RU2015195C1

RU2015195C1 - Austenite steel

Info

Publication number: RU2015195C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Богомолов; А.А. Филиппенков; С.В. Кочевых; Л.А. Смирнов; Н.В. Новиков; А.Б. Разин; В.И. Гриненко; А.И. Москов
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1994-06-30

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: steel has additionally nitrogen at the following ratio of components, wt.-%: carbon 0.10-0.15; chrome 16-19; nickel 5.5-6.5; manganese 1.5-3.0; silicon 1.0-2.5; molybdenum 1.0-1.5; vanadium 0.5-0.9; calcium 0.001-0.05; nitrogen 0.10-0.15, and iron - the rest. Total content of nitrogen and carbon is 0.20-0.25. EFFECT: enhanced resistance to small plastic deformation, retained plasticity, decreased cost of steel. 2 tbl

Description

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам нестабильных аустенитных сталей на хромоникелевой основе, и может быть использовано в качестве материала для изготовления высокопрочных коррозионно-стойких упругих элементов, работающих при температуре до 300^оС, таких как цилиндрические пружины тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to compositions unstable austenitic steels on the chromium-nickel-based and may be used as a material for manufacturing high corrosion-resistant elastic elements operating at temperatures up to 300 ^{° C,} such as a braking apparatus coil springs heavy vehicles.

Известны нержавеющие хромоникелевые аустенитные стали, высокие прочность и сопротивление малым пластическим деформациям в которых достигаются за счет обработки, состоящей из закалки на пересыщенный γ-твердый раствор, значительной холодной пластической деформации и старения. К указанному классу относится сталь (1), имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,10-0,20 хром 18,0-22,0 никель 9,0-12,0 марганец 2,5-4,5 кремний 2,1-3,0 молибден 1,0-4,0 медь 0,20-0,50 железо остальное
Данная сталь нашла применение для изготовления теплостойких упругих элементов, однако ее широкому распространению препятствуют недостаточные прочностные характеристики.Known stainless chromium-nickel austenitic steels, high strength and resistance to small plastic deformations in which are achieved through processing consisting of quenching on a supersaturated γ-solid solution, significant cold plastic deformation and aging. The specified class includes steel (1) having the following chemical composition, wt.%: Carbon 0.10-0.20 chrome 18.0-22.0 nickel 9.0-12.0 manganese 2.5-4.5 silicon 2.1-3.0 molybdenum 1.0-4.0 copper 0.20-0.50 iron rest
This steel has found application for the manufacture of heat-resistant elastic elements, however, its wide distribution is hindered by insufficient strength characteristics.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому результату является нержавеющая аустенитная сталь, применяемая для производства пружин тормозной аппаратуры автомобилей ЗЛ и КАМАЗ и содержащая следующие компоненты, мас.%: углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 7,0-9,0 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 железо остальное
Эта сталь после соответствующей обработки обладает высокой прочностью при удовлетворительной пластичности. Однако постоянно растущие требования к уровню эксплуатационной надежности тормозной аппаратуры обуславливают необходимость разработки сталей с более высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, которое в значительной степени определяет эксплуатационную надежность изделий при циклическом нагружении. Кроме того, крайне желательно снижение в стали содержания остродефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, в частности никеля.Closest to the proposed steel in technical essence and the achieved result is austenitic stainless steel used for the production of brake springs of ZL and KAMAZ vehicles and containing the following components, wt.%: Carbon 0.10-0.15 chrome 16.0-19, 0 nickel 7.0-9.0 manganese 1.5-3.0 silicon 1.0-2.5 molybdenum 1.0-1.5 vanadium 0.50-0.90 calcium 0.001-0.05 iron rest
This steel after appropriate processing has high strength with satisfactory ductility. However, the ever-increasing demands on the level of operational reliability of brake equipment necessitate the development of steels with higher resistance to small plastic deformations, which largely determines the operational reliability of products under cyclic loading. In addition, it is highly desirable to reduce the steel content of severely deficient and expensive alloying elements, in particular nickel.

Цель изобретения - снижение стоимости стали и повышение ее сопротивления малым пластическим деформациям при сохранении уровня пластичности. The purpose of the invention is to reduce the cost of steel and increase its resistance to small plastic deformations while maintaining the level of ductility.

Цель достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, хром, никель, марганец, кремний, молибден, ванадий и кальций, согласно изобретению дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас. % : углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 5,5-6,5 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 азот 0,10-0,15 железо остальное Причем суммарное содержание азота и углерода составляет 0,20-0,25 мас.%. The goal is achieved in that the known steel containing carbon, chromium, nickel, manganese, silicon, molybdenum, vanadium and calcium, according to the invention additionally contains nitrogen in the following ratio, wt. %: carbon 0.10-0.15 chromium 16.0-19.0 nickel 5.5-6.5 manganese 1.5-3.0 silicon 1.0-2.5 molybdenum 1.0-1.5 vanadium 0.50-0.90 calcium 0.001-0.05 nitrogen 0.10-0.15 iron the rest Moreover, the total content of nitrogen and carbon is 0.20-0.25 wt.%.

