НЕРЖАВЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ ЛИТАЯ СТАЛЬ, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
STAINLESS AUSTENITIC CAST STEEL, METHOD OF PRODUCTION AND USE THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к нержавеющей аустенитной литой стали, к способу ее получения и к ее применению.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нержавеющие аустенитные стальные литьевые сплавы, имеющиеся в продаже, после диффузионного отжига в виде фасонного литья обнаруживают пределы прочности при растяжении от 440 до 640 МПа и относительное удлинение при разрыве более 20% [1, 2].
Нержавеющие аустенитные стальные литьевые сплавы не легированы алюминием и, как правило, содержат кремний в количестве примерно 1%. За счет алюминия и более высокого содержания кремния оказывается негативное влияние на степень чистоты литой стали, если не предотвращается контакт расплава стали с кислородом в металлургическом производственном процессе. По этой причине содержание алюминия и кремния в нержавеющих аустенитных стальных литьевых сплавах минимизируется или ограничивается.
Стандартная нержавеющая аустенитная литая сталь, имеющаяся в продаже, как правило, содержит d-феррит в количестве 5-10%. За счет добавления δ-феррита обеспечивается увеличение 0,2%-ного предела прочности при растяжении и прочности на разрыв и снижение относительного удлинения при разрыве по сравнению с чисто аустенитной структурой. Для создания аустенитно-ферритной структуры за счет химического состава литой стали обеспечиваются определенный хромовый и никелевый эквиваленты. За счет малого содержания d-феррита изменяется структура после затвердевания. Уменьшается образование нежелательных продуктов ликвации, которые скапливаются на границах зерен, что положительно влияет на чувствительность к «горячему разрыву».
Как правило, содержание хрома в нержавеющей аустенитной литой стали составляет примерно 19%. Кроме того, сталь часто легируют молибденом в количестве 2-3%. Присутствие молибдена и хрома приводит к образованию пассивирующего защитного слоя, за счет чего повышается устойчивость к коррозии, особенно под действием галогенидов. Это также способствует образованию феррита. Содержание никеля в нержавеющей аустенитной литой стали составляет примерно 10%, а содержание углерода - около 0,03% [1-3, 6]. За счет изменения химического состава удается получить стальные литьевые сплавы, отличающиеся особыми свойствами. Так, в заявке на изобретение [7] описана нержавеющая литая сталь, обладающая высокой устойчивостью к образованию трещин при вибрациях и высокой устойчивостью к питтинговой коррозии.
ПНП-эффект (пластичность, наведенная превращением) в аустенитных литьевых стальных сплавах до сих пор не исследован, в отличие от аустенитных сталей. До сих пор отсутствуют прикладные задачи, в которых использовался бы ПНП-эффект в аустенитной литой стали. Причина этого, по-видимому, состоит в том, что аустенитная литая сталь не подвергается холодному формованию, и изготовленные из нее детали используются в форме отливок. Поэтому технически невозможно использовать ПНП-эффект в литьевых сплавах, в отличие от деформируемых сплавов, для повышения возможностей холодного формования. В литературе до сих пор не имеется данных о возникновении ПНП-эффекта в аустенитных литьевых стальных сплавах. Это связано, главным образом, с тем, что отсутствует количественная оценка ПНП-эффекта в форме суммарной пластической деформации.
Легкие аустенитные строительные стали, которые обнаруживают ПНП-эффект при комнатной температуре и могут быть легированы, среди прочего, алюминием и кремнием, используются в ковких сплавах в различных отраслях промышленности.
При этом речь идет как о нержавеющих аустенитных сталях, так и о непассивированных сталях, например о легких аустенитных строительных сталях с высоким содержанием марганца. Вследствие ПНП-эффекта эти стали отличаются высокой способностью к холодному формованию [4, 5].
