ВЫСОКОАЗОТИСТАЯ МАРТЕНСИТНАЯ НИКЕЛЕВАЯ СТАЛЬ
HIGH-NITROGEN MARTENSITE NICKEL STEEL

Изобретение относится к области металлургии и является высокопрочной мартенситной сталью с 8,5-10,5% никеля и со сверхравновесным содержанием азота для изготовления высоконагруженных изделий криогенной техники.
Известна мартенситная сталь 07Н9 [О.А.Банных, Ю.К.Ковнеристый. Стали для работы при низких температурах. Москва, Металлургия, 1969, с. 25.], включающая следующие компоненты, мас.%:
углерод
0,07
никель
9,1
марганец
0,2
кремний
0,2
железо
остальное
в
0,2
в
0,2
Основным недостатком этой стали является низкая прочность при 20°C (σ=726 МПа, σ=562 МПа) после применяемой при изготовлении изделий нормализации при 900°C и отпуска при 570°C в течение 1 часа. Таким же недостатком обладает 9% никелевая сталь после двойной нормализации при 900 и 790°C и отпуска при 550-585°C (σ=660-690 МПа, σ=420-450 МПа), применяющаяся в США при изготовлении изделий для хранения жидкого кислорода [Gill Е.Т., Swales G.L. Nickel-containing steels for low temperature applications in petroleum industry. Brit. Petrol. Equipment News. 1959, 7, №2, p. 60-64].
Наиболее близкой к заявляемой стали по химическому составу является известная сталь 0Н9 [Ю.П.Солнцев, Б.С.Ермаков, О.И.Слепцов. Энциклопедический справочник. Материалы для низких температур. Санкт-Петербург. Химиздат. 2000, с. 202-204], включающая следующие компоненты по техническим условиям ТУ 14-1-2236-77 (мас.%):
углерод
не более 0,1
никель
8,5-10,0
марганец
0,3-0,6
кремний
0,15-0,35
железо
остальное
в
0,2
Существенным недостатком данной стали является низкая прочность при 20°C (σ=720 МПа и σ=580 МПа), недостаточная для высоконагруженных изделий.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке низкоуглеродистой с 8,5-10,5% никеля высокоазотистой мартенситной стали для изготовления высоконагруженных изделий криогенной техники. Техническим результатом изобретения является повышение прочности низкоуглеродистой стали с 8,5-10,5% никеля.
Технический результат достигается тем, что никелевая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний и железо, согласно изобретению, дополнительно содержит азот и хром при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углерод
0,02-0,06
хром
1,5-2,0
никель
8,5-10,5
азот
0,08-0,22
марганец
0,3-0,6
кремний
0,1-0,3
железо
остальное
Сущность изобретения заключается во введении в сталь, содержащую 8,5-10,5% никеля, 0,08-0,22% азота для повышения прочности стали и 1,5-2,0% хрома (повышающего растворимость азота) для получения такой стали без пор. В стали с указанным содержанием никеля, азота и хрома в процессе термической обработки формируется структура с большим количеством азотистого мартенсита, необходимого для высокопрочного состояния стали.
Предлагаемая сталь включает компоненты в указанных пределах ввиду того, что содержание азота менее 0,08% и углерода менее 0,02% не обеспечивают достаточной прочности для изготовления высоконагруженных изделий. При концентрациях азота более 0,22% и углерода более 0,06% не удается получить беспористые слитки стали с содержанием 8,5-10,5% никеля. Добавки хрома и марганца, повышающие растворимость азота в расплаве железа, в количествах 1,5-2,0% и 0.3-0,6% соответственно достаточны для кристаллизации жидкого метала стали с 8,5-10,5% никеля без образования в структуре δ-феррита (у которого низкая растворимость азота) и, как следствие, получение слитков без пор. При концентрациях никеля менее 8,5% или более 10,5% формируется структура с большим количеством феррита или аустенита соответственно, снижающих упрочнение стали.
Сталь может характеризоваться тем, что для содержания углерода и азота выполняется следующее условие:
С+N=0,14÷0,24
При суммарном содержании углерода и азота менее 0,14% требуемый уровень прочности стали не достигается из-за присутствия в структуре стали феррита. При значениях этой суммы более 0,24% в структуре нарушается оптимальное соотношение между аустенитной и мартенситной составляющей и уровень прочности будет ниже заданного. В сталях с заданным содержанием углерода и азота (0,14÷0,24) преобладающей структурной составляющей является азотистый мартенсит, обеспечивающий прочностные свойства стали.
Добавки 0,1-0,3% кремния достаточны для раскисления стали. Сталь может содержать кальций в количестве 0,005-0,05%. Кальций является сильным раскислителем. При введении кальция снижается уровень кислорода в металле [Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия. 1966. 1275 с.], уменьшается количество неметаллических включений и они приобретают округлую форму. При введении кальция в сталь менее 0,005% значительного снижения уровня неметаллических включений не наблюдается. При введении кальция в сталь в количестве более 0,05% неметаллические включения значительно укрупняются и, являясь концентраторами напряжений, снижают пластические свойства стали.
