ВЫСОКОПРОЧНАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH CORROSION-RESISTANT WELDED STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к области легированных высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых для высоконагруженных конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте.
Известна коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь 14Х17Н2 (ГОСТ 5632-72), содержащая 0,11-0,17% углерода, 16-18% хрома, 1,5-2,5% никеля, не более 0,2 титана, неизбежные примеси и железо.
Основными недостатками этой стали являются: трудная свариваемость, низкая прочность и склонность к отпускной хрупкости.
Известна коррозионно-стойкая хромоникелевая сталь 25X13H2, содержащая 0,2-0,3% углерода, 12-14% хрома, 1,5-2,0% никеля, не более 0,2 титана, неизбежные примеси и железо (См. А.А. Бабков, М.В. Приданцев. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. М., Металлургия, 1971 г., с. 114-118).
Главным недостатком этой стали является низкая пластичность (δ=3-7 %).
Наиболее близкой по химическому составу к предлагаемому техническому решению является коррозионно-стойкая свариваемая сталь 07X16H6 (ГОСТ 5632-72), содержащая 0,05-0,09% углерода, 15,5-17,5% хрома, 5,0-8,0% никеля, до 0,8 кремния, до 0,8% марганца, неизбежные примеси и железо.
Однако эта сталь обладает прочностью, недостаточной для высоконагруженных деталей, плохо обрабатывается резанием. Структура металла в крупногабаритных поковках и горячекатаных трубах, изготовленных из этой стали, крупнозернистая. Кроме того, высокое содержание никеля обуславливает ее высокую стоимость.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа легирования и обработки, позволяющего получать высокопрочную экономно-легированную коррозионно-стойкую свариваемую сталь, обладающую более высоким пределом текучести, и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности коррозионно-стойкой свариваемой стали.
Технический результат достигается тем, что в коррозионно-стойкую свариваемую сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо и примеси, дополнительно введены азот, медь, ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов мас.%:
углерод
0,01-0,04
кремний
0,10-0,80
марганец
0,50-1,50
хром
14,0-16,0
никель
3,0-5,0
азот
0,1-0,2
медь
от более 0,5 до 2,5
ванадий
0,02-0,20
кальций
от более 0,005 до 0,030
железо и примеси
остальное
При этом отношение содержания углерода к содержанию азота составляет 0,2 или менее.
Дополнительное введение азота в состав стали в количестве более 0,1% приводит к повышению прочности. Увеличение показателей прочности обусловлено наличием азота в γ-твердом растворе и дополнительным упрочнением частицами нитридов хрома, выделяющимися в процессе нагрева при температуре 400°С. Удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости связаны с наличием в структуре небольшого количества остаточного аустенита, расположенного между кристаллами мартенсита. При концентрации азота более 0,20% трудно получить качественный металл без пористости из-за ограниченной его растворимости (предел растворимости азота в сталях такого состава на уровне 0,19-0,22%, а композиционное содержание азота еще меньше).
23
6
При содержании углерода менее 0,01% уровень прочностных свойств не достигает требуемых значений, а при увеличении его количества выше 0,04% по границам зерен выделяются крупные частицы карбидов хрома типа CrC, приводящие к снижению пластичности. При отношении содержаний углерода и азота меньше или равному 0,2%, такие карбиды не образуются.
Добавки ванадия не менее 0,02% обеспечивают получение мелкозернистой структуры. А увеличение его количества более 0,2% приводит к снижению прочности, вследствие образования нитридов ванадия и обеднения γ-твердого раствора азотом. Дополнительное введение кальция в количестве, превышающем 0,005%, обеспечивает хорошую раскисленность металла, улучшает обрабатываемость стали резанием. Но при увеличении его содержания более 0,03% наблюдается снижение пластичности.
При содержании хрома менее 14,0% в стали после горячей пластической деформации и термической обработки не достигается требуемый уровень коррозионной стойкости. При увеличении количества хрома более 16,0% и уменьшении количества никеля менее 3,0% снижаются пластические свойства и вязкость стали. Увеличение же концентрации никеля более 5,0% приводит к снижению растворимости азота, и значительному возрастанию стоимости металла (каждый дополнительный процент никеля при современном уровне цен повышает стоимость одной тонны стали на ~5%).
Марганец повышает растворимость азота в стали, раскисляет сталь, но при содержании его выше 1,5% возрастает доля аустенита в структуре металла, что приводит к снижению прочности.
Медь в количестве 0,5-2,5% позволяет исключить в микроструктуре стали дельта-феррит, а также повысить коррозионную стойкость и прочность при старении, за счет выделения дисперсных частиц фазы, богатой медью.
Сталь выплавляли в открытой индукционной печи с последующим электрошлаковым переплавом. Составы стали опытных плавок приведены в табл. 1.
Термическую обработку проводили по режимам, состоящим из закалки от 1000°С с охлаждением в воде и последующего отпуска при 400°С в течение 2 часов. Результаты механических испытаний металла и отношение количества γ/α фаз (γ-аустенит, α-мартенсит) приведены в табл. 2.
2
Таким образом, по результатам испытаний видно, что предлагаемая сталь, в отличие от прототипа, обладает более высоким пределом текучести, и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости, что приводит к увеличению долговечности и надежности изделий и конструкций из этой стали. Как показали испытания, предлагаемая сталь хорошо сваривается всеми видами сварки. Сталь экономична, обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии (скорость коррозии в 3-процентном растворе NaCl составила менее 0,0005 г/м ч).