Аустенитные стали с высоким содержанием марганца, как правило, содержат хром в количестве менее 12%, поэтому они не являются нержавеющими. В этих сталях на поверхности образуются слои оксидов, содержащих железо, и материал ржавеет. Если в этих слоях ржавчины содержатся оксиды алюминия и кремния, то сопротивление коррозии увеличивается. В Патентном описании DE 19900199 описана такая высокопрочная легкая строительная сталь, содержащая марганец. Концентрации легирующих элементов - алюминия, кремния, никеля, марганца и азота - сходны с их концентрациями в литых сталях согласно настоящему изобретению. Такая сталь содержит, в отличие от стали согласно настоящему изобретению, хром в количестве менее 10% и поэтому не является нержавеющей сталью. Кроме того, эта сталь не используется в форме литья, заготовки из нее формуют с получением деталей кузовов автомобилей и арматуры для предварительно напряженного железобетона.
Заготовки, полученные путем горячей прокатки или холодной прокатки, служат исходным материалом для изготовления деталей посредством холодного формования. ПНП-эффект в аустенитных деформируемых сплавах регулируется за счет изменения химического состава аустенита и условий формования [5].
К сожалению, на современном уровне техники ПНП-эффект, известный для аустенитных деформируемых сплавов, по-прежнему не используется для улучшения свойств литой стали.
Процитированная литература:
[1] DIN EN 10213.
[2] DIN EN 10283.
[3] Konstruieren und Giessen 29 92004 I, S.27-55.
[4] Bander, Bleche Rohre 5/2006, s.30-31.
[5] ATZ 1/2005, Jahrgang 107, s.68-72.
[6] SEW 410.
[7] Offenlegungsschnft DE 3306104 A1.
[8] High Nitrogen Steels, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, в основе изобретения, описанного в независимых пунктах формулы изобретения, лежит задача получения и применения для технических целей нержавеющей аустенитной литой стали со значениями предела прочности при растяжении более 550 МПа и со значениями относительного удлинения при разрыве более 30%.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
Эта задача решена посредством настоящего изобретения за счет того, что получена нержавеющая аустенитная литая сталь с содержанием алюминия в диапазоне выше 0 до менее или равно 4% и с содержанием кремния в диапазоне от 0 до 4%, более предпочтительно от 1 до 4%, со значениями предела прочности при растяжении более 550 МПа и со значениями удлинения при разрыве более 30%, относящаяся к диапазону сплавов, определенному координатами четырех точек (Cr=14; Ni=8), (Cr=14; Ni=14), (Cr=22; Ni=8) и (Cr=22; Ni=16), где хромовый и никелевый эквиваленты рассчитывают, исходя из химического состава литой стали, с использованием соотношений (1) и (2):
эквив.
Cr= % Cr + % Mo + 1,5% Si + 0,5% W + 0,9% Nb + 4% Al + 4% Ti + 1,5% V + 0,9% Ta (1);
эквив.
Ni= % Ni + 30% C + 18% N + 0,5% Mn + 0,3% Co + 0,2% Cu - 0,2% Al (2),
причем указанные данные следует подставлять в массовых процентах, а остаток состоит преимущественно из железа и других сопутствующих элементов, содержащихся в литой стали, например из О, Р, S; и эта литая сталь под нагрузкой обнаруживает ПНП-эффект.
Неожиданно удалось обнаружить, что в аустенитных литьевых стальных сплавах согласно настоящему изобретению, содержащих алюминий и легированных кремнием, в испытании на растяжение происходит наведенное деформацией образование мартенсита при комнатной температуре и при низких температурах. Это образование мартенсита обуславливает ПНП-эффект. Вследствие ПНП-эффекта повышаются предел прочности при растяжении и удлинение при разрыве и улучшается относительное сужение.
