RU2332512C2

RU2332512C2 - Precision austenite steel

Info

Publication number: RU2332512C2
Application number: RU2006134561/02A
Authority: RU
Inventors: Алексей Кириллович Калитеевский (RU); Алексей Кириллович Калитеевский; ев Дмитрий Александрович Шир (RU); Дмитрий Александрович Ширяев; Валентин Владимирович Кураев (RU); Валентин Владимирович Кураев; Николай Петрович Глухов (RU); Николай Петрович Глухов; мнев Анатолий Петрович Шл (RU); Анатолий Петрович Шлямнев; Наталь Александровна Сорокина (RU); Наталья Александровна Сорокина
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Электрохимический завод"
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-08-27
Also published as: RU2006134561A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy, particularly to composition of austenite steel for fabricating specialised equipment used at thermo calibration of extra thin shells. Precision austenite steel contains carbon, chromium, manganese, silicon, nitrogen, boron, magnesium, iron and unavoidable impurities at the following ratio of components, mass %: carbon 0.07-0.13; chromium 12.0-14.0; manganese 17.2-20.0; silicon 0.3-0.8; boron 0.0005-0.0030; magnesium 0.01-0.05; nitrogen 0.03-0.07, the rest being iron. Total contents of boron and magnesium is 0.012-0.051 mass %. Contents of chromium, silicon, manganese, carbon and nitrogen are calculated from the expression

EFFECT: stable high level of linear growth factor under conditions of pleiocyclic effects of high temperature; upgraded processibility of production.

2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, к составам аустенитных сталей и предназначено для изготовления специальной оснастки, используемой для термокалибровки особотонкостенных обечаек из суперпрочных мартенситно-стареющих сталей.The invention relates to metallurgy, to compositions of austenitic steels, and is intended for the manufacture of special equipment used for thermal calibration of extra-thin-walled shells from super strong martensitic-aging steels.

Одним из основных требований, предъявляемых к материалу такой оснастки, является стабильно высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в широком интервале температур, сохраняющийся при термоциклировании в течение многочисленных теплосмен 20°С↔500°С и 20°С↔800°С.One of the main requirements for the material of such equipment is a stably high temperature coefficient of linear expansion (TEC) in a wide temperature range, which is preserved during thermal cycling during numerous heat changes of 20 ° С °500 ° С and 20 ° С↔800 ° С.

Известна сталь аустенитного класса, содержащая следующие компоненты, мас.%:Known austenitic steel containing the following components, wt.%:

УглеродCarbon не более 0,10no more than 0.10 КремнийSilicon не более 0,8no more than 0.8 МарганецManganese 13,0-15,013.0-15.0 ХромChromium 13,0-15,013.0-15.0 НикельNickel 2,8-4,52.8-4.5 ТитанTitanium 5·(С-0,02) - 0,65 · (C-0.02) - 0.6 СераSulfur не более 0,020no more than 0,020 ФосфорPhosphorus не более 0,035no more than 0,035 ЖелезоIron остальноеrest

(1. ГОСТ 5632-72. 2. Справочник «Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы», «ИнтерметИнжениринг», М., 2000 г., с.59-61).(1. GOST 5632-72. 2. Directory "Corrosion-resistant, heat-resistant and high-strength steels and alloys", "Intermet Engineering", M., 2000, p. 59-61).

Температурный коэффициент линейного расширения этой стали в интервале температур 20°С÷500°С и 20°С÷800°С составляет 19,3·10⁶ К^-1 и составляет 19,6·10⁶ К^-1 соответственно. Данные значения величины ТКЛР недостаточны для выполнения калибровки тонкостенных обечаек из мартенситно-стареющих сталей. Кроме того, наблюдается нестабильность значений ТКЛР этой стали с тенденцией к снижению в зависимости от соотношения в ней хрома, марганца и никеля.The temperature coefficient of linear expansion of this steel in the temperature range of 20 ° C ÷ 500 ° C and 20 ° C to 800 ° C is 19.3 · 10 ⁶ K ^-1 and is 19.6 · 10 ⁶ K ^-1, respectively. These values of the thermal expansion coefficient are insufficient to perform the calibration of thin-walled shells from maraging steels. In addition, there is an instability of the thermal expansion coefficient of this steel with a tendency to decrease depending on the ratio of chromium, manganese and nickel in it.

