ВЫСОКОПРОЧНАЯ НЕМАГНИТНАЯ КОМПОЗИЦИОННАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH NONMAGMETIC COMPOSITION STEEL

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, специальном судостроении, приборостроении и для создания высокоэффективной буровой техники.
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. С22С 38/58, опубл. 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.
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 4,5,0-9,0, 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]+l,5[Mo]+0,48[Si]+2,3[V]+l,75[Nb]=0,70-0,90,
где [N], [С], [Si], [Mn], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [Nb] - концентрация 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°С с обжатием 50-80% и последующим охлаждением в воде до комнатной температуры.
Сталь обладает мелкозернистой аустенитной структурой после закалки в воде от температуры 1030-1070°С (Патент РФ №2205889, М. кл. С22С 38/58, опубл. 06.10.2003, прототип).
Недостатком указанной стали являются недостаточно высокие характеристики пластичности и вязкости стали, так как наличие сильных карбидо- и нитридообразующих элементов ниобия и ванадия приведет к выделению крупноразмерных как карбидов, так и нитридов ниобия и ванадия по границам аустенитного зерна при затвердевании стали, что снизит характеристики пластичности и вязкости.
Задачей, решаемой изобретением, является получение стали, обладающей повышенными прочностными свойствами с высокими показателями пластичности и вязкости.
Указанная задача решается тем, что высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая композитная сталь, включающая углерод, кремний, марганец, хром, никель, азот, ниобий, молибден, ванадий, железо, дополнительно содержит нитрид циркония 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
Ванадий
0,10-0,55
Ниобий
0,03-0,30
Азот
0,4-0,7
Нитрид циркония
0,03-1,00
Железо и примеси
остальное
Сталь содержит нитрид циркония в виде частиц с наноразмерной дисперсностью.
Введение в состав стали мелкодисперсных нитридов циркония с наноразмерной дисперсностью позволит образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме металла.
В процессе затвердевания стали химически стойкие частицы нитрида циркония, находясь в высокоазотистом расплаве обладают повышенной устойчивостью к диссоциации и будут являться инокуляторами, центрами кристаллизации аустенитных зерен, что существенно измельчит первичное аустенитное зерно, увеличит площадь границ аустенитных зерен, а также увеличит скорость затвердевания отливок. Это существенно уменьшит количество и увеличит дисперсность карбидов и нитридов ванадия и ниобия, выпадающих по границам аустенитных зерен, что в конечном счете приведет к увеличению прочностных свойств и одновременно показателей пластичности и вязкости.
При содержании в стали мелкодисперсных нитридов циркония в количестве меньшем 0,03 мас.% не происходит увеличения прочностных свойств, так как не происходит достаточного измельчения зерна и стабилизации границ зерен.
При содержании нитридов циркония более 1,00 мас.% происходит ухудшение характеристик пластичности и вязкости, так как нитриды циркония начинают выделяться в избыточном количестве по границам зерен.
Таким образом, техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств стали при одновременном повышении показателей пластичности и вязкости.
Пример.
Выплавку стали производили в открытой основной индукционной печи вместимостью 160 кг методом сплавления нержавеющих азотсодержащих отходов и чистых ферросплавов. Азот вводили в состав стали азотированными отходами и азотированными ферросплавами хрома и марганца.
Нитрид циркония получали методом СВС в режиме фильтрационного горения. После азотирования спек нитрида циркония дробили и измельчали до фракции менее 100 нм в шаровой мельнице в течение 5 минут. Нитрид циркония вводили в металлических капсулах на струю металла при выпуске плавки в ковш. Металл разливали сверху в слитки массой 130 кг диаметром 150 мм. Слитки нагревали в газовой печи до температуры 1175-1220°С и ковали при температуре не ниже 1050°С на прутки сечением 70×70 мм. Из прутков изготавливали продольные образцы на растяжение и ударный изгиб, которые подвергали термообработке закалкой в воду с 1050°С.
Структуру металла изучали на металлографическом микроскопе Неофот-2.
Фазовый состав стали определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.
Механические испытания на растяжение по ГОСТ 1497-80 проводили на универсальной испытательной машине Тип 1958у-10, а испытания на ударный изгиб - на копре КМ-30 по ГОСТ 9454-80.
Результаты химического анализа предлагаемой стали приведены в табл.1.
Результаты испытаний представлены в табл.2.
По результатам испытаний видно, что предлагаемая сталь обладает более высокими прочностными показателями при повышенных характеристиках пластичности и вязкости, что приведет к повышению долговечности изделий из этого металла.
Таблица 1.
Химический состав стали
Плавка
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
Nb
Са
N
ZrN
S
P
Fe и примеси
1
0,04
0,10
5,0
19,0
4,0
0,5
0,10
0,03
-
0,4
0,03
0,006
0,018
Ост.
2
0,09
0,30
10,0
20,5
8,0
0,9
0,35
0,10
-
0,55
0,50
0,007
0,019
Ост.
3
0,12
0,58
11,8
21,0
8,9
1,5
0,55
0,30
-
0,69
1,00
0,011
0,020
Ост.
4
0,08
0,25
11,2
20,3
8,73
0,87
0,40
0,20
-
0,57
0,02
0,009
0,17
Ост.
5
0,04
0,40
11,0
19,6
8,5
1,0
0,45
0,15
-
0,70
1,1
0,006
0,018
Ост.
6 прототип
0,4
0,26
11,7
19,9
5,6
1,5
0,37
0,27
0,006
0,51
-
0,004
0,017
Ост.
Таблица 2
Механические свойства и магнитная проницаемость стали
Плавка
σ<sub>B,</sub> МПа
σ<sub>0,2,</sub> МПа
δ, %
ψ, %
KCU, МДж/м<sup>2</sup>
µ, Гс/Э
1
1170
1132
59
78
4,3
1,001
2
1180
1150
53
75
3,8
1,002
3
1200
1160
50
75
3,1
1,001
4
900
850
50
68
1,2
1,004
5
1180
1100
35
50
1,0
1,005
6 прототип
1040
848
32
55
2,2
1,005