ИЗДЕЛИЕ ИЗ СТАЛИ

Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к изделиям из нержавеющей стали мартенситно-аустенитного класса, которая предназначена для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой преимущественно в агрессивных кислых средах с высоким содержанием солей щелочных и щелочноземельных металлов, солей азотной и серной кислот, ионов хлора, сероводорода.
Известны различные изделия из стали, например, из нержавеющей хромоникелевой стали высокой прочности и пластичности, которая используется при производстве холоднокатаной ленты, полосы, листа, высокопрочной проволоки и канатов, пружин, медицинского инструмента, режущего инструмента, крепежа, деталей конструкций и т.д. Высокопрочное коррозионностойкое изделие выполняют из стали следующего состава компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,45, хром 12,0-16,5, никель 3,0-5,0, железо - остальное, при этом содержание углерода и никеля находится в следующей зависимости: хром=25,7-(17,5°С18,0) углерод -(1,2°С1,4) никель, (см. например, RU 2061781 С1, 10.06.1996, 6 С 22 С 38/40).
Из уровня техники также известно изделие, выполненное из высокопрочной коррозионно-стойкой стали аустенитно-мартенситного класса, упрочняемой азотом, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей машин, в частности самолетов, работающих, при температуре от минус 70°С до 300°С в любых климатических условиях, (см. например, RU 2214474 С2, 20.10.2003, 7 С 22 С 38/48).
Недостатком известных изделий из коррозионно-стойких сталей является недостаточная пластичность и нестабильность структуры стали с низкой коррозионной стойкостью в агрессивных, в первую очередь, в сероводородных средах, в результате чего со временем при эксплуатации механические свойства изделия из стали могут значительно ухудшаться.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание изделия из стали, обладающего повышенной пластичностью, оптимальной коррозионной стойкостью
и прочностью в агрессивных, в первую очередь, в сероводородных средах, с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации.
Указанная задача решается за счет того, что изделие из стали, согласно полезной модели, изготовлено, преимущественно, в виде прутка цилиндрической формы полученного после, по крайней мере, одной термообработки в следующих режимах: нагрев и выдержка изделий при температуре (300-650)°С в течение 1-17 часов с последующим охлаждением на воздухе или в среде с повышенной охлаждающей способностью, например, воде или масле, причем изделие из стали изготовлено со следующим составом компонентов, в мас.%:
углерод
0,005-0,07;
кремний не более
1,0;
марганец не более
1,8;
хром
12,5-17,0;
никель
2,0-8,0;
молибден+3·вольфрам
0,05-4,5;
азот
0,005-0,15;
бор
0,0001-0,01;
по крайней мере один из группы: алюминий, титан,
ниобий, ванадий
0,01-5,0;
1
1
1
1
2
2
2
2
=
железо и примеси остальное, при условии, что содержание ее компонентов удовлетворяет следующим соотношениям (Мо+3-W)<(k-Cr-a), где k=15,9, a=0,87, а также Ni=k-а·(Cr+Мо+W), где k 16,25±1,5, a=0,7±0,1.
Изделие может быть изготовлено с содержанием меди в количестве (0,05-5,0) мас.%.
Изделие может быть изготовлено с содержанием, по крайней мере, одного из следующих дополнительных компонентов: кальций, церий, барий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, тантал, селен. Каждый дополнительный компонент содержится в количестве (0,001-0,1) мас.%.
Изделие может быть изготовлено с содержанием лантана в количестве (0,005-0,02) мас.%.
Изделие может быть изготовлено с содержанием кобальта в количестве не более 1,0 мас.%.
Изделие может быть изготовлено диаметром от 12 до 45 мм.
Изделие может быть изготовлено длиной до 8,5 метров.
a
Шероховатость поверхности R изделия может быть не более 2,5 мкм на базовой длине 0,8 мм.
2
Изделие может иметь предел текучести не менее 90 кгс/мм.
Изделие может иметь отклонение прямолинейности не более 0,2 мм на погонный метр длины изделия.
Твердость изделия может составлять 444-285 НВ при диаметре отпечатка 2,9-3,6 мм.
Изделие может быть выполнено в виде крепежного элемента с резьбой, например, болта, винта или шпильки размером от М5 до М20.
Болт или винт может быть выполнен с головкой высаженной в горячем или холодном состоянии.
Крепежный элемент может быть выполнен с правой или левой с резьбой, нанесенной методом накатки или нарезки.
