МАРТЕНСИТНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ ХРОМСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ
MARTENSITE CORROSION-RESISTANT CHROME-CONTAINING STEEL WITH IMPROVED MACHINABILITY

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400-450°C и в слабоагрессивных средах.
Из уровня техники известна коррозионно-стойкая сталь (ГОСТ 5632-72 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные». М.: Изд-во стандартов), содержащая хром, углерод и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - 0,36-0,45;
- хром - 12,00-14,00;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, масс. %:
- кремний - не более 0,80;
- марганец - не более 0,80.
- сера - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,030;
- никель - не более 0,60;
- молибден - не более 0,30;
- медь - не более 0,30;
- титан - не более 0,20;
- ванадий - не более 0,20;
- вольфрам - не более 0,20.
Коррозионно-стойкая сталь обладает высоким сопротивлением коррозии в атмосфере воздуха, паров воды, морской воде, в кислотах, растворах солей и прочих агрессивных средах. Значительная антикоррозионная стойкость коррозионно-стойкой стали обусловлена прежде всего присутствием в ее составе повышенного количества хрома. При воздействии агрессивных сред на поверхности хромсодержащих сталей образуется тончайшая, не различимая глазом, плотная пленка окислов, обладающая свойством надежно защищать сталь от дальнейшего ее разъедания. Установлено, что удовлетворительное защитное действие пленок окислов против дальнейшей коррозии обнаруживается только в том случае, когда в стали имеется не менее 12% хрома. Поэтому коррозионно-стойкие стали всегда содержат более 12% хрома.
Обладая вполне удовлетворительной сопротивляемостью коррозии в атмосфере воздуха, водяного пара, в воде и в ряде кислот, а также в растворах многих солей, хромистые коррозионно-стойкие стали характеризуются наибольшей простотой своего состава и потому находят широкое применение в технике.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- низкая степень чистоты и обрабатываемости поверхности;
- низкий срок службы инструмента;
- высокая вязкость и наклепываемость стали;
- быстрое повышение температуры на контактной поверхности сталь - инструмент.
Кроме того, известна легкообрабатываемая коррозионно-стойкая свинецсодержащая сталь (патент JP 2009013493 «FREE-CUTTING MARTENSITE STAINLESS STEEL», МПК C22C 38/00, C22C 38/60, опубл. 22.01.2009), содержащая углерод, хром, никель, бор, молибден, свинец, теллур, медь и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
- углерод - 0,16-0,40;
- хром - 12,00-14,00;
- никель - 0,01-1,00;
- молибден - 0,01-1,00;
- бор - 0,001-0,003;
- свинец - 0,05-0,30;
- теллур - 0,01-0,05;
- медь - 0,01-1,00;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс. %:
- кремний - не более 1,00;
- марганец - не более 1,25;
- сера - 0,15-0,35.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- сера, способствующая улучшению показателей обрабатываемости стали, негативно воздействует на механические свойства металлопродукции;
- очевидная бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания свинца больше регламентированных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железе приводит к ухудшению механических характеристик и росту их анизотропии, а также способствует усилению красноломкости поверхностного слоя в процессе горячей обработки металла давлением;
- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности и высокой упругости пара, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента;
- во время горячего пластического деформирования стали, содержащей свинец, происходит его диффузия на поверхность заготовки, что приводит к образованию в указанной области капиллярного слоя, ухудшающего условия захвата валками полосы металла вследствие уменьшения коэффициента трения, и снижению производительности прокатного оборудования;
- свинец крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к наивысшему 1 классу опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды;
3