Преимущества аустенитных литьевых стальных сплавов согласно настоящему изобретению состоят в повышении предела прочности при растяжении и удлинении при разрыве. Это означает, что за счет ПНП-эффекта литая сталь становится более прочной и одновременно более вязкой. Поэтому она, будучи под нагрузкой, может воспринимать большие силы и сильнее деформироваться без образования трещин. В результате этого расширяется область применения литьевых стальных сплавов с ПНП-эффектом. Прежде всего, полученные из таких сплавов облегченные конструкции обеспечивают экономию энергии и материалов. В случае литой стали согласно настоящему изобретению достигнуты значения предела прочности при растяжении более 550 МПа и значения удлинения при разрыве более 30%. Поэтому детали, отлитые из литой стали, могут обладать определенным уровнем дополнительной ударной прочности. Это означает, что литая сталь отливается и без приложения к ней растягивающего усилия встраивается в соответствующее устройство. Если же происходит удар или возникает большая нагрузка, деталь может обнаружить высокие значения предела прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве из-за потенциальной возможности продемонстрировать ПНП-эффект.
В случае аустенитных литьевых стальных сплавов на ПНП-эффект можно влиять изменением химического состава аустенита. Кроме того, необходимо отрегулировать содержание элементов, стабилизирующих аустенитную и ферритную структуру. Тем не менее, аустенитная структура литой стали и структура пластически деформированных аустенитных деформируемых сплавов различаются и при одинаковом химическом составе. Во-первых, аустенитные структуры отливок обнаруживают ликвацию, обусловленную кристаллизацией, которая сохраняется во время технических охлаждений. Во-вторых, дендритная кристаллизация влияет на структуру дефектов аустенита. При одновременном присутствии в литой нержавеющей стали аустенита и феррита во время охлаждения возникают внутренние напряжения. Кроме того, в высокотемпературной области происходит ликвация легирующих элементов. При этом элементы, стабилизирующие аустенит, преимущественно концентрируются в аустените. Одновременно аустенит обедняется элементами, стабилизирующими феррит. Влияние, оказываемое вышеуказанными факторами на ПНП-эффект в литьевых стальных сплавах, еще неизвестно.
Для возникновения мартенсита, наведенного деформацией, и, соответственно, ПНП-эффекта структура отливки из материала согласно настоящему изобретению должна состоять из метастабильного аустенита. За счет этого аустенит обладает соответствующей склонностью к образованию мартенсита, наведенного деформацией, при комнатной температуре и при низких температурах. Для получения такого аустенита в литой аустенитной стали обеспечивают соответствующие хромовый и никелевый эквиваленты. Это значит, что в химическом составе сталей должно быть подобрано определенное соотношение ферритстабилизирующих и аустенитстабилизирующих элементов, которое указано в формуле изобретение. Устанавливаемые хромовые и никелевые эквиваленты для аустенитной литой стали с ПНП-эффектом отличаются от хромового и никелевого эквивалентов для аустенитных деформируемых сплавов с ПНП-эффектом.
Никель и/или марганец добавляют к аустенитной литой стали для того, чтобы аустенит образовывался при высоких температурах. При этом марганец используется в качестве элемента-заменителя никеля благодаря его более низкой цене. С этим, как правило, связано снижение устойчивости к коррозии. При определенных условиях этот негативный эффект можно компенсировать добавлением азота. При добавлении азота улучшаются прочностные и коррозионные свойства [8] и одновременно обеспечивается стабилизация аустенитной структуры. Содержание хрома в литой стали согласно настоящему изобретению лежит в диапазоне от 12 до 20% и ни в коем случае не может быть ниже 10%. Содержание хрома в стали, превышающее 12%, является гарантией пассивации материала. Кроме того, хром добавляют как ферритстабилизирующий элемент. Одновременно он влияет и на стабильность аустенита, поскольку при повышенном содержании хрома затрудняется образование мартенсита. Для получения ПНП-эффекга в материалах согласно настоящему изобретению при комнатных температурах необходимо согласовать содержания аустенит- и ферритстабилизирующих элементов. В литой стали согласно настоящему изобретению для обеспечения необходимого хромового или никелевого эквивалента используют элементы алюминий и кремний. Влияние алюминия и кремния, растворенных в аустените, на соответствующие эквиваленты при этом описывается на основании действующих факторов. Кроме того, за счет различного содержания алюминия и кремния можно целенаправленно отрегулировать ПНП-эффект за счет растворенного или осажденного состояния нитридов, например AlN. Также вследствие осажденного состояния обеспечивается уменьшение размеров зерна и упрочнение аустенита. За счет мелкодисперсных осадков AlN в мелкодисперсном аустените дополнительно улучшается профиль литой стали в отношении его прочностных и вязкостных свойств. Легкодоступными элементами - кремнием и алюминием - можно заменить в стали более дорогие легирующие элементы, например никель и хром.