Изделие может быть получено путем прокатки слитков или непрерывно-литых заготовок.
Прокатка может быть осуществлена в два этапа: на первом этапе на блюминге с получением заготовок преимущественно квадратного сечения, а затем на мелкосортном стане - на заготовки преимущественно цилиндрической формы. Сторона заготовок квадратного сечения составляет от 80 до 120 мм. А диаметр заготовок цилиндрической формы составляет преимущественно от 12 мм до 45 мм.
Изделие может быть выполнено в виде вала, например, погружного насоса или газосепаратора.
Техническим результатом является создание изделия из стали обладающего повышенной пластичностью, оптимальной коррозионной стойкостью и прочностью в агрессивных, в первую очередь, в сероводородных средах, с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время
эксплуатации за счет оптимально подобранного соотношения компонентов стали, а также режимов термообработки.
Так, молибден и вольфрам вводятся в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, особенно к питинговой коррозии. В этом смысле влияние молибдена и вольфрама эквивалентно. При содержании суммы молибден+3*вольфрама менее 0,05% влияние этих элементов на коррозийную стойкость не проявляется. Повышение содержания молибдена +3* вольфрама более 4,5% к дальнейшему повышению коррозийной стойкости стали не приведут. Вольфрам имеет значительно больший атомный вес (183.85) по сравнению с молибденом (45.44). В пункте 6 примечаний к табл.1 ГОСТ 4543-71 предусмотрена возможность замены элементов из расчета три весовых части вольфрама на одну весовую часть молибдена.
Вольфрам, вследствие большего размера атома, вносит большее искажение в кристаллическую решетку железа по сравнению с молибденом. Это позволяет повысить прочностные свойства стали и с этой точки зрения применение вольфрама предпочтительней.
С другой стороны вольфрам и молибден дорогостоящие элементы, а так как при легировании стали вольфрама требуется в три раза больше чем молибдена, то применение вольфрама для легирования может привести к значительному удорожанию стали.
3
Алюминий, титан, ниобий, ванадий участвуют в дисперсионном упрочнении стали при ее термообработке за счет выделения интерметаллидов типа Ni Me. Так как действие этих элементов считается эквивалентным, поэтому при легировании стали может применятся один из группы элементов или одновременно все элементы.
При содержании этих элементов менее 0,02% дополнительное упрочнение стали за счет дисперсионного твердения отсутствует.
При увеличении содержания этих элементов прочностные характеристики стали возрастают, но при этом снижается пластичность и ударная вязкость стали.
При содержании этих элементов более 5% пластичность стали и ударная вязкость становятся низкими, что может приводить к поломкам готовых изделий в процессе эксплуатации.
Молибден, вольфрам и хром относятся к ферритообразующим элементам. При одновременном легировании стали Мо, W, Сr на верхнем пределе их содержания сталь может перейти в феррито-аустенитный класс, вместо мартенситно-аустенитного класса.
1
1
Соотношение (Mo+3W)<(k-Cr/a) ограничивает верхний предел содержания Мо и W в зависимости от количества введенного хрома. Этим исключается переход стали в ферритно-аустенитный класс.
2
2
Вторая формула Ni=k-a(Cr+Mo+W) устанавливает связь между аустенитнообразующим элементом Ni и ферритообразующими элементами Сr, Мо, W. Выполнение условий формулы также обеспечивает получение стали мартенситно-аустенитного класса.
2
2min
2max
2min
Коэффициент k имеет интервал значений k=14,75 и k=17,75. Если значение никеля будет ниже вычисленного при k сталь приобретает мартенситную или мартенситно-ферритную структуру с пониженными пластическими свойствами.
2max
При содержании никеля более вычисленного при k сталь приобретает аустенино-мартенситную структуру с содержанием аустенита более 30%. В результате снижаются прочностные свойства стали.
i
2
2
2
Таким образом, содержание никеля в стали зависит от количества ферритообразующих элементов и определяется по формуле N=k-a(Cr+Mo+W), где а - поправочный коэффициент.
Высокая прочность изделия из стали может быть обеспечена и при мартенситно-ферритной структуре стали. В этом случае при одном и том же содержании хрома (ферритообразующих элементов) требуется меньшее содержание никеля (аустенитнообразующих элементов).
В тоже время, никель - высокопластичный, коррозионностойкий элемент. Увеличивая содержание никеля в стали мы придаем ей большую пластичность, которая может характеризоваться следующими параметрами: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость, стойкость стали к циклической усталости и т.д., а также улучшаем коррозионную стойкость, в первую очередь в сероводородных средах.
