ВЫСОКОПРОЧНАЯ НЕМАГНИТНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH NON-MAGNETIC CORROSION-PROOF STEEL

Изобретение относится к области металлургии стали и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, специальном судостроении и для создания высокоэффективной буровой техники.
Известна коррозионно-стойкая немагнитная сталь, содержащая 0,03% углерода, 0,4÷0,6% азота; 23÷25% хрома; 5÷7% марганца, 16÷18% никеля и 4÷5% молибдена (сталь марки 1.4565S, Материалы конференции «High Nitrogen Steels 90», Aahen, 1990, p.155). Основным недостатком этой стали является низкая прочность, плохая свариваемость и высокое содержание дорогих и дефицитных никеля и молибдена.
в
0,2
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является сталь 07Х21Г7АН5 (см. А.А.Бабаков, М.В.Приданцев. «Коррозионно-стойкие стали и сплавы». М.: Металлургия, 1971, с.168, ЧМТУ 393-60, ЦНИИЧМ), содержащая 0,05-0,10% углерода, до 0,7%) кремния, 0,15÷0,25% азота, 20÷22% хрома, 6÷8% марганца, 5÷6% никеля, железо и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор. Однако эта сталь обладает недостаточным уровнем прочностных свойств (σ=700 МПа; σ=400 МПа) для высоконагруженных деталей, а также наличием ферромагнитного δ-феррита в структуре стали, которые недопустимы для немагнитных изделий, при содержании аустенитообразующих элементов на нижнем пределе марочного состава.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании высокопрочной немагнитной коррозионно-стойкой стали.
Технический результат изобретения заключается в повышении прочностных характеристик, коррозионной стойкости и немагнитности стали.
Технический результат достигается тем, что в высокопрочную немагнитную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, железо и неизбежные примеси дополнительно введены молибден, ванадий, селен и кальций, (см. табл.А при следующем соотношении компонентов, мас.%.
Таблица А
углерод
0.04-0.08
молибден
0.7-1.2
кремний
0.10-0.40
ванадий
0.15-0.25
марганец
9.0-11.0
кальций
0.005-0.010
хром
20.0-21.0
селен
0.10-0.15
никель
2.8-3.8
азот
0.5-0.55
неизбежные примеси и железо - стальное,
при этом для значений концентраций легирующих элементов выполняется условие:
a) ,
где [N], [C], [Si], [Mn], [N], [Cr], [Mo], [V] - концентрация в стали азота, углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, молибдена и ванадия соответственно, выраженная в массовых процентах,
б) соотношение содержания углерода к содержанию азота (мас.%) должно быть в пределах - 0,07÷0,14,
в) соотношение содержания  (мас.%) должно быть в пределах 35÷41,
при этом в ней формируется развитая субзеренная структура в процессе горячей пластической деформации при температурах 1000÷1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры, и сталь приобретает мелкозернистую аустенитную структуру после закалки в воде от температуры в пределах 1030÷1070°С.
23
6
2
23
6
Содержание в стали углерода [С]=0,04 и азота [N]=0,5 в минимальных указанных количествах достаточно для обеспечения высокой прочности основного металла. При содержании углерода более 0,08% и азота более 0.55% соответственно, трудно получить удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости из-за образования при тепловых выдержках большого количества карбида хрома типа CrC, и нитридов хрома типа CrN. В этом случае трудно получить не имеющий пор металл без использования повышенного давления азота под расплавом из-за ограниченной растворимости азота в металле такого состава. Для предотвращения образования карбидов хрома типа CrC отношение содержания углерода к содержанию азота не должно превышать 0,15. Введение в сталь 20-21% хрома необходимо для обеспечения требуемого уровня коррозионной стойкости и растворимости азота в указанных пределах. При содержании хрома более 21% и никеля менее 2,8% - сталь будет иметь пониженную пластичность из-за образования феррита и σ-фазы.
Выполнение условия  обеспечивает предотвращение образования σ-фазы в структуре стали.