Наиболее близкой к предлагаемой стали является аустенитная сталь, содержащая следующие компоненты, мас.%:Closest to the proposed steel is austenitic steel containing the following components, wt.%:

УглеродCarbon 0,07-0,130.07-0.13 КремнийSilicon 0,3-0,80.3-0.8 ХромChromium 12,5-14,012.5-14.0 МарганецManganese 3,5-15,03,5-15,0 НикельNickel 0,2-3,00.2-3.0 МедьCopper 0,1-0,60.1-0.6 АзотNitrogen 0,1-0,30.1-0.3 КальцийCalcium 0,01-0,10.01-0.1 АлюминийAluminum 0,01-0,150.01-0.15 СераSulfur <0,03<0.03 ФосфорPhosphorus <0,045<0.045 ЖелезоIron остальноеrest

(Справочник «Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы», «ИнтерметИнжениринг», М., 2000 г., с.57-58 - прототип).(Reference book “Corrosion-resistant, heat-resistant and high-strength steels and alloys”, “Intermet Engineering”, M., 2000, p.57-58 - prototype).

Эта сталь характеризуется хотя и повышенными значениями ТКЛР (20°C÷400°C - 19,4·10⁶ К^-1; 20°С÷800°С - 22,5·10⁶ К^-1 ), но все же недостаточными для применения в качестве оправок для калибровки тонкостенных обечаек с микронной точностью.Although this steel is characterized by elevated thermal expansion coefficient (20 ° C ÷ 400 ° C - 19.4 · 10 ⁶ K ^-1 ; 20 ° C ÷ 800 ° C - 22.5 · 10 ⁶ K ^-1 ), it is still insufficient for use as mandrels for calibrating thin-walled shells with micron accuracy.

При содержании азота 0,1%÷0,3% и марганца 13,5%÷15,0% сталь имеет высокий уровень прочности, затрудняющий изготовление прецизионных изделий с супержесткими допусками по геометрическим размерам.With a nitrogen content of 0.1% ÷ 0.3% and manganese 13.5% ÷ 15.0%, steel has a high level of strength, making it difficult to manufacture precision products with super-tight tolerances in geometric dimensions.

Наличие в составе стали никеля затрудняет механическую обработку, увеличивая число проходов для достижения требуемой шероховатости поверхности.The presence of nickel in the steel composition makes it difficult to machine, increasing the number of passes to achieve the required surface roughness.

Техническим результатом данного изобретения является достижение стабильно высокого уровня коэффициента линейного расширения в температурных диапазонах 20°С÷500°С и 20°С÷800°С в условиях многоцикловых воздействий высоких температур и повышение технологичности в процессе производства металлургической продукции (снижение сопротивления деформации и повышение пластичности при горячей обработке давлением; повышение обрабатываемости резанием).The technical result of this invention is to achieve a stable high level of coefficient of linear expansion in the temperature ranges of 20 ° C ÷ 500 ° C and 20 ° C to 800 ° C under the conditions of high-cycle effects of high temperatures and to increase manufacturability in the process of production of metallurgical products (decrease in deformation resistance and increase ductility during hot machining; increase machinability by cutting).

