Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarza¬ nia austenitycznej stali nierdzewnej pozbawionej porów.Dostepne obecnie stale nierdzewne maja rózno¬ rodne sklady wykazujace szereg wlasnosci mecha¬ nicznych, które w polaczeniu z doskonala odpor¬ noscia korozyjna stanowia bardzo uniwersalny ma¬ terial z punktu widzenia konstruktora. Z tych sta¬ li stale nierdzewne maja z zasady najlepsza od^ pornosc korozyjna i najlepsza wytrzymalosc w pod¬ wyzszonej temperaturze. Zasadniczymi skladnikami stali nierdzewnych sa zelazo, chrom i nikiel.Brak niklu, jednego z zasadniczych skladników austenitycznych stali nierdzewnych, wywolal znacz¬ ne klopoty i zmusil do starania sie o otrzymanie tego cennego skladnika. Prowadzone szerokie ba¬ dania majace na celu otrzymanie stali austenistycz- nych pozbawionych calkowicie lub czesciowo niklu i zastapieniu go innymi pierwiastkami. Obecnie dwoma zalecanymi skladnikami zastepczymi sa mangan i azot. Jednak stosowanie mang?nu i lub azotu ma swoje ujemne strony. Mangan jest tyl¬ ko w polowie tak silnym czynnikiem austenityzuja- cym w porównaniu z niklem, a *azot ma tenden¬ cje do wytwarzania porowatosci wlewka.Przez zastosowanie niniejszego wynalazku udalo sie zapewnic otrzymywanie austenitycznej stali nierdzewnej o wysokiej zawartosci azotu, chromu i manganu odznaczajacej sie wysoka wytrzyma¬ lo loscia, dobra odpornoscia na korozje i doskonala ciagliwoscia w stanie wyzarzonym, w której sklad¬ niki sa starannie zrównowazone w celu zapewnie¬ nia integralnosci jej struktury austenitycznej i w której znajduja sie wystarczajace ilosci chromu i manganu w celu zapewnienia struktury pozbawio¬ nej porów. Stal zawiera 0,85—3% azotu, 10—30°/o chromu i 15—45% manganu. Na pierwszy rzut oka wydaje sie, ze jest nieco podobna do stali opisa¬ nych w amerykanskich opisach patentowych nr 2 778 731 i 2 745 740. Jednak stal wedlug opisu nr 2 778 731 ma maksymalna porównywalna zawar¬ tosc chromu i manganu nizsza od porównywalnej sumy chromu i manganu zalozonej dla stali wedlug wynalazku, a opis patentowy nie opisuje kompo¬ zycji porównywalnej w granicach omawianych ni¬ zej równan ograniczajacych zdolnosc do austenity- zowania i porowatosci, jak to wykazano za pomoca poszczególnych stopów.Jeszcze inne publikacje podaja wzglednie wy¬ sokie zawartosci azotu, jednak ich maksymalne 'wartosci ~ znajduja sie ponizej minimum wartosci wedlug wynalazku. Publikacje te, to amerykanski opis patentowy nr 2 909 425 oraz artykul pod tytu¬ lem (Badania austenitycznych stali nierdzewnych o wysokiej zawartosci manganu i azotu), który ukazal sie na str. 399—412 w Revue de Metallur- gie, nr 5, maj 1970.Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wy^ twarzania austenitycznej stali nierdzewnej pozba^ 83 80283 802 wionej porów o wysokiej zawartosci azotu, chro¬ mu i manganu. j Cel wynalazku zostal osiagniety przez to, ze w piecu metalurgicznym przygotowuje sie wytop za¬ wierajacy 10—30% chromu, korzystnie 15—27%, —45% manganu, korzystnie 21—30%, do 1% we¬ gla, korzystnie powyzej 0,15% i do 2% krzemu, korzystnie 1%, a nastepnie wprowadza do wytopu pod cisnieniem okolo 1 atmosfery azot w ilosci 0,85 —3% korzystnie 1,05—1,5%, przy czym wymienio¬ ne skladniki równowazy sie zgodnie z nastepujacy¬ mi równaniami (%C + %N) + 0,5 (%Mn) %Cr + l,5(%Si) 21,5 II %Cr + 0,8 (%Mn) — 11,88 (%N—0,1) = 28,25 ^ 0 i odlewa znanym sposobem.Równanie I jest miara zdolnosci do austenity- zacji, a równanie II wskaznikiem porowatosci lub jej braku. Stale, które nie spelniaja wymienionych równan, nie stanowia przedmiotu wynalazku. Spo¬ sób wytwarzania stali jest przedmiotem niniejszego wynalazku. Postac, pod jaka podaje sie azot, jest dowolna. Moze to byc, dla ilustracji azot aktywo¬ wany, cyjaniany lub ferrochrom o wysokiej za¬ wartosci azotu.Azot jako silny skladnik austenityzujacy znaj¬ duje sie w ilosci 0,85—3%. Konieczna jest zawar¬ tosc co najmniej 0,85% azotu jako glównego sklad¬ nika podnoszacego wytrzymalosc stali. Wydaje sie, ze górna granica 3% podana dla wyzszych zawar¬ tosci azotu, jest nieralna z punktu widzenia proce¬ su wytapiania. Korzystnie jest jezeli zawartosc azotu miesci sie w granicach 1,05—1,5%.Zawartosc chromu znajduje sie w granicach 10— %. W celu nadania stali odpornosci na korozje, potrzebna jest zawartosc chromu co najmniej 10%.Chrom wplywa równiez na wytrzymalosc stali i jest zasadniczym skladnikiem dzialajacym na wzrost rozpuszczalnosci azotu w stali. Górna granica o wartosci 30% jest ustalona ze wzgledu na to, ze chrom jest skladnikiem wytwarzajacym ferryt, a wieksze zawartosci ferrytu wystepuja przy wiek¬ szych zawartosciach chromu, co obniza wlasnosci stali. Korzystna zawartosc chromu miesci sie w granicach 15—27%. Stale o zawartosci chromu po¬ nizej 15% i powyzej 27% sa trudne do wytwarza¬ nia. Stale o zawartosci ponizej 15% wykazuja zwiekszona kruchosc na goraco, podczas gdy stale o zawartosci powyzej 27% chromu maja zwiekszo¬ na sklonnosc do pekania podczas obróbki.Ilosc manganu zawarta jest w granicach 15— 45%, ale co najmniej 15%, a korzystnie 21% za¬ wartosci jest konieczne, poniewaz mangan wystepu¬ je jako srodek austenityzujacy oraz dlatego, ze mangan zwieksza rozpuszczalnosc azotu w stali.Górna granica 45%, a korzystnie górna granica o wartosci 30% zostala nalozona ze wzgledów eko¬ nomicznych, a poza tym dlatego, ze mangan wply¬ wa na zwiekszenie erozji wykladziny ogniotrwalej pieca.Wegiel jest silnym srodkiem austenityzujacym i znajduje sie w ilosci do 1%. Jego zawartosc mu¬ si byc jednak regulowana, gdyz moze on usuwac chrom z roztworu stalego przez laczenie sie z nim na wegliki chromu i dlatego, ze moze on zmniej¬ szyc rozpuszczalnosc azotu w stali przez zajecie miedzyatomowych przestrzeni normalnie wypelnio¬ nych azotem. Korzystna maksymalna zawartosc wegla wynosi 0,15%. Wyzsze zawartosci wegla wy¬ magaja wyzszych temperatur wyzarzania w celu wprowadzenia wegla do roztworu.Zawartosc krzemu jest utrzymywana