, а также алюминия, имеет целый ряд преимуществ.
Во-первых, висмут выделяется в чистом виде на границах зерен и не ослабляет положительное влияние на результаты процесса со стороны фосфора и сульфидных включений. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это приводит к улучшению ее обрабатываемости резанием на 13% при сохранении требуемых механических свойств.
Во-вторых, висмут равномерно распределяется по сечению слитка.
В-третьих, для висмута не характерно явление его массопереноса в зону контакта валков с полосой стали, что улучшает их сцепление и приводит к сокращению времени простоя оборудования, связанного с переналадкой прокатного стана, увеличивая производительность обработки давлением.
3
В-четвертых, применение висмута способствует решению экологических проблем, имеющих место при производстве автоматных сталей. Это связано с тем, что в отличие от селендиоксида, образующегося при разливке стали и принадлежащего к 1 наивысшему классу опасности, содержание которого в атмосфере цеха ограничено среднесменной предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 0,1 мг/м, для элементарного висмута на сегодняшний день значение ПДК в 5 раз выше.
В-пятых, висмут не снижает антикоррозионную стойкость коррозионно-стойкой стали.
В-шестых, кальций является своего рода заменителем алюминия как раскислителя и обеспечивает образование алюминатов кальция в сульфидной оболочке - комплексных оксисульфидных включений, способствует глобуризации сульфидных включений и предупреждает образование микротрещин у остроугольных включений глинозема, оказывающих положительное влияние на обрабатываемость стали.
В-седьмых, оптимальное отношение содержания кальция к содержанию алюминия, способствует образованию глобулярных, малодеформируемых неметаллических включений.
В-восьмых, оптимальное отношение содержания никеля к содержанию хрома, способствует сопротивлению газовой коррозии в атмосфере двуокиси серы по границам зерен вследствие образования эвтектики сульфидов.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания висмута, кремния, марганца, кальция и алюминия, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании висмута меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания висмута по верхнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной селенсодержащей марки;
- увеличение содержания серы и фосфора в стали выше указанных значений приводит к ухудшению ее механических характеристик;
- при содержании висмута, кальция и алюминия в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 13% превышает величину обрабатываемости селенсодержащего аналога; наряду с этим сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Испытания по определению обрабатываемости стали проводили на технической базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ).
Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок после отжига при 620-670°С в течение 6 часов с охлаждением на воздухе. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке одной детали.
Испытания на коррозионную стойкость проводили в воде дистиллированной при температуре 300°С, продолжительностью 50 часов.
Химический состав известной стали марки, принятой за прототип, и предлагаемой стали приведен в таблице 1. Механические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обрабатываемом состоянии (после закалки при 1000-1030°С в масле и отпуска при 620-600°С на воздухе) по ГОСТ 5949-75, а также измеренный уровень механической обрабатываемости представлены в таблице 2.
Образец 1. Известная легкообрабатываемая коррозионно-стойкая селенсодержащая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием. Уровень механической обрабатываемости принят в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров свинца.
Образец 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности токарной обработки стали не проводилась.
Образец 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Уменьшается производительность горячей обработки металла давлением. Оценка на обрабатываемость не производилась.
Образец 4. Содержание висмута меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного прототипа.
Образец 5. Содержание висмута в стали больше верхнего предела. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с механической обрабатываемостью ее прототипа.
Образец 6. Содержание серы, фосфора, никеля и меди находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, установленным требованиями для селенсодержащего аналога.
Образец 7. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за нижнюю регламентированную границу. Размер зерна ниже регламентируемого. Происходит зарастание стаканчиков на машине непрерывной разливки стали (далее МНЛЗ). Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного прототипа.
Образец 8. Соотношение между содержанием кальция и алюминия находится на уровне нижнего предела из указанного диапазона. Размер зерна соответствует техническим условиям. Не происходит зарастание стаканчиков МНЛЗ. Уровень обрабатываемости выше известного прототипа.
Образец 9. Соотношение между содержанием кальция и алюминия имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 10. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за верхнюю установленную границу. Сталь не соответствует техническим условиям.
Образец 11. Соотношение между содержанием никеля к хрому не выходит за верхнюю установленную границу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 13% выше, чем у известного прототипа.
Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предлагаемой стали с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла, коррозионной стойкости, свариваемости и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.