С увеличением содержания никеля более 3,8% - из-за снижения растворимости азота в металле невозможно получить сталь с заданным количеством азота. Получение содержания марганца на уровне 9-11% обеспечивает стабильность аустенита по отношению к γ→α(М) превращению, повышает растворимость азота и способствует раскислению металла. Введение в сталь ванадия в количестве более 0,15% обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение прочности (за счет образования мелкодисперсных нитридов ванадия. При меньших концентрациях ванадия положительный эффект от его введения незначителен. Увеличение содержания ванадия более 0,25% приводит к снижению прочности металла из-за обеднения твердого раствора азотом в результате образования термически устойчивых нитридов ванадия, диссоциирующих в аустените при температурах выше 1150°С. При содержании молибдена более 1,2% в металле может образовываться ферромагнитная фаза (δ-феррит). Добавки кальция и селена в количествах соответственно 0,005-0,010 и 0,10-0,15%) улучшая морфологию неметаллических включений, повышают пластичность металла и его технологичность, особенно обрабатываемость резанием. Если кальция и селена в металле меньше соответственно 0,005 и 0,10% - значительного эффекта от их введения не обеспечивается, при увеличении их содержания более соответственно 0,010 и 0,15% дальнейшего улучшения свойств не достигается.
Выполнение условия:
обеспечивает получение неферромагнитной стали (µ<1,01 Гс/Э). При уменьшении значений отношения менее 0,62 не удается получить аустенитную структуру без ферромагнитных фаз (мартенсита и феррита). При значении отношения более 0,86 в стали не достигается необходимый уровень растворимости азота. Аустенит с развитой субзеренной структурой в предлагаемой стали можно получить в результате горячей пластической деформации (ковки или прокатки) при температурах 1000-1050°С с обжатием 50÷80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры. Пластическая деформация при температурах ниже 1000°С снижает пластичность и ударную вязкость стали и затрудняет процесс получения качественных изделий из-за высокого сопротивления металла пластическому деформированию. Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств стали достигается при обжатии 50÷80%. Обжатия менее 50% не обеспечивают требуемый уровень прочностных свойств, а обжатия более 80% приводят к значительному снижению пластичности. Высокая скорость охлаждения в воде от температуры закалки предотвращает образование в объеме металла нитридных фаз, снижающих пластичность стали, и ферромагнитной фазы - мартенсита.
Нагрев под закалку до температур 1030÷1070°С достаточен для растворения нитридов хрома при сохранении мелкозернистой структуры из-за наличия небольшого количества трудно растворимых частиц нитридов ванадия. При температуре нагрева под закалку менее 1030°С не достигается полное растворение нитридов, ухудшается вязкость и пластичность стали. При температурах нагрева под закалку выше 1070°С увеличиваются размеры зерен аустенита в результате интенсивного растворения нитридов ванадия.
Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 50 кг. При температуре 1050°С металл ковали на прутки 13×13 мм. Структуру металла определяли на рентгеновском дифрактометре. Механические испытания проводили на машине Инстрон-1185.
в
0,2
После испытаний сталь имела следующие значения (σ=874 МПа; σ=495 МПа; δ=57%; Ψ=69,3%), результаты химического анализа предлагаемой стали и прототипа, а также результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1.
Химический состав стали.
Сталь
№ плавки
Содержание элементов
N
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
Ca
S
P
Se
Прототип
1
0.2
0.06
0.5
7.0
21.5
5.5
-
-
-
0.015
0.020
-
Предлагаемая
2
0.5
0.04
0.1
9.0
19.1
3.18
0.7
0.10
0.005
0.015
0.014
0.10
3
0.51
0.04
0.26
10.7
19.9
2.9
0.9
0.17
0.006
0.004
0.017
0.11
4
0.55
0.09
0.4
11.0
21.0
3.8
1.2
0.25
0.010
0.017
0.020
0.15
Таблица 2.Механические свойства и магнитная проницаемость стали.
Сталь
№плавки
Обработка
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МП а
δ, %
ψ, %
KCU, МДж/м<sup>2</sup>
µ, Гс/Э
Прототип
1
Закалка от 1050°С
700
400
25
62
2,8
1,003
2
Закалка от1050°С
874
495
57,0
69,3
2,98
1,003
Предлагаемая
Ковка при 1050°С
1086
935
31,9
53,1
1,27
1,004
3
Ковка при 1050°С
1106
961
31,2
52,4
1,25
1,014
4
Ковка при 1050°С
1135
986
30,0
51,3
1,19
1,007