- теллур и его летучие соединения токсичны. ПДК в воздухе регламентируется для различных соединений 0,007-0,01 мг/м. Профессиональные отравления теллуром возможны при выплавке и разливке теллурсодержащих сталей. При этом наблюдаются озноб, головная боль, слабость, частый пульс, отсутствие аппетита, металлический вкус во рту, чесночный запах выдыхаемого воздуха, тошнота, темная окраска языка, раздражение дыхательных путей, потливость, выпадение волос;
- не регламентируется содержание фосфора в стали, что может привести к высокой степени хладноломкости, а значит, ухудшению ее механических свойств;
- содержания таких элементов, как молибден, никель и медь, находятся в широких пределах и будут оказывать отрицательное влияние на механические свойства представленной стали;
Наиболее близкой по существенным признакам к заявляемой стали является мартенситная коррозионно-стойкая хромсодержащая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием (патент ЕР 1918408 А2, МПК С22С 38/24, опубл. 07.05.2008), содержащая углерод, кремний, марганец, серу, хром, свинец, теллур, бор, кислород, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод - 0,10-1,20; кремний - 0,10-2,00; марганец - 0,80-2,00; сера - 0,10-0,30; хром - 10,50-18,00; свинец -0,03-0,30; теллур - 0,01-0,10; бор - 0,0005-0,010; кислород - 0,005-0,030; фосфор - 0,005-0,100; железо - основа. Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс. %: азот - не более 0,050.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- сера и фосфор, способствующие улучшению показателей обрабатываемости стали, негативно воздействуют на механические свойства металлопродукции; неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности и высокой упругости пара, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента;
3
- во время горячего пластического деформирования стали, содержащей свинец, происходит его диффузия на поверхность заготовки, что приводит к образованию в указанной области капиллярного слоя, ухудшающего условия захвата валками полосы металла вследствие уменьшения коэффициента трения, и снижению производительности прокатного оборудования; свинец крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к наивысшему 1 классу опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды; теллур и его летучие соединения токсичны. ПДК в воздухе регламентируется для различных соединений 0,007-0,01 мг/м. Профессиональные отравления теллуром возможны при выплавке и разливке теллурсодержащих сталей. При этом наблюдаются озноб, головная боль, слабость, частый пульс, отсутствие аппетита, металлический вкус во рту, чесночный запах выдыхаемого воздуха, тошнота, темная окраска языка, раздражение дыхательных путей, потливость, выпадение волос; содержания таких элементов, как хром, кремний и марганец находятся в широких пределах, и будут оказывать отрицательное влияние на механические свойства представленной стали; содержания таких элементов, как никель, молибден, медь, титан, ванадий и вольфрам, находятся в не регламентированных пределах и будут оказывать отрицательное влияние на механические свойства представленной стали.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием при сохранении требуемых механических характеристик металла, коррозионной стойкости, способности к свариваемости, равномерному распределению легирующих элементов в матрице, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что мартенситная коррозионно-стойкая хромсодержащая сталь с повышенной обрабатываемостью резанием содержит углерод, кремний, марганец, хром, висмут, кальций, медь, молибден, никель, вольфрам, серу, фосфор и железо, а также алюминий и титан при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод - 0,36-0,45; кремний - 0,20-0,80; марганец - 0,20-0,80; хром - 12,00-14,00; висмут - 0,06-0,13; кальций - 0,002-0,003; алюминий - 0,02-0,04; сера - не более 0,025; фосфор - не более 0,030; никель - не более 0,60; молибден - не более 0,30; медь - не более 0,30; титан - не более 0,20; ванадий - не более 0,20; вольфрам - не более 0,20; железо - остальное.
Применение висмута и кальция для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием, хрома и марганца с целью регулирования образования сульфидов, а также алюминия имеет целый ряд преимуществ.