Введение азота в количестве 0,10-0,15 мас.% обеспечивает предотвращение образования в результате нагрева под закалку δ-феррита, связанного со снижением содержания никеля и отрицательно влияющего на холодную пластичность хромоникелевых сталей. Кроме того, компенсируется уменьшение стабильности аустенита по отношению к мартенситообразованию под действием деформации вследствие снижения содержания никеля. Наконец, азот значительно более эффективен в качестве твердорастворимого упрочнителя, чем никель, а также содействует образованию упрочняющих дисперсных вторых фаз (нитридов и карбонитридов). В данном случае азот может вводиться в сталь не только традиционным способом, но и в виде соединений с другими легирующими элементами (например, с хромом). The introduction of nitrogen in an amount of 0.10-0.15 wt.% Provides the prevention of the formation of δ ferrite due to quenching, which is associated with a decrease in the nickel content and negatively affects the cold ductility of chromium-nickel steels. In addition, a decrease in the stability of austenite with respect to martensite formation under the action of deformation due to a decrease in the nickel content is compensated. Finally, nitrogen is much more effective as a solid-soluble hardener than nickel, and also contributes to the formation of hardening dispersed second phases (nitrides and carbonitrides). In this case, nitrogen can be introduced into steel not only in the traditional way, but also in the form of compounds with other alloying elements (for example, chromium).

Верхняя граница содержания азота (0,15 мас.%) обусловлена тем, что при более высоких концентрациях его упрочняющее влияние в сталях подобного типа проявляется очень слабо, тогда как пластические характеристики начинают заметно снижаться. Нижняя граница этого элемента (0,10 мас.%) связана с тем, что при меньших концентрациях не гарантировано повышение сопротивления малым пластическим деформациям по сравнению с простым. The upper limit of the nitrogen content (0.15 wt.%) Is due to the fact that, at higher concentrations, its strengthening effect in steels of this type is manifested very weakly, while the plastic characteristics begin to decrease markedly. The lower boundary of this element (0.10 wt.%) Is due to the fact that at lower concentrations an increase in resistance to small plastic deformations is not guaranteed compared to simple.

Нижняя граница содержания никеля (5,5 мас.%) определяется необходимостью достижения достаточного уровня суммарного содержания аустенитообразующих элементов (при выбранном содержании азота) с целью предотвращения образования δ-феррита. Верхний предел (6,6 мас.%) ограничен стремлением сохранить существующую у прототипа стабильность аустенита к образованию мартенсита деформации. The lower limit of the nickel content (5.5 wt.%) Is determined by the need to achieve a sufficient level of the total content of austenite-forming elements (at the selected nitrogen content) in order to prevent the formation of δ-ferrite. The upper limit (6.6 wt.%) Is limited by the desire to maintain the existing prototype stability of austenite to the formation of deformation martensite.

Ограничение суммарного содержания углерода и азота связано с тем, что оба эти элемента являются очень сильными твердорастворными упрочнителями и образуют упрочняющие дисперсные фазы, что сопровождаеться резким уменьшением подвижности дислокаций. В связи с этим при их суммарном содержании более 0,25 мас.% происходит значительное снижение пластичности (как технологической - в процессе волочения или прокатки, так и эксплуатационной - в изделии). В то же время суммарное содержание азота и углерода менее 0,20 мас.% не позволит реализовать необходимый уровень сопротивления малым пластическим деформациям. The limitation of the total carbon and nitrogen content is due to the fact that both of these elements are very strong solid-solution hardeners and form strengthening disperse phases, which is accompanied by a sharp decrease in the mobility of dislocations. In this regard, with their total content of more than 0.25 wt.%, There is a significant decrease in ductility (both technological - in the process of drawing or rolling, and operational - in the product). At the same time, the total content of nitrogen and carbon less than 0.20 wt.% Will not allow to realize the necessary level of resistance to small plastic deformations.

Использование предлагаемой стали открывает широкие перспективы для повышения эксплуатационных характеристик различных соответственных упругих элементов, подвергающихся знакопеременным циклическим нагрузкам. Однако при этом должны использоваться достаточно чистые по примесям шихтовые материалы, поскольку содержание примесей является одним из основных факторов, определяющих уровень циклической стойкости изделия. В первую очередь это относится к компонентам, имеющим наибольший удельный вес в составе предлагаемой стали, а именно к железу (армко-железо) и хрому (например, хром алюмотермический чистый). The use of the proposed steel opens up broad prospects for improving the operational characteristics of various respective elastic elements subjected to alternating cyclic loads. However, in this case, charge materials that are sufficiently pure in impurities should be used, since the content of impurities is one of the main factors determining the level of cyclic resistance of the product. This primarily relates to the components having the largest specific gravity in the composition of the proposed steel, namely to iron (armco-iron) and chromium (for example, pure aluminothermic chromium).

