ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩАЯ СТАЛЬ (ВАРИАНТЫ) И ИЗДЕЛИЕ ИЗ СТАЛИ (ВАРИАНТЫ)
PRECIPITATION HARDENING STEEL (VERSIONS) AND ITEM OUT OF STEEL (VERSIONS)

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к изделиям из стали преимущественно мартенситной структуры, которая предназначена для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.
Известна сталь следующего состава, мас.%:
Углерод
0,06-0,08,
Хром
13,5-15,3,
Никель
8,5-9,5,
Алюминий
0,7-1,0,
Марганец
0,3-0,8,
Ванадий
0,05-0,1,
Лантан
0,05-0,1,
Железо
Остальное
(См. SU №836193, 07.06.1981 г., 3 С22С 38/46).
Из уровня техники также известна дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, кремний, хром, никель, кобальт, молибден, ванадий, ниобий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам, церий, лантан, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,12-0,19,
Кремний
0,1-0,6,
Марганец
0,1-0,6,
Хром
14-15,
Никель
2,3-3,3,
Кобальт
1,0-4,0,
Молибден
1,5-2,3,
Ванадий
0,1-0,2,
Вольфрам
0,5-0,8,
Ниобий
0,06-0,12,
Церий
0,005-0,05,
Лантан
0,005-0,05,
Кальций
0,005-0,05,
Азот
0,05-0,1,
Железо
Остальное
(RU 2296177 C1, 27.03.2007, МПК С22С 38/52 (2006.01)).
7
Из уровня техники также известна высокопрочная сталь и изделие из нее. Нержавеющая сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: С 0,01-0,07; Mn 0,3-1,8; Si до 1,0; Cr 14-18; Ni 2,0-5,0; Cu 1,0-4,0; Nb 0,01-1,0; N 0,01-0,12; Al+Ti 0,01-2; Fe и сопутствующие примеси - остальное. По меньшей мере, один из компонентов: алюминий, титан, образует интерметаллидные соединения с никелем. Дальнейшее повышение прочностных свойств и коррозионной стойкости стали достигается введением бора (RU 2263155 C1, 27.10.2005, МПК  С22С 38/50, С22С 38/54, С22С 38/58).
Недостаток известных сталей, а также изделий из них состоит в недостаточном сочетании прочности и пластичности, нестабильности структуры стали, в результате чего со временем при эксплуатации механические свойства изделия из стали могут ухудшаться.
Задачей, решаемой изобретением, является создание дисперсионно-твердеющей стали и изделия из нее, обладающего повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации.
Указанная задача в части первого варианта стали решается за счет того, что дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, никель, железо и примеси, согласно изобретению, дополнительно содержит, по крайней мере, один из элементов: медь, ванадий, ниобий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод (С)
≤0,15,
Никель (Ni)
2,5÷9,0,
по крайней мере, один из
0,01÷4,5,
элементов: медь, ванадий,
ниобий (в сумме)
железо и примеси
Остальное
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
эф
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni,  - содержание ванадия, оставшегося после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С>0 - содержание ниобия, оставшегося после образования карбидов.
Указанная задача в части первого варианта изделия из дисперсионно-твердеющей стали решается за счет того, что изделие, согласно изобретению выполнено из стали по п.1 в виде вала, например погружного электродвигателя или гидрозащиты.
Указанная задача в части второго варианта стали решается за счет того, что дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, никель, хром, железо и примеси, согласно изобретению, дополнительно содержит, по крайней мере, один из элементов: медь, ванадий, ниобий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод ©
≤0,15,
Хром (Cr)
11,5÷17,0,
Никель (Ni)
2,5÷9,0,
По крайней мере, один из
0,01÷4,5,
элементов: медь, ванадий,
ниобий (в сумме)
железо и примеси
Остальное
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
св
1
2
эф
эф
эф
cв.
1
2
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni, и Ni+30·C+0,3·Сu=К-К·(Cr+V+Nb), где  - содержание ванадия, оставшегося после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·C>0 - содержание ниобия, оставшегося после образования карбидов, C=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшегося после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5±2,0; K=0,68±0,1 - эмпирически определенные коэффициенты, ограничивающие содержание в стали меди, ниобия и ванадия в зависимости от содержания никеля и хрома и обеспечивающие мартенситную структуру.