3
Нержавеющая аустенитная литая сталь согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит от 0 до 25% марганца, от 12 до 20% хрома (но ни в коем случае не менее 10%), от 0 до 12% никеля, от 0 до 1,2% ниобия, от 0 до 1,2% тантала, от 0,01 до 0,15% углерода, от 0,005 до 0,5% азота, от 0 до 4% меди, от 0 до 1% кобальта, от 0 до 4% молибдена, от 0 до 3% вольфрама, от 0 до 1% титана и от 0 до 0,15% ванадия. Из-за ПНП-эффекта, который возникает во время растягивающей нагрузки в литой стали согласно настоящему изобретению при комнатной температуре и при низких температурах, улучшаются механические свойства. Так, предел прочности при растяжении повышается до значений, превышающих 550 МПа, а относительное удлинение при разрыве достигает более чем 30%. При комнатной температуре и при низких температурах литая сталь, несмотря на повышенные значения прочности, остается особенно вязкой. Кроме того, литая сталь согласно настоящему изобретению обнаруживает высокую способность к абсорбции энергии при комнатной температуре и при низких температурах. Способность к поглощению энергии при комнатной температуре у этих сплавов лежит в диапазоне от примерно 0,30 до 0,40 Дж/мм. Это означает, что при ударной нагрузке, например, в случае столкновения литая сталь упрочняется и одновременно деформируется, но не ломается. Поэтому такая литая сталь особенно хорошо подходит для изготовления деталей автомобилей, подвергающихся ударной нагрузке.
Предпочтительно в литой стали согласно настоящему изобретению содержание марганца составляет 0-25%, содержание хрома - от 12 до 20%, содержание никеля - от 0 до 12%, содержание ниобия - от 0 до 1,2%, содержание тантала - от 0 до 1,2%, содержание углерода - от 0,01 до 0,15%, содержание азота - от 0,005 до 0,5%, содержание меди - от 0 до 4%, содержание кобальта - от 0 до 1%, содержание молибдена - от 0 до 4%, содержание вольфрама - от 0 до 3%, содержание титана - от 0 до 1% и содержание ванадия - от 0 до 0,15%.
Предпочтительно нержавеющая аустенитная литая сталь согласно настоящему изобретению имеет содержание хрома, равное 16,5%, содержание никеля, равное 6,5%, содержание кремния, равное 1,1%, содержание марганца, равное 7%, и содержание алюминия, равное 0,05%. Содержание углерода составляет примерно 0,04%, и содержание азота - примерно 0,1%.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
эквив.
Способ получения литой стали согласно настоящему изобретению включает в себя следующие этапы приготовление сплава с содержанием алюминия от 0 до 4% и с содержанием кремния от 0 до 4%, причем этот сплав приготавливают так, чтобы он относился к диапазону сплавов, определенному координатами четырех точек (Cr=14; Ni=8), (Cr=14; Ni=14), (Cr=22; Ni=8) и (Cr=22; Ni=16), где хромовый и никелевый эквиваленты рассчитаны на основании химического состава сплава, исходя из соотношений (1) и (2):
эквив.
Cr= % Cr + % Ni + 1,5% Si + 0,5% W + 0,9% Nb + 4% Al + 4% Ti + 1,5% V + 0,9% Та (1);
эквив.