Сталь может содержать церий в количестве 0,005-0,03%. Церий, как и кальций, является активным раскислителем, его введение приводит к уменьшению количества неметаллических включений в металле, а также измельчению кристаллической структуры [Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия. 1966. 1275 с.]. При увеличении содержания церия более 0,03% возможно образование нитридов церия уже в жидкой фазе, которые, укрупняясь и всплывая, будут ассимилированы шлаком, выводя тем самым азот из металла.
Сталь выплавляли в Институте металловедения им. академика А.Балевского Болгарской академии наук в установке для литья под давлением 30-40 атм азота.
В таблице 1 представлен химический состав стали, содержание азота в которой 0,08-0,22%, т.е. в 3-5 раз выше равновесной (при выплавке при атмосферном давлении). Такое пересыщение азота в твердом растворе приводит к значительному упрочнению стали. 10 кг слитки ковали в интервале температур 1100-850°C на прутки сечением 14×14 мм. Термическую обработку стали производили по режиму, состоящему из закалки от 850°C (1 час) с охлаждением в воде и последующего отпуска при 500-650°C (1 час) с охлаждением на воздухе.
Методами оптической микроскопии (на микроскопе Olympus) и тонких фольг «на просвет» (на электронном микроскопе ЭМВ-100Л) исследована структура стали после закалки от 850°C и закалки от 850°C с последующим нагревом при 500-650°C в течение 1 часа.
Механические испытания на растяжение проводили на машине Инстрон-1185 со скоростью растяжения 1 мм/мин на стандартных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм. Для испытаний на ударную вязкость использовали стандартные образцы Менаже с U-образным надрезом при температурах +20 и -196°C на копре Zwick/Roell RKP 450 с записью диаграммы деформирования.
в
0,2
γ
Предлагаемая сталь после закалки от 850°C и отпуска при 500-650°C в течение 1 часа значительно превосходит по уровню прочности применяющуюся в криогенной технике сталь 0Н9. В таблице 2 представлены механические свойства известной и предлагаемой стали. После закалки от 850°C и отпуска при 500°C в течение 1 час заявляемая сталь имеет максимальные значения прочности (σ=1021 и 1147 МПа, σ=950 и 1069 МПа) при повышенной пластичности и ударной вязкости (таблица 2). Такое сочетание прочности и пластичности у этой стали достигается в результате формирования после указанных режимов термической обработки мелкозернистой (~20 мкм) структуры азотистого пакетного мартенсита с прослойками между рейками мартенсита остаточного аустенита, приведенной на рис.1 (сталь плавки 3 после закалки от 850°C - 1 час - вода и отпуска 600°C - 1 час - воздух: а - вид структуры×10000; б - темнопольное изображение в рефл.022).
Сталь, таким образом, может быть использована в качестве высокопрочного конструкционного материала. Указанные в таблице 2 механические свойства предлагаемой стали подтверждают ее перспективность для замены применяющейся в криогенной технике стали 0Н9.
Таблица 1
Сталь
№пл.
С
N
Ni
Мn
Cr
Si
Са
Се
Известная 0Н9
1
<0,15
-
9,5
0,50
-
0,25
-
-
Предлагаемая
2
0,02
0,08
8,5
0,30
1,5
0,18
0,005
0,005
3
0,06
0,22
10,5
0,59
2,0
0,27
0,050
0,030
4
0,01
0,07
7,9
0,20
0,9
0,19
0,004
0,022
5
0,08
0,25
11,2
0,50
2,5
0,41
0,060
0,040
*- стали пл. 4 и 5, химический состав которых выходит за пределы состава предлагаемой стали, сталь пл. 5 с порами.
Таблица 2
Сталь
№пл.
Термическая обработка
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>,<sub></sub>МПа
δ, %
ψ, %
KCU*, МДж/м<sup>2</sup>
Известная 0Н9
1
Нормализация от 900 и 790°C+500°C - 2,5 час
720
580
30,0
76
3,0/1,3
Закалка 790°C+580°C
590
430
26,0
71
2,9/0,4
Предлагаемая
2
Закалка 850°C+500°C - 1 час
1021
950
27,1
63
1,45/0,85
3
Закалка 850°C+500°C - 1 час
1147
1069
13,5
55
1,30/0,80
Закалка 850°C+550°C - 1 час
911
873
15,0
63
1,50/1,00
Закалка 850°C+600°C - 1 час
871
672
19,0
68
1,60/1,14
Закалка 850°C+650°C - 1 час
1058
912
11,0
63
1,04/0,72
4
Закалка 850°C+500°C - 1 час
852
673
25,0
66
2,70/2,10
KCU*-в числителе при 20°C, в знаменателе при - 196°C