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что заявляемый состав отличается от прототипа введением азота при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,15 хром 16,0-19,0 никель 5,5-6,5 марганец 1,5-3,0 кремний 1,0-2,5 молибден 1,0-1,5 ванадий 0,50-0,90 кальций 0,001-0,05 азот 0,10-0,15 железо остальное, причем суммарное содержание азота и углерода составляет 0,20-0,25 мас.%. A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype showed that the claimed composition differs from the prototype by the introduction of nitrogen in the following ratio of components, wt.%: Carbon 0.10-0.15 chromium 16.0-19.0 nickel 5.5-6.5 manganese 1.5-3.0 silicon 1.0-2.5 molybdenum 1.0-1.5 vanadium 0.50-0.90 calcium 0.001-0.05 nitrogen 0.10-0.15 iron the rest, and the total content of nitrogen and carbon is 0.20-0.25 wt.%.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Известно введение азота в состав стали, который в сочетании с другими элементами обеспечивает повышение прочности и жаропрочности стали. В заявляемой стали сочетание азота с другими элементами обеспечивает повышение сопротивления малым пластическим деформациям. Следовательно, заявляемый признак проявляет новое, ранее неизвестное свойство, а техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". The introduction of nitrogen into the composition of steel is known, which in combination with other elements provides an increase in the strength and heat resistance of steel. In the inventive steel, the combination of nitrogen with other elements provides increased resistance to small plastic deformations. Therefore, the claimed feature exhibits a new, previously unknown property, and the technical solution meets the criterion of "Significant differences".

П р и м е р. Были проведены три плавки предлагаемой стали, в которых концентрация элементов колебалась в пределах указанных интервалов, а также две плавки с запредельным содержанием компонентов. Одновременно выплавили сталь с химическим составом, соответствующим составу прототипа. В табл.1 представлено содержание химических элементов (мас.%) в указанных плавках. PRI me R. Three melts of the proposed steel were carried out in which the concentration of the elements varied within the indicated intervals, as well as two melts with a prohibitive content of components. At the same time, steel with a chemical composition corresponding to the composition of the prototype was melted. Table 1 shows the content of chemical elements (wt.%) In these swimming trunks.

После выплавки в открытой индукционной печи были получены слитки массой 100 кг, которые подвергались гомогенизационному отжигу при 1180^оС в течение 8 ч, проковывались в поковки сечением 83-83 мм и прокатывались в катанку диаметром 6 мм. Из катанки была получена поволока диаметром 4,5 мм, подвергнутая термомеханической обработке по следующему режиму: закалка от 1080^оС с охлаждением в воде, последующая холодная пластическая деформация волочением до диаметра 2,25 мм (суммарное обжатие 75%) и заключительное старение при 450^оС в течение 1 ч.After melting in open induction furnace were obtained 100 kg ingots, which were subjected to homogenizing annealing at 1180 ^C for 8 hours in prokovyvalis section forgings 83-83 mm and rolled into wire rods with diameter of 6 mm. From the obtained wire rod was dragged with a diameter of 4.5 mm, subjected to thermomechanical processing at the following regime: quenching from 1080 ^{° C} with cooling in water, followed by cold plastic deformation by drawing to 2.25 mm diameter (total reduction of 75%) and final aging at 450 ^about C for 1 hour

В табл. 2 приведены данные об уровне механических свойств проволоки из предлагаемой стали, стали-прототипа и сталей с запредельным (по сравнению с предлагаемой) содержанием легирующих элементов. Обработка проведена по указанному режиму. In the table. 2 shows data on the level of mechanical properties of the wire of the proposed steel, steel prototype and steels with transcendental (compared with the proposed) content of alloying elements. Processing carried out according to the specified mode.

Результаты, приведенные в табл.2, свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь по уровню сопротивления малым пластическим деформациям превосходит сталь-прототип, что хорошо заметно при рассмотрении значений соответствующих характеристик σ0,05. Одновременно предлагаемая сталь не уступает прототипу ни по одному из показателей пластичности и вязкости ( Ψ, числу гибов и скручиваний). The results shown in table 2 indicate that the proposed steel in terms of resistance to small plastic deformations exceeds the prototype steel, which is clearly seen when considering the values of the corresponding characteristics of σ0.05. At the same time, the proposed steel is not inferior to the prototype in any of the indicators of ductility and toughness (Ψ, the number of bends and twists).