Ni= % Ni + 30% С + 18% N + 0,5% Mn + 0,3% Co + 0,2% Cu - 0,2% Al (2),
причем данные следует подставлять в массовых процентах, а остаток состоит преимущественно из железа и других сопутствующих элементов; и заливки литой стали в литьевую форму.
Предпочтительно литая сталь на следующем этапе может быть подвергнута термической обработке.
Более конкретно, сплав, используемый в данном способе, имеет содержание марганца от 0 до 25%, содержание хрома - от 12 до 20%, содержание никеля - от 0 до 12%, содержание ниобия - от 0 до 1,2%, содержание тантала - от 0 до 0,2%, содержание углерода - от 0,01 до 0,15%, содержание азота - от 0,005 до 0,5%, содержание меди - от 0 до 4%, содержание кобальта - от 0 до 1%, содержание молибдена - от 0 до 4%, содержание вольфрама - от 0 до 3%, содержание титана - от 0 до 1% и содержание ванадия - от 0 до 0,15%.
Более конкретно, сплав, используемый в данном способе, имеет содержание марганца от 5 до 12%, содержание никеля - от 2 до 8%, содержание меди - от 0 до 2%, содержание кобальта - от 0 до 0,5%, содержание молибдена - от 0 до 2,5% и/или содержание вольфрама - от 0 до 0,5%.
Задача изобретения также решается за счет литой стали, полученной с использованием способа согласно настоящему изобретению, описанного выше, отличающейся тем, что эта литая сталь обладает пределом прочности при растяжении, превышающим 550 МПа, и относительным удлинением при разрыве, превышающим 30%.
Более конкретно, эта литая сталь обнаруживает под нагрузкой ПНП-эффект.
Способ применения литой стали согласно настоящему изобретению в технике включает в себя следующие стадии: проведение стадий способа получения литой стали, описанных выше; и применение литой стали в технике, причем это применение осуществляется после литья без проведения процесса формования с использованием давления. В контексте настоящего изобретения процессами формования с использованием давления или без снятия стружки являются все процессы формования, которые могут привести к развитию ПНП-эффекта в литой стали в результате механического воздействия. Эти процессы формования, например прокатка, ковка, прессование и т.п, не проводятся, так что литая сталь после того, как она уже введена в применение, по-прежнему обладает потенциальной способностью к развитию ПНП-эффекта, и поэтому в ситуации, связанной с повышенной нагрузкой, обладает резервом в отношении предела прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве. Кроме того, способы обработки литой стали, связанные со снятием стружки и не вызывающие ПНП-эффекта, можно использовать без выхода за рамки изобретения.
Более конкретно, такую литую сталь можно использовать в качестве материала для литых деталей, используемых в машиностроительной и холодильной технике, для производства установок и деталей для получения газов и сжижения и фракционирования газов, для деталей, используемых в автомобильной и авиационной промышленности, для деталей, испытывающих ударные нагрузки, например для коробчатых элементов автомобилей с запрограммированной деформацией («краш-боксов»), для деталей устройств, используемых для транспортировки газов, для деталей, подвергающихся воздействию низких температур, и/или в качестве «стальной пены» для деталей из вспененной стали.
Деталь согласно настоящему изобретению для автомобильной или авиационной промышленности, более конкретно «краш-бокс» (энергопоглощающий элемент пассивной безопасности), А-, В- или С-стойки автомобиля, изготавливают из литой стали, описанной выше.
3
Аустенитная литая сталь при комнатной температуре имеет аустенитную структуру с 5% δ-феррита. Благодаря возникающему в испытании на растяжение ПНП-эффекту достигнуты пределы прочности на разрыв, превышающие 550 МПа, и относительные удлинения при разрыве, превышающие 30%. При температурах ниже комнатной литая сталь остается вязкой, несмотря на повышенные значения прочности. Литая сталь согласно настоящему изобретению обладает способностью к поглощению энергии, составляющей примерно 0,37 Дж/мм.