ВЫСОКОПРОЧНАЯ НЕМАГНИТНАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH NONMAGNETIC STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным высокопрочным, немагнитным сталям, используемым в судостроении, энергетике, машиностроении и др. отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов.
Известны подобные немагнитные материалы следующих легирующих композиций: Cr-Ni-Mo-V, Cr-Ni-Mo-W-V при содержании хрома 18-23%, никеля 8-14%, молибдена 0,5-0,25%, вольфрама 0,5-1,5%, ванадия 0,5-1,0%, однако уровень прочности таких сталей не превышает 500 МПа и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного назначения из немагнитных коррозионно-стойких сталей [1].
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является сталь, которая содержит (мас.%): 0,29-0,45 углерода, 5-10 марганца, 8-15 никеля, 0,5-2,5 меди, 0,7-2,0 ванадия, 0,2-0,5 кремния, 0,5-2,5 молибдена; железо и неизбежные примеси - остальное [2] - прототип.
Эта сталь имеет высокую прочность после проведения термической обработки (аустенитизация от 1150°C и старение), однако она обладает пониженным уровнем технологической пластичности металла при высоких температурах. Сталь характеризуется узким температурным интервалом при горячей деформации (до 1120-950°C). Сталь-прототип при ее легировании по нижнему пределу ряда основных легирующих элементов (Mn, Ni, Cu) не приводит к получению чисто аустенитной структуры, т.е. теряет немагнитность, µ. (магнитная проницаемость) становится выше 1,01 Гс/Э, появляется альфа-фаза, при этом наблюдается пониженный уровень прочности и пластичности.
При повышенном содержании стали-прототипа примесных элементов она приобретает значительную склонность к охрупчиванию при старении, особенно с ростом прочности.
Технический результат, достигаемый при применении предлагаемого авторами технического решения, - повышение прочности при сохранении характеристик пластичности и ударной вязкости, расширение температурного интервала и повышение горячей пластичности при деформировании (ковка, штамповка, прокатка), уменьшение склонности к охрупчиванию при проведении старения и получение стабильно низкой магнитной проницаемости.
Технический результат достигается тем, что в немагнитную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, никель, медь, молибден, ванадий, дополнительно введены азот, хром, алюминий, кальций при нормированном содержании примесных элементов и следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,34-0,45
кремний
0,15-0,50
марганец
6,0-8,0
никель
12,5-14,5
медь
1,2-2,2
молибден
0,5-1,2
ванадий
1,0-1,7
хром
0,15-0,30
алюминий
0,005-0,025
кальций
0,0010-0,025
азот
0,05-0,2
сера
0,005-0,020
фосфор
0,005-0,030
свинец
0,0002-0,005
олово
0,0002-0,005
висмут
0,0002-0,005
мышьяк
0,0002-0,005
железо
остальное,
при этом отношение суммарного содержания углерода и азота к ванадию соответствует выражению:
а суммарное количество аустенитообразующих металлов удовлетворяет условию:
Сталь характеризуется аустенитной структурой, полученной в результате термической обработки: аустенитизации при 1120-1150°C и старения при температуре 600-650°C в течение 6-15 часов, при этом объемную долю карбидов ванадия в структуре стали поддерживают на уровне 0,6-1,0%.
Введение хрома, повышающего растворимость азота в сплаве, в количестве 0,15-0,30% и азота в количестве 0,05-0,20% способствует дополнительному повышению прочности из-за увеличения объемной доли карбонитридов ванадия - упрочняющей фазы. Увеличение содержания хрома и азота сверх указанного приводит к падению пластических свойств и охрупчиванию металла. При меньшем их содержании дополнительного упрочнения не достигается.
Алюминий в количестве 0,005-0,025% и кальций в количестве 0,001-0,025% способствуют повышению раскисленности стали при выплавке и обработке в ковше, измельчению зерна и формированию неметаллических включений заданной формы и морфологии. При меньшем их содержании металл оказывается недораскисленным, при большем содержании - происходит увеличение размеров неметаллических включений, что приводит к снижению как прочностных, так и пластических свойств металла.
Отношение суммарного содержания углерода и азота к ванадию, определяемое выражением:  характеризует количество упрочняющих карбонитридов и карбидов ванадия. При значениях  падает пластичность стали.
При значениях  не достигается желаемое повышение прочностных характеристик.
Выполнение условия:  позволяет получить структуру стабильного аустенита (при таких значениях никелевого эквивалента сталь сохраняет аустенитную структуру и после охлаждения до температуры жидкого азота и при пластической деформации в холодном состоянии по крайней мере до 20%) и оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик. Если значение этой суммы менее 18%, то после холодной пластической деформации более 5% увеличивается магнитная проницаемость стали до значений выше 1,05 Гс/Э. При увеличении значения этой суммы выше 26% падают прочностные свойства.