Указанная задача в части третьего варианта дисперсионно-твердеющей стали решается за счет того, что дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, никель, хром, кремний, марганец, алюминий, титан, бор, кальций, церий, азот, серу, фосфор, железо и примеси, согласно изобретению, дополнительно содержит, по крайней мере, один из элементов: медь, ванадий, ниобий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод (С)
≤0,15,
Хром (Cr)
11,5÷17,0,
Никель (Ni)
2,5÷9,0,
Кремний (Si)
0,2÷1,0,
Марганец (Mn)
0,2÷3,0,
Молибден (Мо)
0,01÷5,0,
Алюминий (Al) и титан (Ti)
в сумме 0,001÷0,9,
Бор (В)
≤0,01,
Кальций (Са)
≤0,02,
Церий (Се)
≤0,02,
Сера (S)
≤0,03,
Фосфор (Р)
≤0,03,
Азот (N)
0,005÷0,15,
по крайней мере, один из
элементов: медь (Cu),
ванадий (V), ниобий (Nb) (в
сумме)
0,01÷4,5,
железо и примеси
Остальное
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
св
1
2
эф
эф
эф
св.
1
2
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni, и Ni+30·C+0,3·Сu=K-K·(Cr+Mo+V+Nb), где  - содержание ванадия, оставшегося после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·C>0 - содержание ниобия, оставшегося после образования карбидов, С=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшегося после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5±2,0; K=0,68±0,1 - эмпирически определенные коэффициенты, ограничивающие содержание в стали меди, ниобия и ванадия в зависимости от содержания никеля и хрома и обеспечивающие мартенситную структуру.
Сталь может дополнительно содержать, по крайней мере, один из следующих дополнительных компонентов: барий, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, тантал, причем каждый дополнительный компонент может содержаться в количестве 0,001÷0,1 мас.%.
Сталь может дополнительно содержать кобальт в количестве не более 5 мас.%.
Указанная задача в части второго варианта изделия из дисперсионно-твердеющей стали решается за счет того, что изделие, согласно изобретению выполнено из любого из вышеприведенных двух вариантов состава стали в виде вала, например, погружного насоса, газосепаратора или гидрозащиты.
Техническим результатом является дисперсионно-твердеющая сталь и изделие из нее, обладающее повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации за счет оптимально подобранных соотношений компонентов стали и, как следствие, оптимального использования механизмов дисперсионного упрочнения стали.
Упрочнение, происходящее при дисперсионном твердении, связано:
- с карбидным и интерметаллидным упрочнением (фазовое старение),
- с твердорастворным упрочнением, учитывая зонное старение,
- с упрочнением, связанным с перераспределением дислокации (упрочнение, связанное с искажением кристаллической решетки),
- с изменениями, связанными с горофильными добавками.
Следует отметить, что при дисперсионном твердении происходит растворение фаз (в том числе и карбидных) за счет перехода атомов из нестабильных в стабильные фазы, что не позволяет четко определить равновесные концентрации компонентов.
Важным акцентом, внесенным в данное изобретение, является подбор легирующих элементов, их соотношений, а также эмпирически подобранных вариантов их взаимодополняемости, связанной с тем, что, например, ниобий и ванадий являются сильными карбидообразующими элементами, а никель, медь увеличивают коэффициент термодинамической активности углерода, затрудняя карбидообразование. При этом указанные элементы могут образовывать устойчивые интерметаллидные фазы, а также вносить вклад в упрочнение за счет, например, зон ГП - «предвестников» образующихся фаз. Также учитывался тот факт, что интерметаллидные фазы имеют более низкую температуру растворимости, а соответственно, меньшую способность к коагуляции. При этом легирующие компоненты и их соотношения, заданные за счет специально введенных эмпирических формул, определяют получаемую мартенситную структуру, дисперсно-упрочненную карбидами и интерметаллидами.
Карбиды ванадия и ниобия выделяются равномерно по объему зерна, препятствуют движению дислокации и, таким образом, придают повышенную прочность стали.