Технический результат достигается тем, что прецизионная аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит бор и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:The technical result is achieved in that the precision austenitic steel containing carbon, chromium, manganese, silicon, nitrogen, iron and inevitable impurities, according to the invention additionally contains boron and magnesium in the following ratio of components, wt.%:

УглеродCarbon 0,07-0,130.07-0.13 ХромChromium 12,0-14,012.0-14.0 МарганецManganese 17,2-20,017.2-20.0 КремнийSilicon 0,3-0,80.3-0.8 БорBoron 0,0005-0,00300.0005-0.0030 МагнийMagnesium 0,01-0,050.01-0.05 АзотNitrogen 0,03-0,070.03-0.07 Железо и неизбежные примесиIron and inevitable impurities остальное,rest,

причем суммарное содержание бора и магния составляет 0,012-0,051, а содержание хрома, кремния, марганца, углерода и азота связано зависимостью:and the total content of boron and magnesium is 0.012-0.051, and the content of chromium, silicon, manganese, carbon and nitrogen is related by:

Соотношение компонентов в данном изобретении обеспечивает получение устойчивой определенной величины коэффициента линейного расширения >21·10⁶ К^-1 при переменном воздействии температур 500°С и 800°С не только за счет совокупности хрома и марганца, но также за счет гарантированного ускорения возможности появления в структуре дельта-феррита. Наличие в структуре дельта-фазы приводит к перераспределению содержания хрома и марганца между α- и γ-фазами, вследствие чего изменяется коэффициент линейного расширения. Одновременно с этим при появлении дельта-феррита наблюдается ухудшение технологичности стали в части возникновения рванин, трещин на поверхности проката, что вызовет повышенный расход металла при зачистке полуфабрикатов.The ratio of the components in this invention provides a stable defined linear expansion coefficient> 21 · 10 ⁶ K ^-1 when the temperature is 500 ° C and 800 ° C, not only due to the combination of chromium and manganese, but also due to the guaranteed acceleration of the possibility of occurrence in structure of delta ferrite. The presence of a delta phase in the structure leads to a redistribution of the chromium and manganese content between the α and γ phases, as a result of which the coefficient of linear expansion changes. At the same time, with the occurrence of delta ferrite, a decrease in the processability of steel is observed in terms of the appearance of flaws, cracks on the surface of the rolled product, which will cause an increased consumption of metal during the cleaning of semi-finished products.

Содержание углерода в стали должно составлять от 0,07% до 0,13%.The carbon content in steel should be between 0.07% and 0.13%.

Нижний предел, равный 0,07%, обеспечивает получение аустенитной структуры без следов дельта-феррита; верхний предел ограничен 0,13%, т.к. в случае превышения этого значения наблюдается образование карбидов, для растворения которых требуется повышение температуры закалки, что приводит к росту аустенитного зерна и снижению коэффициента линейного расширения.A lower limit of 0.07% provides an austenitic structure without traces of delta ferrite; the upper limit is limited to 0.13%, because if this value is exceeded, carbides are formed, the dissolution of which requires an increase in the quenching temperature, which leads to an increase in austenitic grain and a decrease in the coefficient of linear expansion.

Пределы по содержанию хрома выбраны по следующим соображениям.The limits for the chromium content are selected for the following reasons.

При содержании хрома ниже 12,0% не достигается требуемый минимальный уровень коррозионной стойкости в атмосферных условиях повышенной влажности.When the chromium content is below 12.0%, the required minimum level of corrosion resistance in atmospheric conditions of high humidity is not achieved.

Если содержание хрома более 14%, в аустенитной основе стали появляется дельта-феррит, в связи с чем снижается величина коэффициента линейного расширения.If the chromium content is more than 14%, delta ferrite appears in the austenitic base of the steel, and therefore the linear expansion coefficient decreases.

Пределы по содержанию марганца играют определяющую роль в обеспечении необходимого уровня коэффициента линейного расширенияThe limits on the manganese content play a decisive role in ensuring the necessary level of linear expansion coefficient

При содержании марганца ниже величины 17,2% и выше 20% не достигается стабильность величин коэффициента линейного расширения при термоциклировании в интервалах от 20°С до 500°С и от 20°С до 800°С.When the manganese content is lower than 17.2% and above 20%, the stability of the linear expansion coefficient is not achieved during thermal cycling in the ranges from 20 ° C to 500 ° C and from 20 ° C to 800 ° C.