Количество карбидов ванадия в структуре стали не должно превышать 1,0%. При увеличении их количества более 1,0% снижаются пластические свойства стали, при уменьшении их содержания ниже 0,6% снижаются прочностные характеристики металла.
В ЦНИИ КМ «Прометей» были проведены опытные плавки в индукционной печи с разливом в слитки по 50 кг, из этого металла были сделаны поковки сечением 70×30 мм.
После термообработки были определены механические и магнитные свойства.
Химический состав опытных плавок приведен в таблице 1. Механические свойства заявляемой стали и прототипа после различной длительности старения представлены в таблице 2. Механические свойства после аустенитизации и старения по оптимальному режиму представлены в таблице 3.
При ковке слитков был определен интервал горячей пластичности по критерию появления поверхностных трещин в диапазоне температур ковки. Для известной стали этот интервал находится в диапазоне температур 1120-950°C. Для заявляемой стали интервал температур ковки существенно шире (1180-860°C), что является показателем улучшения ее технологичности. Это явление позволяет производить ковку за меньшее количество выносов, лучше прорабатывать внутренние зоны поковки, измельчать зерно и улучшать прочностные и пластические характеристики стали.
±20о
Для получения стабильной аустенитой структуры и высоких свойств стали проводят ее термическую обработку, которая заключается в аустенитизации стали и ее последующем старении. Оптимальным режимом термической обработки заявленной стали является аустенитизация стали при температуре 1140±20°C и старение в течение 10-12 часов при температуре 650°C. При температуре аустенитизации 1140С перед старением у этой стали достигается оптимальное соотношение между растворением карбонитридных фаз и размером зерна. В случае температуры аустенитизации ниже 1120°С последующее старение при 650°C не позволяет получить предел текучести стали более 800 МПа. Это связано с недостаточной степенью растворения карбонитридов ванадия при нагреве под закалку и, соответственно, недостаточным пересыщением γ-твердого раствора углеродом, азотом и ванадием, необходимым для образования в процессе старения при температуре 650°C дисперсных частиц карбонитридов ванадия с объемной долей 0,6-1,0%.
Влияние длительности старения на механические свойства заявленной стали представлены в таблице 2. При уменьшении продолжительности старения от оптимальной длительности 10 часов происходит снижение прочностных характеристик стали; при этом значения пластичности незначительно увеличивается, ударная вязкость также повышается.
Представленная таблица химического состава показывает, что составы №1-3 имеют аустенитную структуру стали, обеспечивающую стабильно низкую характеристику магнитной проницаемости µ<1,005 Гс/Э.
Результаты оценки механических свойств после аустенитизации и после старения показывают следующее:
1. Составы 1, 2 и 3, определяющие базовый состав заявляемой стали, обеспечивают после старения при 650°C сочетание высокой прочности и пластичности при магнитной проницаемости µ<1,01 Гс/Э.
2. При рассмотрении свойств стали-прототипа необходимо отметить, что при легировании по нижнему пределу она имеет магнитную проницаемость µ=1,10-1,20 Гс/Э, т.е. сталь не является полностью немагнитной.
Таблица 2
Механические свойства заявляемой стали и прототипа после различной длительности старения при 650°C
Состав стали
Длительность старения, ч
σ<sub>0,2</sub>
σ<sub>в</sub>
Ψ
KCV
MПа
%
Дж/см<sup>2</sup>
Заявляемый (средние значения по составам 1, 2, 3)
4
650
870
65,5
135
6
790
920
64,0
120
8
905
1005
62,8
115
10
970
1055
61,4
111
Прототип
4
495
720
66,0
102
6
670
880
62,4
85
8
770
945
52,4
65
10
805
995
49,0
58
Приведенные значения механических характеристик свидетельствуют о существенно большем сопротивлении охрупчиванию при старении у стали заявляемого состава по сравнению со сталью-прототипом.
Таблица 3
Механические свойства (средние значения) и магнитная проницаемость стали после аустенитизации при 1120-1150°C и оптимальном режиме старения 650°C (10-12 часов)
Составы
После старения
σ<sub>0,2</sub>, МПa
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
Ψ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
µ, Гс/Э
1
845
1010
23,0
62,2
118
≤1,01
2
850
1020
22,0
61,4
ПО
≤1,01
3
970
1140
21,8
60,2
106
≤1,01
Прототип
805
995
20,8
49,0
58
1,10-5-1,20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник в трех томах. Издание третье, переработанное и дополненное. Под ред. М.Л.Берштейна и А.Г.Рахштадта. Том II. Основы термической обработки. М., Металлургия, 1983 - аналог.
2. Патент РФ №1813119, кл. C22C 38/16, 28.05.1991 - прототип.