3
Во-первых, висмут выделяется в чистом виде на границах зерен и не ослабляет положительное влияние на результаты процесса со стороны фосфора и сульфидных включений. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это приводит к улучшению ее обрабатываемости резанием на 13% при сохранении требуемых механических свойств. Во-вторых, висмут равномерно распределяется по сечению слитка. В-третьих, для висмута не характерно явление его массопереноса в зону контакта валков с полосой стали, что улучшает их сцепление и приводит к сокращению времени простоя оборудования, связанного с переналадкой прокатного стана, увеличивая производительность обработки давлением. В-четвертых, применение висмута способствует решению экологических проблем, имеющих место при производстве автоматных сталей. Это связано с тем, что в отличие от свинца, принадлежащего к 1 классу опасности, содержание висмута в атмосфере цеха ограничено среднесменной предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 0,50 мг/м. В-пятых, висмут не снижает антикоррозионную стойкость коррозионно-стойкой стали. В-шестых, кальций является своего рода заменителем алюминия как раскислителя и обеспечивает образование алюминатов кальция в сульфидной оболочке - комплексных оксисульфидных включений, способствует глобуризации сульфидных включений и предупреждает образование микротрещин у остроугольных включений глинозема, оказывающих положительное влияние на обрабатываемость стали. В-седьмых, оптимальное отношение содержания кальция к содержанию алюминию способствует образованию глобулярных, малодеформируемых неметаллических включений.
В-восьмых, оптимальное отношение содержания хрома к содержанию марганца позволяет регулировать оптимальное содержание сульфидов в стали.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания висмута, кремния, марганца, кальция и алюминия, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании висмута меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания висмута по верхнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной свинец- и теллурсодержащей марки;
- увеличение содержания серы и фосфора в стали выше указанных значений приводит к ухудшению ее механических характеристик;
- при содержании висмута, кальция и алюминия в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 13% превышает величину обрабатываемости свинец- и теллурсодержащего аналога; наряду с этим сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Испытания по определению обрабатываемости стали проводили на технической базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ).
Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке одной детали.
В качестве базового уровня принята обрабатываемость резанием мартенситной коррозионно-стойкой стали. Испытания на коррозионную стойкость проводили в концентрированной серной кислоте при температуре 20°С, продолжительностью 720 часов.
Химический состав известной стали марки, принятой за прототип, и предлагаемой стали приведен в таблице 1. Механические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обрабатываемом состоянии (после закалки (1500°С, воздух) и отпуска (600°С, выдержка 3 часа)), а также измеренный уровень механической обрабатываемости представлены в таблице 2.
Образец 1. Известная легкообрабатываемая коррозионно-стойкая свинец- и теллурсодержащая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием. Уровень механической обрабатываемости и показатель коррозионной стойкости были приняты в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров свинца и теллура.
Образец 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности токарной обработки стали, испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Уменьшается производительность горячей обработки металла давлением. Оценка эффективности токарной обработки стали, испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 4. Содержание висмута меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного прототипа. Испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 5. Содержание висмута в стали больше верхнего предела. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с механической обрабатываемостью прототипа. Испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 6. Содержание серы, фосфора, никеля и меди находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, установленных требованиями для свинец- и теллурсодержащего аналога. Испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 7. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за нижнюю регламентированную границу. Размер зерна ниже регламентируемого. Происходит зарастание стаканчиков на машине непрерывного литья заготовок (далее МНЛЗ). Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного прототипа. Испытания на коррозионную стойкость не проводились.
Образец 8. Соотношение между содержанием кальция и алюминия находится на уровне нижнего предела из указанного диапазона. Размер зерна соответствует техническим условиям. Не происходит зарастание стаканчиков МНЛЗ. Уровень обрабатываемости выше, а показатель коррозионной стойкости сопоставим с известным прототипом.
Образец 9. Соотношение между содержанием кальция и алюминия имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 10. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за верхнюю установленную границу. Сталь не соответствует техническим условиям.
Образец 11. Соотношение между содержанием хрома к марганцу не выходит за нижнюю установленную границу. Сталь соответствует техническим условиям.
Образец 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств легкообрабатываемой коррозионно-стойкой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 13% выше, чем у известного прототипа. Показатель коррозионной стойкости сопоставим с известным прототипом.
Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предлагаемой стали с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла, коррозионной стойкости и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.