Степень карбидного упрочнения определяется содержанием углерода в стали. С увеличением содержания углерода растет степень упрочнения стали, но одновременно ухудшаются пластические свойства и ударная вязкость. Превышение содержания углерода более 0,15 мас.% приведет к значительному снижению пластичности и ударной вязкости, что является неблагоприятным для условий работы изделий при динамических нагрузках.
Для изделий, эксплуатирующихся в условиях значительных динамических нагрузок, необходимо получить высокую пластичность и ударную вязкость стали. В этом случае стремятся к минимальному содержанию углерода в стали, которое определяется конкретными условиями металлургического процесса выплавки стали.
В сталях образуются карбиды типа NbC, VC в соотношениях Nb=7,8·С, V=4,2·С, по которым можно определить количество Nb и V, связанных в карбидах.
3
3
3
Дисперсионное упрочнение происходит в мартенситной структуре стали также в результате выделения интерметаллидов типа NiCu, NiV, NiNb в процессе термической обработки («старения»).
Степень упрочнения стали при дисперсионном старении будет определяться количеством выделившейся интерметаллидной фазы.
С точки зрения увеличения упрочнения стали необходимо стремиться ввести большее количество Cu, Nb и V. При избыточном легировании Cu, Nb и V эти элементы будут находиться в свободном виде. В этом случае может наблюдаться снижение пластических свойств, особенно ударной вязкости.
эф
эф
эф
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni, где  - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С>0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов.
Эмпирически подобранные концентрации компонентов связаны и с тем фактом, что чрезмерное легирование, например, одним ванадием приведет к резкому охрупчиванию стали при ее работе. Это также касается и ниобия, нельзя допустить образование большого количества ниобата железа.
Указанное выше выражение ограничивает предельное содержание в стали Cu, Nb и V в зависимости от содержания Ni, и, как следствие, ограничивает их содержание.
Содержание никеля определяется из условий достижения требуемого сочетания прочности и пластичности стали. При повышении содержания никеля можно ввести в сталь больше количества меди, ниобия и ванадия, тем самым получив высокую прочность.
При содержании никеля более 9 мас.% и суммарного содержания меди, ванадия, ниобия более 4,5 мас.% сталь приобретет высокую прочность, но пониженную пластичность и ударную вязкость.
При содержании никеля менее 2,5 мас.% железо-никелевый состав стали претерпевает фазовые изменения, переходя из мартенситного состояния в ферритную фазу. В этом случае происходит значительное снижение прочности стали.
В случае эксплуатации изделий в агрессивных средах сталь должна обладать коррозионной стойкостью. Для этого в сталь вводится хром в количестве не менее 11,5 мас.%. С повышением содержания хрома коррозионные свойства стали повышаются. При содержании хрома более 17,5 мас.% получение мартенситной структуры становится невозможным, сталь переходит в двухфазное аустенитно-ферритное состояние с пониженной прочностью.
Для обеспечения мартенситной структуры ограничивают предельное содержание в стали Cu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Cr, то есть обеспечивают выполнение следующих соотношений легирующих элементов:
св
1
2
эф
эф
эф
св.
1
2
Ni+30·C+0,3·Сu=К-К·(Cr+V+Nb), где  - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·C>0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, С=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5±2,0; K=0,68±0,1, - коэффициенты, определенные эмпирическим путем, мас.%, введенные для ограничения пределов содержания в стали Cu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Cr для обеспечения мартенситной структуры стали.
3
С целью повышения прочности стали в нее дополнительно вводят Al и Ti, которые образуют, дополнительно, интерметаллиды типа Ni (Al; Ti).
При содержании Аl и Ti в сумме менее 0,001 мас.% прочностные свойства стали будут снижаться, с повышением концентрации Аl и Ti прочностные свойства возрастают, при этом снижается ударная вязкость стали.
При содержании Аl и Ti в сумме более 0,9 мас.% массы ударная вязкость будет иметь неудовлетворительно низкое значение. Сталь будет невозможно использовать в изделиях, работающих при значительных динамических нагрузках.
Молибден вводится в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, а также для предотвращения отпускной хрупкости 2 рода, которая наблюдается при медленном охлаждении стали в процессе термообработки при температурах около 500°С.
Допускается замена молибдена вольфрамом из расчета три весовых части вольфрама на одну весовую часть молибдена. В этом смысле эти элементы эквивалентны.
