ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH CORROSION-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, в частности, к сталям, которые могут быть использованы для изготовления рабочих колес гидротурбин и насосов, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок, кавитационной эрозии и интенсивного коррозионного воздействия в пресной воде.
Известны для этих целей коррозионностойкие стали мартенситно-ферритного класса 08Х14НД и 10Х12НД по ГОСТ 977-88. Эти стали обладают достаточно высоким уровнем механических свойств, хорошей коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью при изготовлении литых деталей. Однако известные марки сталей не обеспечивают необходимого уровня коррозионной усталости и * недостаточно технологичны при обработке давлением и сварке. Кроме того, имеют недостаточно высокую ударную вязкость при отрицательных температурах.
Известна коррозионностойкая сталь мартенситно-аустенитного класса, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, кальций, иттрий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,05-0,10
Кремний
0,01-0,40
Марганец
1,00-1,50
Хром
14,00-16,00
Никель
3,50-3,90
Медь
1,00-1,50
Молибден
0,30-0,45
Кальций
0,01-0,10
Иттрий
0,01-0,10
Железо и примеси -
остальное
(SU 665018, C22C 38/44, опубликовано 30.05.1979)
Недостатком данной стали является повышенное содержание 6-феррита, что не обеспечивает достаточной пластичности стали, что в свою очередь понижает деформируемость стали, вызывая образование трещин на заготовках. Кроме того, сталь не обладает требуемой ударной вязкостью при отрицательных температурах и высокой кавитационной стойкостью.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная коррозионностойкая сталь CA6NM/Grade А, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, вольфрам, ванадий серу, фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
≤0,062
Кремний
≤1,00
Марганец
≤1,00
Хром
11,50-14,00
Никель
3,50-4,50
Молибден
0,40-1,00
Медь
≤0,50
Вольфрам
≤0,10
Ванадий
≤0,05
Сера
≤0,03
Фосфор
≤0,04
Железо
остальное
(ASTM A487/А487М. Version 93)
Сталь CA6NM после окончательной термообработки имеет предел текучести не менее 550 МПа, предел прочности не менее 760 МПа, относительное удлинение не менее 15%, относительное сужение не менее 35% и твердость 235 НВ. Однако при изготовлении больших отливок для рабочих колес гидротурбин и насосов в структуре металла появляется δ-феррита, который приводит к снижению коррозионно-усталостной прочности стали, кавитационной стойкости и падению ударной вязкости при отрицательных температурах.
Задачей изобретения и техническим результатом является создание высокопрочной коррозионностойкой стали с высокой пластичностью, повышенной ударной вязкостью при отрицательных температурах и высокой кавитационной стойкостью.
Технический результат достигается тем, что высокопрочная коррозионностойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, серу, фосфор, церий, кальций, алюминий и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,01-0,06
Кремний
0,10-0,40
Марганец
0,20-0,80
Хром
12,50-14,00
Никель
3,00-4,50
Медь
0,70-1,20
Молибден
0,20-0,40
Серу
0,001-0,01
Фосфор
0,001-0,015
Церий
0,005-0,025
Кальций
0,005-0,02
Алюминий
0,005-0,02
азот
<0,005
водород
≤0,00025
Железо
остальное.
Технический результат также достигается тем, что суммарное содержание церия, кальция и алюминия составляет 0,02-0,06 мас.%; содержание никеля [Ni] в стали связано с содержание хрома и молибдена [Cr+Mo] в стали следующим соотношением [Ni]=3,00+0,50{[Cr+Mo] - 12,25±0,25} мас.%.
Введение в состав стали алюминия в количестве 0,005-0,02 мас.% в сочетании с химически активными элементами кальцием и церием благоприятно изменяет форму неметаллических включений, снижает в стали содержание кислорода и серы, уменьшает количество сульфидных включений, очищает и упрочняет границы зерен и измельчает структуру литой стали, что приводит к повышению прочности, пластичности и ударной вязкости, особенно при низких температурах. Кальций и церий благоприятно воздействуют и на характер нитридных включений, способствуют переходу пленочных включений нитридов алюминия в глобулярные комплексы оксисульфонитридных образований.
При содержании Al менее 0,005 мас.% его воздействие на свойства стали малоэффективно, а при содержании его выше 0,02 мас.% вызывает избыточное обогащение границ зерен неметаллическими включениями, что отрицательно сказывается на свойствах стали. Кроме того, при избыточном содержании Al резко снижается разливаемость стали.
При суммарном содержании Al, Ca и Ce ниже 0,02 мас.% их воздействие па свойства стали малоэффективно, а при их суммарном содержании выше 0,06 мас.% вызывает избыточное обогащение границ зерен неметаллическими включениями, что отрицательно сказывается на свойствах стали, снижается коррозионно-усталостная прочность, кавитационная стойкость и ударная вязкость, особенно, при Отрицательных температурах.
Оптимальное содержание углерода 0,01-0,06 мас.% обеспечивает высокую технологичность стали и способствует получению высокой прочности, коррозионной и кавитационной стойкости, а также более высоких значений пластичности и ударной вязкости.
