КОМПОЗИЦИОННАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОРУЖИЯ
COMPOSITE STEEL FOR ELECTROMAGNETIC WEAPON

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении электромагнитного оружия.
Известна немагнитная сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,01-0,05; хром 21,0-24,0; марганец 12,0-15,0; никель 1,0-8,0; азот 0,65-0,80; молибден 0,5-1,0; ванадий 0,25-1,0; кальций 0,0015-0,020; железо - остальное. (Авт. свид. СССР №1225876, М.кл, C22C 38/58, опуб. 23.04.1986.)
Недостатком стали является недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости и развитие межкристаллитной коррозии, за счет наличия в стали ванадия, который соединяясь с азотом и углеродом образует нитриды и карбиды ванадия, выделяющиеся при затвердевании по границам аустенитных зерен. Кроме этого, ванадий как ферритообразующий элемент способствует выделению ферромагнитной фазы (δ - феррит), повышая магнитную проницаемость, что будет снижать КПД электромагнитных пушек.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,04-0,9, кремний 0,10-0,60, марганец 5,0-12,0, хром 19,0-21,0, никель 4,5-9,0, молибден 0,5-1,5, ванадий 0,10-0,55, кальций 0,005-0,010, ниобий 0,03-0,30, азот 0,40-0,70, неизбежные примеси и железо - остальное.
При этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:
2
([Ni]+0,1[Mn]-0,01[Mn]+18[N]+30[C])/([Cr]+1,5[Mo]+0,48[Si]+ 2,3[V]+1,75[Nb])=0,70-0,90, где [N], [C], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрации в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия и ниобия соответственно, выраженная в массовых процентах. Соотношение содержания углерода к содержанию азота равно 0,05-0,15.
Кроме того, сталь обладает развитой субзеренной структурой после горячей пластической деформации при температуре 1000-1050°C с обжатием 50-80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.
Сталь обладает мелкозернистой аустенитной структурой после закалки в воде при температуре 1030-1070°C. Сталь не имеет δ - феррита и является практически немагнитной при соблюдении указанного соотношения элементов (Патент РФ №2205889, М.кл. C22C 38/58, опуб. 06.10.2003, Прототип).
Однако при содержании в стали ванадия на верхнем пределе возможно появление δ - феррита и незначительное повышение магнитной проницаемости стали. Применение стали данного состава для изготовления электромагнитного оружия нежелательно. Другим недостатком указанной стали является обычная для металлического на основе железа материала электропроводность, что будет повышать электрические потери и снижать КПД оружия.
Задачей, решаемой изобретением, является получение высокопрочной немагнитной стали, обладающей повышенным электросопротивлением.
Указанная задача решается тем, что композиционная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, кальций, ниобий, азот, железо и неизбежные примеси, дополнительно содержит двуокись кремния и окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,04-0,12
Кремний
0,10-0,60
Марганец
5,0-12,0
Хром
19,0-21,0
Никель
4,0-9,0
Молибден
0,5-1,5
Ниобий
0,03-0,30
Кальций
0,005-0,010
Азот
0,4-0,9
Двуокись кремния
2,0-10,0
Окись алюминия
3,0-15,0
Железо и примеси
остальное,
при этом сталь содержит двуокись кремния и окись алюминия в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.
После горячей пластической деформации при температуре 1150-1180°C с обжатием 50-70% с последующим охлаждением на воздухе композиционная сталь имеет мелкозернистую структуру с равномерно распределенными частицами двуокиси кремния и окиси алюминия. После закалки в воде от температуры 1050-1180°C сталь имеет аустенитную структуру.