Введение в сталь бора в количестве менее 0,010 мас.% способствует некоторому улучшению ударной вязкости за счет очищения границ зерен от вредных примесей. Легирование стали бором в количестве более 0,010 мас.% может привести к ухудшению пластических свойств.
Для улучшения обрабатываемости стали режущим инструментом дополнительно вводится кальций и церий в количестве не более 0,02 мас.% каждого элемента.
Введение в сталь азота способствует образованию более сложных карбонитридов ниобия, ванадия и способствует дополнительному приросту прочности.
Содержание азота менее 0,005 мас.% практического влияния на образование карбонитридов не оказывает.
При содержании азота более 0,15 мас.% возникает повышенное количество неметаллических включений нитридов алюминия, титана и др., приводящее к снижению ударной вязкости.
Сера и фосфор - вредные примеси в стали. Их содержание в стали стараются понизить до технологически приемлемого уровня 0,03 мас.%.
Марганец и кремний в пределах от 0,2 мас.% до 1,0 мас.% каждый используются в качестве технологических добавок для раскисления стали, причем марганец в пределах от 0,2 мас.% до 3,0 мас.% используется не только для раскисления, но и для улучшения физических свойств стали, таких как ударная вязкость и твердость. При содержании марганца более 3,0 мас.% недопустимо снижается ударная вязкость.
Пример.
Сталь выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 1,15 т. Слитки прокатывались на блюминге на заготовки квадрат 100 мм. Заготовки прокатывались на мелкосортном стане на прутки диаметром 20 мм и длиной 5400 мм.
Прутки подвергались термической обработке по режиму: нагрев до 600°С, выдержка четыре часа с последующим охлаждением на воздухе.
На готовых прутках определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-84, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде проводили по методике стандарта NACE ТМ 0177-96 (США). Образец помещался в среду водного раствора сероводорода и к нему прикладывалось растягивающее усилие, которое создавало напряжение в металле, равное 70% от предела текучести стали. Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде определялась как время, прошедшее с начала испытаний до полного разрушения образца. Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 2
Механические и коррозионные свойства стали
Свойства
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Предел текучести, кг/мм<sup>2</sup>
120
115
130
70
100
125
120
127
90
88
130
100
140
130
92
Временное сопротивление разрыву
128
125
135
85
110
132
130
134
98
95
136
120
145
140
98
Относительное сужение, %
58
59
55
65
60
56
58
55
55
48
54
55
51
52
55
Относительное удлинение, %
14
15
11
18
16
13
14
12
12
9
12
13
10
10
12
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
110
90
60
180
100
100
95
70
80
70
90
90
80
80
80
Коррозионная стойкость стали под напряжением, ч
880
880
880
930
800
920
900
1000
1000
930
Химический состав стали плавки №1, 2 и 5 соответствует первому варианту формулы изобретения, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали плавки №3 имеет повышенное содержание углерода, ударная вязкость пониженная. Состав стали плавки №4 имеет пониженное содержание никеля, низкие прочностные свойства.
Состав стали плавки №6 и 7 соответствует второму варианту формулы изобретения, сталь имеет удовлетворительные механические и коррозионные характеристики. Состав стали плавки №8 имеет избыточное содержание Cu, V, Nb, и, как следствие, пониженное значение ударной вязкости. Состав стали плавки №9 - повышенное содержание никеля, что в совокупности с другими элементами приводит к нарушению выполнения соотношений, указанных в формуле и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам стали из-за избыточного содержания аустенита. Состав стали плавки №10 - содержание никеля ниже расчетного по формуле, сталь имеет низкие прочностные свойства и ударную вязкость.
Состав стали плавок №11 и 12 соответствует третьему варианту формулы изобретения, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали плавок №13 и 14 соответствуют третьему варианту формулы изобретения, за счет повышенного содержания Al и Ti имеет более высокую прочность, повышенное содержание Мо обеспечивает лучшую коррозионную стойкость. Состав стали плавки №15 - повышенное содержание никеля и хрома, что в совокупности с другими элементами превышает допустимое ограничение соотношения, указанного в третьем варианте формулы и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам стали из-за избыточного содержания аустенита.
Составы стали плавок №1, 2, 5÷7, 11÷14 соответствуют изобретению.