Однако легирование предлагаемой стали указанными элементами в количествах, отличающихся от заявляемых содержаний, приводит к ухудшению комплекса достигаемых свойств. However, the alloying of the proposed steel with the indicated elements in amounts differing from the claimed contents leads to a deterioration in the complex of achieved properties.

В частности, сталь состава 6 имеет наиболее высокое сопротивление малым пластическим деформациям среди всех рассмотренных составов, но ее пластичность является самой низкой (относительное сужение у данной стали не поддается определению вследствие отсутствия шейки в месте разрыва образца). Это не позволяет использовать ее в качестве пружин для тормозной аппаратуры автомобилей как из-за технологических трудностей при волочении и навивке пружины, так и вследствие недостаточного запаса надежности в изделии. In particular, steel of composition 6 has the highest resistance to small plastic deformations among all the compositions considered, but its ductility is the lowest (the relative narrowing of this steel cannot be determined due to the absence of a neck at the point of specimen rupture). This does not allow it to be used as springs for brake equipment of automobiles, both due to technological difficulties in drawing and winding the spring, and due to an insufficient safety margin in the product.

Подобный уровень характеристик обусловлен высоким содержанием углерода и азота, таких сильных карбидообразователей как ванадий и молибден (ванадий при этом еще и сильный нитридообразователь), повышенной концентрацией кремния и марганца, существенно снижающих энергию дефектов упаковки в хромоникелевых аустенитных сталях. Кроме того, низкая пластичность обусловлена слабым рафинирующим действием кальция вследствие недостаточного его содержания и возможностью появления в структуре некоторых количеств δ-феррита вследствие роста содержания ферритообразующих элементов (хрома, кремния, молибдена, ванадия) и низкой концентраций сильного аустенизатора - никеля. Such a level of characteristics is due to the high content of carbon and nitrogen, such strong carbide formers as vanadium and molybdenum (vanadium is also a strong nitride former), and an increased concentration of silicon and manganese, which significantly reduce the energy of stacking defects in austenitic chromium-nickel steels. In addition, low ductility is due to the weak refining action of calcium due to its insufficient content and the possibility of the appearance of some amounts of δ ferrite in the structure due to an increase in the content of ferrite-forming elements (chromium, silicon, molybdenum, vanadium) and low concentrations of a strong austenitizer - nickel.

В свою очередь сталь состава 5, несмотря на вполне удовлетворительную пластичность, имеет значения σ_0,05 несколько ниже уровня прототипа. Это также связано с влиянием легирования на величину твердорастворного упрочнения и способность к образованию упрочняющих вторых фаз (понижение содержания углерода, азота, ванадия, молибдена), а кроме того, с повышением уровня энергии дефектов упаковки (пониженные содержания кремния и марганца при повышенном содержании никеля). В данном случае изменения происходят в противоположном направлении по сравнению с составом 6.In turn, the steel of composition 5, despite its quite satisfactory ductility, has values of σ _0.05 slightly lower than the level of the prototype. This is also associated with the influence of alloying on the value of solid solution hardening and the ability to form hardening second phases (lowering the content of carbon, nitrogen, vanadium, molybdenum), and in addition, with an increase in the energy level of stacking faults (lowered silicon and manganese with an increased nickel content) . In this case, changes occur in the opposite direction compared to composition 6.

Таким образом, результаты механических испытаний и оценка экономической эффективности однозначно свидетельствуют о том, что поставленные при разработке предлагаемого состава стали цели достигнуты в полном объеме. Использование этой стали в качестве материала для изготовления пружин тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей ЗИЛ и КАМАЗ взамен известной стали позволит снизить его себестоимость при одновременном повышении уровня эксплуатационной надежности пружин. Thus, the results of mechanical tests and the assessment of economic efficiency clearly indicate that the goals set during the development of the proposed steel composition were achieved in full. The use of this steel as a material for the manufacture of brake springs of heavy equipment ZIL and KAMAZ heavy vehicles instead of known steel will reduce its cost while increasing the level of operational reliability of the springs.

Claims

AUSTENITIC STEEL containing carbon, chromium, nickel, manganese, silicon, molybdenum, vanadium, calcium, nitrogen and iron, characterized in that, in order to increase resistance to small plastic deformations while maintaining the level of ductility and reduce cost, it additionally contains nitrogen in the following the ratio of components, wt.%:
Carbon 0.10 - 0.15
Chrome 16.0 - 19.0
Nickel 5.5 - 6.5
Manganese 1.5 - 3.0
Silicon 1.0 - 2.5
Molybdenum 1.0 - 1.5
Vanadium 0.50 - 0.90
Calcium 0.001 - 0.05
Nitrogen 0.10 - 0.15
Iron Else
with a total nitrogen and carbon content of 0.20 - 0.25.