Наиболее сильными твердорастворными упрочнителями являются элементы внедрения: углерод и, в еще большей степени, азот. Кроме того, азот по сравнению с углеродом обеспечивает лучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости. При содержании углерода менее 0,04 мас.% и азота менее 0,4 мас.% не обеспечивается необходимая прочность металла матрицы и пластичность композиционной стали. При содержании углерода более 0,12 мас.% и азота более 0,9 мас.% процессы деформационного старения начинают вызывать охрупчивание металла. Содержание в матрице хрома в количестве 19,0-21,0 мас.% не только обеспечивает коррозионную стойкость, но и растворение в металле части необходимого азота. При содержании хрома менее 19,0 мас.% не обеспечивается содержание азота в стали более 0,40 мас.%, а следовательно, не достигается необходимая прочность при увеличении пластичности и вязкости, снижается коррозионная стойкость стали. При увеличении содержания хрома более 21,0 мас.% и снижении никеля менее 4,0 мас.% возможно выпадение σ-фазы и образование феррита, что приводит к появлению пониженной пластичности и трещин. Увеличение никеля более 9,0 мас.% снижает растворимость азота в стали. Содержание марганца в пределах 5,0-12,0 мас.% вместе с хромом обеспечивает растворимость азота и, следовательно, содержание необходимого его количества в матрице стали, что позволяет обеспечить сочетание прочности пластичности и ударной вязкости. Марганец, также как и никель, стабилизирует аустенит по отношению γ→α (M) превращению. Содержание марганца менее 5,0 мас.%, как и снижение хрома, не обеспечивает получение в стали азота более 0,40 мас.%, увеличение его свыше 12,0 мас.% приводит к снижению вязкостных свойств стали за счет появления большого количества нитридов при γ→α превращении. Молибден, в указанных пределах, также как хром и марганец, увеличивает растворимость азота в железе, но при содержании более 1,5 мас.% в металле может образовываться ферромагнитная фаза δ-феррит. При содержании молибдена в высоколегированной стали стали менее 0,5 мас.% он не эффективен как легирующий элемент. Ниобий связывает азот в прочные нитриды, поэтому увеличение его более 0,3 мас.% будет снижать содержание растворенного азота в металле и, как следствие, приведет к снижению прочности матрицы. Содержание ниобия в стали менее 0,03 мас.% не эффективно. Добавки кальция в количестве 0,005-0,010 мас.%, являющегося элементом с ярко выраженными горофильными свойствами, затрудняет выделение избыточных фаз по границам зерен, чем сильно повышает стойкость против межкристаллитной коррозии и способствует обеспечению пластичности. При содержании кальция менее 0,005 мас.% горофильного эффекта не наблюдается, а увеличение свыше 0,010 мас.% способствует выделению избытка его по границам зерен и снижается пластичность за счет охрупчивания. Минимальное содержание кремния определяется процессами раскисления металла, а содержание кремния более 0,6 мас.% снижает растворимость углерода и азота в аустените. Расчеты эквивалентов никеля и хрома в соответствии с формулой и диаграммой Шеффлера показывают, металлическая матрица предлагаемой композитной стали находится в аустенитной области, что обеспечивает получение неферромагнитной стали, кроме того, обладающей достаточной пластичностью и вязкостью.
2
2
3
Введение в сталь мелкодисперсных частиц двуокиси кремния (SiO) и окиси алюминия (AlO) в сумме от 5,0 до 25,0 мас.% повышает электросопротивление данной стали, так как окислы кремния и алюминия имеют удельное электросопротивление на 19-20 порядков выше, чем удельное электросопротивление железа. Введение оксидов в виде наноразмерных частиц не только повысит электросопротивление стали, но и позволит сохранить уровень магнитной проницаемости, пластичности и прочности. При содержании в композиционной стали двуокиси кремния и окиси алюминия в сумме менее 5,0 мас.% увеличение электросопротивления недостаточно и КПД оружия снизится. При содержании в композиционной стали двуокиси кремния и окиси алюминия в сумме более 25,0 мас.% композиционная сталь будет иметь пониженные пластические и вязкостные свойства и стойкость ствола снизится. Соотношение двуокиси кремния и окиси алюминия в композиционной стали выбрано на основании их молекулярных весов и того, что разнородные частицы в процессе работы изделия под действием термомеханических циклических напряжений менее склонны к коагуляции и коалисценции по сравнению с однородными и тем самым будут задерживать процессы разупрочнения материала, сохраняя свойства электросопротивления стали.
Таким образом, техническим результатом изобретения является повышение электрического сопротивления материала при одновременном сохранении показателей пластичности и вязкости и магнитной проницаемости.
Пример 1.
Композиционную сталь получали методами порошковой металлургии. Порошки компонентов стали: углерод, кремний, марганец, ферромарганец азотированный, хром, феррохром азотированный, никель, молибден, ниобий, силикокальций, железо измельчали раздельно в планетарной мельнице типа АГО-2, затем смешивали и проводили механохимическое легирование в планетарной мельнице.