Пределы по содержанию кремния выбраны исходя из того, что при содержании его ниже 0,3% металл недостаточно раскислен и содержит повышенное количество кислорода, что отрицательно влияет на сопротивление коррозии. При содержании кремния более 0,8% наблюдается появление в структуре дельта-феррита и снижается коэффициент линейного расширения.The silicon content limits are selected based on the fact that when its content is below 0.3%, the metal is not sufficiently deoxidized and contains an increased amount of oxygen, which negatively affects the corrosion resistance. When the silicon content is more than 0.8%, the appearance of delta ferrite in the structure is observed and the coefficient of linear expansion decreases.

Содержание азота ограничено пределами от 0,03% до 0,07%. Нижний предел по содержанию азота, равный 0,03%, - это то минимальное количество, которое всегда присутствует в металле при открытой электродуговой выплавке. Верхний предел ограничен 0,07%, т.к. при превышении его имеет место упрочнение стали, отрицательно влияющее на обрабатываемость резанием.The nitrogen content is limited to from 0.03% to 0.07%. The lower limit on the nitrogen content, equal to 0.03%, is the minimum amount that is always present in a metal with open electric arc smelting. The upper limit is limited to 0.07%, because when it is exceeded, hardening of steel takes place, which negatively affects the machinability by cutting.

Микролегирование бором способствует повышению качества поверхности, как в горячедеформированном состоянии, так и после обработки резанием, а также препятствует росту аустенитного зерна.Microalloying with boron helps to improve the quality of the surface, both in the hot-deformed state and after processing by cutting, and also prevents the growth of austenitic grain.

При 0,0005% бора имеет место минимальный эффект, верхний предел ограничен для предупреждения выпадения из твердого раствора боридов.At 0.0005% boron, a minimal effect takes place, the upper limit is limited to prevent the precipitation of borides from the solid solution.

Магний в данной композиции повышает технологичность металла при обработке давлением за счет повышения чистоты металла по границам зерен, что приводит к снижению сопротивления деформации при высоких температурах. При 0,01% магния достигается минимум сегрегации вредных примесей. Верхний предел по содержанию магния ограничен 0,05%, т.к. при большем его содержании появляются неметаллические включения в виде сложных оксидов.Magnesium in this composition increases the processability of the metal during pressure processing by increasing the purity of the metal along the grain boundaries, which leads to a decrease in deformation resistance at high temperatures. At 0.01% magnesium, a minimum of segregation of harmful impurities is achieved. The upper limit on the magnesium content is limited to 0.05%, because with its greater content, non-metallic inclusions in the form of complex oxides appear.

Поскольку действие бора и магния в данной композиции протекает в общих направлениях, суммарное количество их ограничено 0,012%-0,051%.Since the action of boron and magnesium in this composition proceeds in general directions, their total number is limited to 0.012% -0.051%.

При (B+Mg)<0,012% не достигается значительного эффекта влияния их на повышение технологичности и размер зерна.When (B + Mg) <0.012%, a significant effect of their influence on improving manufacturability and grain size is not achieved.

При (B+Mg)>0,051% в структуре металла наблюдается появление избыточных фаз сложного состава.At (B + Mg)> 0.051%, the appearance of excess phases of complex composition is observed in the metal structure.

Экспериментально установлено, что при величине зависимостиIt was experimentally established that with the magnitude of the dependence

не обеспечивается необходимый уровень значений коэффициента линейного расширения, а при величине зависимостиthe required level of linear expansion coefficient is not provided, but with the magnitude of the dependence

нарушается стабильность при термоциклировании.stability is affected by thermal cycling.

Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие в объеме формулы изобретения.The following are embodiments of the invention, not excluding others in the scope of the claims.

Опытные плавки выплавляли в условиях экспериментального комплекса ЦНИИЧермет, а также в промышленных условиях на оборудовании ОАО «Металлургический завод «Электросталь».The experimental melts were smelted under the conditions of the TsNIICHermet experimental complex, as well as under industrial conditions on the equipment of OJSC Metallurgical Plant Elektrostal.