ponizej 1%. Wyzsze zawartosci zwiekszaja do niepozada¬ nego stopnia zawartosc wtracen w stali i co wiecej, wiaza nadmierne ilosci manganu w postaci krze¬ mianów manganu.Jak to stwierdzono wyzej ,stal moze zawierac takze pewna ilosc domieszek. Domieszki te stano¬ wia takie skladniki, jak miedz, molibden, fosfor, siarka, wolfram, kobalt i nikiel.Przedstawione nizej przyklady sa ilustracja wy¬ nalazku. Wykonano trzydziesci wytopów stali, za¬ wierajacych 10,0—40,49% chromu, 9,94—30,10/0 manganu, 0,92—1,95% azotu, 0,015—0,118% wegla i 0,19—0,55% krzemu pod cisnieniem otaczajacym o wartosci okolo jednej atmosfery. Ich sklad che¬ miczny jest podany w tablicy I.Tablica I Sklad Chemiczny i Wytop 1 A * B C D E.F G H ¦ I J 1 K L M N O P Q c 2 0,069 0,062 0,118 0,068 0,084 0,100 0,086 0,033 0,10 0,031 0,10 0,020 0,023 0,032 0,029 0,05 0,032 Mn 3 21,40 ,60 23,60 21,50 23,62 21,62 26,00 21,40 21,00 21,80 ,00 ,25 ,75 ,60 16,00 ,00 ,56 P 4 0,007 0,012 0,007 0,006 0,008 0,009 0,013 0,009 L 0,006 L 0,012 0,016 0,008 0,008 L 0,013 S 0,010 0,011 0,010 0,011 0,013 0,012 0,013 0,010 L 0,008 L 0,009 0,006 0,011 0,011 L 0.010 Si 6 0,19 0,23 0,41 ' 0,51 0,44 0,45 0,55 0,52 0,50 0,49 0,50 0,51 0,40 0,50 0,42 0,50 0,42 Cr 7 24,16 ,26 23,25 23,22 22,98 24,90 ,76 23,26 ,00 24,54 ,00 24,98 29,64 ,10 ,08 ,00 29,82 Ni 8 0,27 0,26 0,27 0,25 0,25 0,25 0,25 0,32 0,20 0,27 0,20 0,32 0,25 0,22 0.22 '0,20 0,28 Mo 9 0,025 0,026 0,020 0,025 0,020 0,020 0,026 0,010 0,010 0,024 0,010 0,025 Na Na Na NA NA Cu 0,10 0,12 0,10 0,24 0,23 0,23 0,23 0,24 0,20 0,25 0,20 0,20 0,19 0,21 0,19 0,20 0,24 N [ 11 1,06 1,30 1,05 1,11 1,20 1,26 1,58 1,45 1,55 1,16 1,95 1,20 1,03 1,04 1,04 1,05 1,20 l5 6 1 R S T U V W X Y Z AA BB CC DD 2 0,054 0,049 0,05 0,05 0,022 0,028 0,025 0,019 0,016 0,015 0,015 0,018 0,017 3 I ,50 24,30 ,00 ,00 ,32 16,65 29,99 29,84 ,10 19,62 19,61 9,94 9,98 4 0,010 0,010 L L 0,012 0,011 0,007 0,008 0,015 0,014 0,016 0,015 0.013 I 0,009 0,009 L L 0,009 0,010 0,010 0,006 0,001 0,001 0,001 0,004 0,003 6 1 0,39 0,37 0,40 0,40 0,41 0.38 0,34 0,51 0,28 0,45 0,44 0,52 0,52 7 1 19,84 ,06 ,00 ,00 ,22 ,29 , ,02 40,34 ,51 ,55 39,79 40,49 ,08 8 0,26 0, 6 0,20 0,20 0,21 0,20 0,22 0,29 0,28 0,29 0,2-r 0,31 0,27 9 NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA 0,18 0,19 0.20 0,20 0,12 0,12 0,15 0,18 0,20 ~ 0,18 0,20 0,18 0,20 11 1,00 1,00 1,05 1,05 1,05 1,05 1,10 0,97 0,96 0,93 0,98 1,02 0,92 | L — wymagana niska zawartosc NA — nie przeprowadzono analizy Przebadano strukture kazdego wytopu. Wytopy zawierajace 35°/o i wiecej chromu spuszcza sie w temperaturze 1480°C. Próbki dzieli na odcinki i ba¬ da optycznie przy powiekszeniach do 1000 X. Wszy¬ stkie z nich mialy podwójna strukture (austenit i ferryt), jak to pokazano w tablicy II. Pozostale spusty, które byly porowate, mogly byc okreslone golym okiem. Podzielono je na odcinki i uznano jako porowate, gdy mialy pory przewyzszajace 3,175 mm.W tablicy II pokazano równiez wytopy, które by¬ ly porowate. Pozostale