Содержанием кремния в пределах 0,10-0,40 мас.% обеспечивает эффективное раскисление. При более низком содержании кремния возможно появление газовых пузырей и ухудшение макроструктуры стали, что отрицательно повлияет на ее прочностные характеристики стали. При более высоком содержании кремния заметно снижается ударная вязкость и пластичность стали.
Содержание хрома 12,5-14,0 мас.% и никеля 3,00-4,50 мас.%, а также связь содержания никеля [Ni] в стали с содержанием хрома и молибдена [Cr+Mo] в стали соотношением [Ni]=3,00±0,50{[Cr+Mo]-12,25±0,25} мас.%, является оптимальным для получения стабильной мартенситной структуры стали с незначительным содержанием аустенита в пределах от 5 до 15%, что обеспечивает высокие механические свойства стали и ее высокую коррозионно-кавитационную стойкость.
Содержание меди 0,70-1,20 мас.% способствует повышению прочности за счет выделения интерметаллидных фаз и повышению коррозионно-кавитационной стойкости. Кроме того, наличие меди в таком количестве в стали способствует равномерности свойств в отливках разного сечения за счет обратной ликвации. Наличие меди, как аустенитизирующего элемента способствует образованию структуры мартенсита с аустенитом, без присутствия δ-феррита. Прослойки пластичной фазы аустенита являются препятствием для распространения трещин. Содержание меди более 1,20 мас.% снижает пластические свойства стали при ковке.
Содержания серы 0,001-0,01 мас.%, и фосфора 0,001-0,015 мас.%, способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости стали.
Ограничение содержания водорода до 0,00025 мас.% уменьшает вероятность образования флокенов и водородного охрупчивания стали. Заметное отрицательное влияние водорода проявляется при содержании его более 0,00025 мас.% и с ростом его концентрации изменяется характер разрушения стали - от вязкого к типично хрупкому (разрушение сколом). Ограничение содержания азота до 0,005 мас.% способствует повышению пластичности и ударной вязкости стали.
В таблице 1 приведен химический состав стали по изобретению (плавки 1-3) и состав известной стали (плавка 4). Стали исследовались на металле лабораторных плавок. Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на литые заготовки, часть металла подвергалась прокатке на толщину 20 мм.
В таблице 2 приведены механические свойства сталей, полученные после оптимальной термообработки.
Кавитационную стойкость определяли по результатам испытаний на магнитострикционной установке при амплитуде колебаний никелевого вибратора 70 мк и частоте колебаний 4000 Гц по потере, массы через каждый час, а также с чередованием коррозионного и кавитационного воздействия (таблица 3).
Из представленных данных следует, что сталь по изобретению имеет значительное преимущество по уровню прочности, пластичности и ударной вязкости по сравнению с известной сталью.
Экспресс-испытания на коррозионную стойкость в условиях воздействия раствора хлорида натрия при повышенных температурах также показали преимущество стали по изобретению.
Использование предложенной стали в качестве высокопрочного коррозионно-стойкого материала для рабочих колес гидротурбин и насосов позволит повысить эксплуатационную стойкость рабочих колес и увеличить межремонтный срок.
Таблица 1
Химический состав предлагаемой и известной стали.
Содержание компонентов, мас.%
Номер плавки
1
2
4
Углерод
0,01
0,04
0,06
0,06
Кремний
0,10
0,25
0,40
1,00
Марганец
0,20
0,40
0,80
1,0
Хром
12,50
13,00
14,00
11,50
Никель
3,00
3,50
4,50
3,5
Медь
0,70
0,98
1,20
0,50
Кальций
0,005
0,01
0,02
-
Церий
0,015
0,008
0,02
-
Алюминий
0,005
0,008
0,02
-
Молибден
0,20
0,30
0,40
0,60
Вольфрам
-
-
-
0,10
Ванадий
-
-
-
0,03
Сера
0,006
0,005
0,008
0,03
Фосфор
0,015
0,015
0,009
0,040
Водород
0,0002
0,00025
0,0002
0,0003
Азот
0,0049
0,0049
0,0049
0,015
Железо
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной сталей
Номер плавки
Вид продукции
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>b</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup> при температуре, °C
+20
-60
1
отливка
668
790
21
64
145
75
2
665
790
20,5
65
145
73
3
675
795
19,5
63
140
65
1
листовой прокат
690
800
23,3
65
195
100
2
690
800
21
66
195
95
3
695
810
20,5
65
193
90
4
отливка
558
780
15
35
90
35
Таблица 3
Кавитационная стойкость предлагаемой и известной стали
Номер плавки
Потери массы, мг в за время, ч.
Коэффициент стойкости предлагаемой стали по отношению к известной при чередовании коррозии и кавитации
1
2
3
1
13
31
50
1,29
2
12,5
30
47,5
1,29
3
12
29
47
1,30
4
17.5
39,5
60.5
1,00