Двуокись кремния и окись алюминия обрабатывали в планетарной мельнице типа АГО-2 раздельно до частиц наноразмерной дисперсности. Порошки смешивали в соотношениях, соответствующих химическому составу предлагаемой композиционной стали. Полученную смесь подвергали холодному и горячему прессованию при температуре 1150°C, а затем горячей экструзии при температуре 1180°C с вытяжкой 8 на прутки диаметром 15 мм на прессе усилием 400 тс. Из полученных прутков после термической обработки готовили образцы для исследования свойств металла.
Пример 2.
Композиционную сталь выплавляли в открытой основной индукционной печи вместимостью 100 кг методом сплавления нержавеющих азотсодержащих отходов и чистых ферросплавов. Азот вводили в состав стали азотированными отходами и азотированными ферросплавами хрома и марганца. Двуокись кремния и окись алюминия измельчали в планетарной мельнице типа АГО-2 раздельно до частиц наноразмерной дисперсности, затем упаковывали в герметичные картриджи и вводили их на струю металла при выпуске плавки в ковш. Металл разливали в слитки массой 100 кг и диаметром 100 мм. В процессе плавки и в процессе разливки на зеркало и на струю металла давали газообразный азот. Слитки нагревали в газовой печи до температуры 1150-1180°C и ковали на заготовки сечением 50×50 мм с последующей горячей прокаткой на прутки 15 мм. После термической обработки готовили образцы для исследования свойств металла.
Структуру металла изучали на металлографическом микроскопе Неофот-2. Фазовый состав стали определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. Исследования механических характеристик, включающих испытания на кратковременную и длительную прочность при температуре 20-550°C проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-80 (при 20°C) и ГОСТ 9651-84 (при повышенных температурах) на испытательной машине типа 1958-У10. Удельное сопротивление измеряли при помощи стандартного четырехконтактного метода.
Результаты химического анализа предлагаемой стали приведены в таблице 1. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Как видно из таблиц 1, 2, оптимальными являются варианты 1, 2, 3. Вариант 4 показал, что при содержании окиси алюминия менее 3,0 мас.% и двуокиси кремния менее 2,0 мас.% снижается электросопротивление и ухудшаются показатели магнитной проницаемости, прочности, вязкости и пластичности.
Вариант 5 показал, что при содержании окиси алюминия более 15,0 мас.% и двуокиси кремния более 10,0 мас.% электросопротивление возрастает, но ухудшаются показатели магнитной проницаемости, прочности, пластичности и вязкости.
По результатам испытаний видно, что предлагаемая композиционная сталь, в заявленных пределах, является немагнитной и обладает высоким электросопротивлением при сохранении показателей пластичности и вязкости.
Таблица 1Химический состав стали
Плавка
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
Ca
Nb
N
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
V
Fe и примеси
1
0,04
0,11
5,0
19,0
4,1
0,5
0,005
0,03
0,41
3,0
2,0
-
Ост.
2
0,08
0,35
8,0
19,9
7,0
1,0
0,008
0,12
0,70
10,0
7,0
-
Ост.
3
0,12
0,59
11,8
21,0
9,0
1,5
0,010
0,30
0,90
15,0
10,0
-
Ост.
4
0,07
0,21
9,0
20,5
5,0
0,6
0,009
0,05
0,50
2,9
1,9
-
Ост.
5
0,09
0,41
10,5
19,8
8,0
1,3
0,008
0,25
0,80
15,2
10,1
-
Ост.
6прототип
0,4
0,26
11,7
20,0
5,6
1,4
0,008
0,24
0,60
-
-
0,35
Ост.
Таблица 2Результаты испытаний стали
Плавка
ρ.ом.м
σ<sub>100</sub>, МПа 550°С
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
KCU МДж/м<sup>2</sup>
µ, Гс/Э
1
1,4×10<sup>4</sup>
810
1100
900
36
58
2,5
1,002
2
4,5×10<sup>4</sup>
850
1120
950
35
56
2,3
1,001
3
9,8×10<sup>4</sup>
900
1160
1000
33
56
2,2
1,001
4
4х10<sup>-1</sup>
490
1060
870
31
54
2,0
1,004
5
9×10<sup>4</sup>
800
1080
880
30
50
1,1
1,004
6прототип
9,8×10<sup>-8</sup>
500
1050
850
32
55
2,2
1,005