wytopy przeszlifowano dla usuniecia wad odlewniczych, obrobiono na goraco, obrobiono na zimno i przebadano. Obróbka na go¬ raco skladala sie z nagrzewania wstepnego w tem¬ peraturze 815—926°C przez 1—2 godzin, wygrze¬ wania w temperaturze 1204—1288°C przez 2—3 go¬ dzin i walcowania lub .kucia w temperaturze mi¬ nimalnej 926—982°C. Obróbka na zimno obejmo¬ wala wyzarzanie w temperaturze 1038—1093°C przez 120 minut na 25,4 mm grubosci, chlodzenie powietrzem, koncowe walcowanie na zimno w ce¬ lu dokonania redukcji do 80%, wyzarzanie w tem¬ peraturze 1605°C i chlodzenie powietrzem. Badanie obejmowalo obserwacje optyczna przy powieksze¬ niach do 500 X i obserwacje pod mikroskopem ele¬ ktronowym przy powiekszeniach wyzszych od 50000 X. Wyniki tego badania sa równiez przed¬ stawione w tablicy II.Tablica II Tablica II (ciag dalszy) Wytop A B C D E F G H I J K L.M N O P 1 Q Struktura austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna porowata porowata austenityczna porowata austenityczna austenityczna porowata porowata porowata austenityczna 1 40 45 50 55 60 65 Wytop ¦ R S T U V W ! x i Y z AA BB CC I DD Struktura austenityczna porowata porowata porowata austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna porowata austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna [ Z tablicy II wynika, ze wytopy A do G, J, L, M, Q i R mialy strukture austenityczna, wytopy H, I, K, N do P, S do U i X maja strukture porowata, a wytopy V, W i Y do DD mialy strukture pod¬ wójna skladajaca sie z austenitu i ferrytu.Zawartosc wegla, azotu, manganu, chromu i krze¬ mu zarówno dla wytopów austenitycznych i o strukturze podwójnej byly wstawione w nastepuja¬ ce równanie, omówione wyzej, oznaczone jako L: (°/oC + %N) + 0,5 (*/oMN) ®/oCr + l,5(°/oSi) obliczone stosunki dla kazdego wytopu sa zesta¬ wione nizej w tablicy III.Z tablicy III jasno wynika, ze wszystkie wytopy o strukturze austenitycznej maja obliczony z równa¬ nia I stosunek wyzszy od 1,5, a wszystkie stale o strukturze podwójnej (austenit i ferryt) maja obli¬ czony stosunek nizszy od 1,5. Najnizszy stosunek dla kazdego wytopu o strukturze austenitycznej wynosi 1,52, podczas gdy najwyzszy stosunek dla kazdego wytopu o podwójnej strukturze wynosi 1,34.Zawartosc chromu, manganu i azotu dla wyto¬ pów austenitycznych i porowatych zostaly wlaczo¬ ne do nastepujacego równania omówionego wyzej i okreslonego jako równanie II: °/oCr + 0,8 (°/oMn) — 11,88 (%N — 0,1) — — 28,25 0 Obliczone wartosci dla kazdego z wytopów sa ze¬ stawione w tablicy IV.Z tablicy IV wynika jasno, ze wszystkie wyto¬ py o strukturze austenitycznej maja obliczone war¬ tosci przekraczajace 0, bedace granica nalozona na stal wedlug wynalazku, natomiast wszystkie wy-83 802 8 Wytop A B c D E F G J L M • Q R V W Y Z AA . BB CC DD Tablica III Struktura austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna austenityczna-ferrytyczna Obliczona wartosc z równania I 1,78 2,14 2,0 1,95 2,14 2,06 2,40 1,86 1,88 1.52 1,61 2.22 1,07 1,34 1,09 1.26 1,01 0.98 0.85 0,89 tablica IV Wytop A 7"v C D E F G J L M Q R H | I K N O P s T U X Struktura austenityczna » ,» ,» ,j „ „ »» ,» „ ¦ ,» porowata „ , , , , , , Obliczona wartosc z równania II 1,65 3,35 2,65 0,15 0,55 0,15 0,75 1,05 3,85 ,94 8,95 0,45 — 3,85 — 3,65 .— 5,25 — 0,75 — 1,55 — 6,55 — 2,65 — 4,55 — 5,55 — 1,11 1 topy porowate maja wyliczona wartosc nizsza od 0. Najnizsza wartosc ze wszystkich wytopów auste¬ nitycznych wynosi 0,15, podczas gdy najwyzsza wartosc (najnizsza ujemna) ze wszystkich wyro¬ bów porowatych wynosi — 0,75.Jak to stwierdzono wyzej, wlasnosci stali wedlug wynalazku sa zalezne od uzyskania struktury au¬ stenitycznej. Dla pokazania tego porównano wla¬ snosci wytopu stali austenitycznej J z wlasciwosciami wytopu o podwójnej strukturze V z tablicy V. Nie porównywano wlasnosci wytopów porowatych i wytopów austenitycznych, gdyz wytopy porowate sa oczywiscie gorsze oraz dlatego, ze jest prawie niemozliwe otrzymanie dla nich pomiarów wla¬ snosci majacych znaczenie. 50 W tablicy V porównuje sie granice plastycznos¬ ci, wytrzymalosci na rozciaganie, wydluzenie i twardosc dla wytopu austenitycznego J z wytopem V o strukturze podwójnej. Wlasnosci te porówny¬ wano po walcowaniu na goraco, po wyzarzeniu w 55 1065°C przez 7 minut i po redukcji na zimno o 10, i 50°/o.83802 Tablica V Wytop 1 J V J V J V J V J V Struktura - 2 austenityczna austenityczna i ierrytyczna austenityczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna austenityczna austenityczna i ferrytyczna austenityczna i ferrytyczna Stan 3 walcowany na goraco walcowany na goraco wyzarzony wyzarzony % redukcja na zimno % redukcja na zimno % redukcja na zimno % redukcja na zimno 50% redukcja na zimno 50% redukcja na zimno Wlasnosci Rm kG/mm2 4 124,64 53,21 73,45 59,53 98,63 84,05 129,63 97,36 162,94 110,10 Rr kG/mm2 133,71 76,25 111,00 77,20 122,99 88,60 153,39 101,51 189,32 115,31 Wydlu¬ zenie A % 6 23,8 17,0 44,7 19,0 29,3 8,5n 13,8 ,0 7,0 3,5 Twardosc H 7 46,0 Hrc 97,0 Hrb ,5 Hrc 97,0 Hrb 41,7 Hrc 26,0 Hrc i 43,7 Hrc ,5 Hrc 48,7 Hrc 32,5 Hrc Z tablicy V jest oczywiste, ze wytop austenitycz¬ ny J jest lepszy od wytopu V o podwójnej struk¬ turze. Wytop J mial lepsze wlasnosci niz wytop V po walcowaniu na goraco, po wyzarzeniu i po wal¬ cowaniu na zimno. Ferryt zmniejsza granice pla¬ stycznosci, wytrzymalosc na rozciaganie, wydluze¬ nie i twardosc. Dodatkowo oddzialuje szko¬ dliwie na odpornosc korozyjna stali i przyczynia sie do wytwarzania niepozadanej fazy sigma.Stal wedlug wynalazku ma zastosowanie w bar¬ dzo szerokim zakresie. Przede wszystkim na ele¬ menty zlaczne o wysokiej wytrzymalosci, pierscie¬ nie zabezpieczajace silnikowe (generatorowe, liny morskie oraz odlewy na obudowy pomp.Widoczne jest, ze przedstawione w opisie nowe zasady wynalazku w polaczeniu ze szczególnymi przykladami podsuwa fachowcom rózne inne mo¬ dyfikacje i ich stosowanie. W zwiazku z tym, przy okreslaniu zakresu ochrony w PL