Равная же прочность обусловлена примерно равным содержанием мартенсита. В первом случае в качестве избыточной фазы содержится феррит, во втором - аустенит.
Углерод в стали может образовывать карбиды хрома, которые в случае содержания углерода более 0,07% значительно ухудшают пластичность стали и ударную вязкость. Необходимо стремиться к минимальному содержанию углерода. В тоже время, получение углерода менее 0,005% сопряжено с техническими трудностями и материальными затратами, обусловленными применением специальных способов выплавки стали и использованием особо чистых шихтовых материалов. В тоже время, снижение содержания углерода менее 0,005% к существенному улучшению пластических свойств стали не приведет.
Кремний и марганец в нашем случае являются технологическими добавками, используемыми для раскисления стали. Их содержание в стали до 1.0 мас.% и до 1.8 мас.% соответственно не оказывают влияния на служебные свойства стали. Более высокое содержание может привезти к ухудшению пластических свойств.
При содержании хрома менее 12,5% резко ухудшается коррозионная стойкость стали. При содержании хрома более 17% в стали образуется дополнительная фаза - феррит. В результате снижаются прочностные свойства стали, ухудшается пластичность.
Азот в изделии из стали в указанных пределах дополнительно упрочняет изделие, в первую очередь, за счет образования нитридов ниобия, титана, ванадия.
Мелкодисперсные частицы нитридов металлов равномерно располагаются по объему зерна, дополнительно упрочняя сталь. При содержании азота менее 0.01% дополнительное упрочнение за счет образования нитридов металлов будет незначительно. При содержании азота более 0,15% наряду со значительным упрочнением стали, будет наблюдаться снижение пластических свойств.
Содержание бора в стали приводит к улучшению пластических свойств, в первую очередь, ударной вязкости. Выделение боридов металлов по границам зерна препятствует выделению вредных элементов серы, фосфора по границам зерен.
Легирование бором менее 0,0001 не обеспечит заметного улучшения пластических свойств. В тоже время, при легировании бором в количестве более
0,01, в результате образования избыточного количества боридов металлов, начинается снижение пластических свойств.
Требуемый уровень механических свойств изделия из стали обеспечивается указанными режимами термообработки.
Свойства дисперсионно-твердеющей стали определяются количеством и дисперсностью выделившихся интерметаллидных частиц. При температуре менее 300°С процессы протекают медленно. Недостаточно снимаются исходные напряжения мартенсита. В результате сталь не приобретает требуемой прочности, а из-за неотпущенного мартенсита в дальнейшем при эксплуатации изделий возможны их поломки.
При температуре близкой, но превышающей 300°С из-за медленного протекания процессов требуются значительные выдержки до 17 часов, чтобы получить заметные упрочнения.
С ростом температуры интенсивность образования интерметаллидных частиц возрастает, сталь приобретает большую прочность. Максимальная прочность стали достигает при 450-500°С. При более высоких температурах интерметаллиды выделяются более крупных размеров. При этом достигаемая прочность стали снижается, и минимальная необходимая прочность стали достигается при температуре, не превышающей 650°С.
При выдержке менее 1 часа количество интерметаллидных частиц будет недостаточным для заметного упрочнения стали при любых температурах.
При выдержке более 17 часов происходит рост выделившихся интерметаллидных частиц, в результате происходит снижение прочности стали.
Таким образом, предлагаемое изделие из стали обладает повышенной пластичностью при сохранении высокой прочности, стабильностью при эксплуатации, а также стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением при работе в агрессивных средах.
Пример.
Сталь выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 1,15 т. Слитки прокатывались на блюминге на заготовки квадрат 100 мм. Заготовки прокатывались на мелкосортном стане на прутки
диаметром 20 мм и длиной 5400 мм. Термообработка прутков заключалась в двойном отпуске по следующим режимам:
- нагрев и выдержка прутков при температуре 600°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе;
- повторный нагрев и выдержка прутков при температуре 600°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.
На готовых прутках определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-43, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде проводили по методике стандарта NACE ТМ 0177-96 (США). Образец помещался в среду водного раствора сероводорода и к нему прикладывалось растягивающее усилие, которое создавало напряжение в металле равное 70% от предела текучести стали. Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде определялось как время, прошедшее с начала испытаний до полного разрушения образца. Химический состав стали изделия, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний самого изделия приведены в таблицах 1,2.