Выплавка в ЦНИИЧермете производилась в 100-киллограмовой индукционной печи. Металл разливали в изложницы для слитков массой 20 кг. Выплавка в ОАО «Электросталь» производилась в 1-тонной электродуговой печи. Получение зависимостиSmelting at TsNIIChermet was carried out in a 100-kilogram induction furnace. Metal was poured into ingot molds weighing 20 kg. Smelting at OJSC Elektrostal was carried out in a 1-ton electric arc furnace. Getting Addiction

при выплавке опытных плавок достигалось путем расчета навесок с учетом угара хрома.during the smelting of experimental melts was achieved by calculating the weights taking into account the fume of chromium.

В таблице 1 приведен химический состав опытных плавок, а в таблице 2 представлены свойства полученных сталей.Table 1 shows the chemical composition of the experimental melts, and table 2 presents the properties of the obtained steels.

Таблица 1.Table 1. Химический состав предлагаемой стали.The chemical composition of the proposed steel. Массовая доля элементов, %Mass fraction of elements,% №No. СFROM CrCr MnMn SiSi NN ВAT MgMg B+MgB + Mg Cr+1,7SiCr + 1,7Si

Note one 0.11 12.5 18.2 0.4 0,03 0,0009 0.04 0,0409 2.83 Smelted at TsNIIchermet 2 0.10 13 19.5 0.7 0,07 0.002 0.02 0,022 3.46 Smelted at TsNIIchermet 3 0.08 12.3 18.6 0.6 0.05 0.001 0.015 0.016 2.6 Smelted at OJSC Elektrostal

Таблица 2.Table 2. Свойства предлагаемой стали.Properties of the proposed steel. №No. Средний температурный коэффициент линейного расширения в диапазоне температур от 20°С в 10⁶ К^-1(после 50-ти циклов)The average temperature coefficient of linear expansion in the temperature range from 20 ° C to 10 ⁶ K ^-1 (after 50 cycles) Содержание дельта-феррита, в структуре, %The content of delta ferrite in the structure,% σ_в при 1100°С МПаσ _in at 1100 ° С MPa KCU при 1100°С Дж/смKCU at 1100 ° C J / cm 100°С100 ° C 200°С200 ° C 400°С400 ° C 500°С500 ° C 600°С600 ° C 700°С700 ° C 800°С800 ° C 1one 16,916.9 17,817.8 19,819.8 21,421,4 22,322.3 22,522.5 23,123.1 00 3131 160160 22 17,017.0 17,917.9 20,120.1 21,221,2 22,322.3 22,522.5 23,523.5 0,50.5 3333 172172 33 16,816.8 18,118.1 20,320.3 21,521.5 22,722.7 22,922.9 23,723.7 0,50.5 2929th 178178

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемая сталь является более технологичной при горячей обработке давлением, чем прототип: σ_в при 1100°С составляет 29÷31 МПа против 42 МПа и KCU составляет 160÷178 дж/см² против 125 дж/см².The data in table 2 show that the proposed steel is more technologically advanced during hot processing than the prototype: σ _in at 1100 ° C is 29 ÷ 31 MPa versus 42 MPa and KCU is 160 ÷ 178 j / cm ² against 125 j / cm ² .

Claims

Precision austenitic steel containing carbon, chromium, manganese, silicon, nitrogen, iron and inevitable impurities, characterized in that it additionally contains boron and magnesium in the following ratio of components, wt.%:

carbon 0.07-0.13 chromium 12.0-14.0 manganese 17.2-20.0 silicon 0.3-0.8 boron 0.0005-0.0030 magnesium 0.01-0.05 nitrogen 0.03-0.07 iron and inevitable impurities rest

while the total content of boron and magnesium is 0.012-0.051, and the content of chromium, silicon, manganese, carbon and nitrogen is related by: