Зносостійка сталь з високою корозійною стійкістю

Корисна модель відноситься до зносостійких сталей з високою корозійною стійкістю для виробів, що експлуатуються у агресивних середовищах. Відомо сталь, що містить (масс. %) 0,05-0,1С, 18-22Mn, 12,5-17Cr, 1,5-5Ni, 0,2-0,4N, 0,2-0,7V, £ 1Мо, 2-4Si, £ 0,05P, £ 0,03S [з. 9410933, ЕПВ МПК6 С22С38/58, ИСМ №4-98]. £ 1Сu, Недоліком відомої сталі є низька стійкість проти ударного зношування, хоча вона стійка проти корозії та абразивного зношування. Причиною цього є низький коефіцієнт деформаційного зміцнення внаслідок низького вмісту елементів, що утворюють твердий розчин втілення (вуглець і азот). Відомо сталь, що містить (мас. %) 28-45Ni, 20-30Cr, 1,5-6,2Мо, 2,3-12Nb, 0,3-1,5С, 0,8-4Сu, £ 1,5Mn і Si, £ 1Co, £ 0,11N [патент США 5360592, МПК6 С22С30/00, ИСМ №12-95]. £ 1Ті, Відома сталь стійка проти корозії та абразивного зношування, проте має низьку стійкість проти ударного зношування. Причиною цього є низький коефіцієнт деформаційного зміцнення внаслідок високого вмісту нікелю. Найбільш близькою за технічною сутністю до корисної моделі, що заявляється, є сталь Гадфільда, що містить (мас. %) 12-14Mn і 1,0-1,3С. Сталь Гадфільда має високу стійкість проти ударного зношування завдяки високому вмісту вуглецю і низькій енергії дефектів пакування, яка спричиняє локальне фазове перетворення аустеніту у епсілонмартенсит. Її недоліком є низька корозійна стійкість, що пояснюється відсутністю хрому у її складі. Числені спроби поліпшити корозійну стійкість сталі Гадфільда за рахунок легування хромом були безуспішними, тому що наявність хрому у вуглецевих а устенітних сталях призводить до виділення карбідів хрому Сr23С 6, і, як наслідок видалення вуглецю і хрому із твердого розчину, стійкість проти зношування втрачається, а корозійна стійкість не покращується. В основу корисної моделі поставлено завдання розробки зносостійкої сталі з високою корозійною стійкістю. Поставлене завдання вирішується тим, що сталь, яка містить марганець і вуглець, причому її додатково легують хромом і азотом при такому співвідношенні компонентів (мас. %): хром 13.0-19.0, марганець 17.0-24.0, вуглець+азот 0.6-1.4, залізо решта. Суть корисної моделі полягає в тому, що хром забезпечує корозійну стійкість, а сумісне легування вуглецем і азотом підвищує термодинамічну стабільність аустенітної сталі, що перешкоджає виділенню карбідів і нітридів хрому, які погіршують корозійну стійкість. Поряд з цим вуглець+азот знижують енергію дефектів пакування аустеніту і, завдяки цьому, стимулюють аустеніто-мартенситне перетворення, підвищуючи стійкість проти ударного зносу. - Встановлено, що вуглець зменшує концентрацію вільних електронів на рівні Фермі у залізі, в той час як азот збільшує її, а азот+вуглець найбільш підвищують її; - Встановлено кореляцію між концентрацією вільних електронів і ближнім атомним порядком: її збільшення, тобто превалюючий металевий характер міжатомного зв'язку, сприяє ближньому атомному упорядкуванню і, відповідно, хімічній однорідності твердого розчину; її зменшення, тобто переважно ковалентний міжатомний зв'язок, спричиняє ближнє атомне розшарування твердого розчину, що супроводжується утворенням кластерів із атомів легуючи х елементів; - Ближнє атомне упорядкування твердого розчину підвищує термодинамічну стабільність сталей. Таким чином, сумісне легування вуглецем і азотом дозволяє запобігти утворенню кластерів із атомів хрому і подальшому виділенню карбідів хрому, що забезпечує потрібну корозійну стійкість. Вміст хрому менше 13% призводить до корозії сталі, тому що не досягається перший потенціал пітінгу. При вмісті хрому вище 19% не вдається перешкодити виділенню карбідів хрому при наявному максимальному вмісту вуглецю+азоту, що погіршує як корозійну стійкість так і стійкість проти ударного зносу. Вміст марганцю менше 17% не забезпечує аустенітн у структур у сталі, що призводить до появи фериту і відповідного зменшення стійкості проти зносу. При його вмісті вище 24% корозійна стійкість знижується незважаючи на високий вміст хрому, оскільки атоми марганцю порушують стійкість захисної плівки на поверхні сталі і сприяють сприяють її прориванню йонами хлору. Вміст вуглецю+азоту менше 0,6% не забезпечує аустенітну стр уктур у сталі при такому вмісті хрому і марганцю. При вмісті вуглецю+азоту ви ще 1,4% підвищується енергія дефектів пакування і, внаслідок відсутнього аустеніто-мартенситного перетворення, зменшується деформаційне зміцнення при ударному зносі. Окрім цього спостерігається часткове виділення карбідів хрому, що негативно впливає на корозійну стійкість. Дослідні плавки виконано у лабораторних умовах. Виплавку проведено у дуговій печі у атмосфері аргону. Азот вводився як азотований феррохром. Хімічний склад плавок приведено у Таблиці 1. Зливки кують до діаметру 10мм, після чого вальцюють до товщини 4мм і вирізають зразки для структурних досліджень і випробувань на стійкість проти зносу і корозії. Енергію дефектів пакування, що впливає на інтенсивність аустеніто-мартенситного перетворення при деформації зношування, визначено методом електронної мікроскопії. Твердість було вимірено на приборі „Віккерс". Стійкість проти ударного зношування оцінено по збільшенню твердості після ударної обробки поверхні стальним дробом. Питому енергію утворення тріщини визначають при царапанні алмазним індентором під нагрузкою 0.3H при швидкості руху індентора 0.2мкм/с на дистанції 0.5мм. Схильність до загальної корозії оцінювалась по втраті ваги після перебування зразків у 1Н розчині сірчаної кислоти протягом 30 діб. Таблиця 1 Хімічний склад № C+N плавки 1 0.6 2 1.4 3 0.99 4 0.48 5 1.56 6 1.1 Cr Mn 13.0 19.0 15.3 12.4 19.2 0.2 17.0 24.0 21.6 16.1 25.4 13.3 Енергія дефекту Исходная твёрдость пакування, мДж/м 2 HV30 28 220 27 270 22 250 40 190 38 290 25 230 D HV30* es** Дж/мм 3 D G*** % 170 160 190 30 40 140 11.6 13.4 12.8 5.4 6.7 12.5 0.6 0.8 0.4 1.5 1.8 11.2 * Підвищення твердості після ударної обробки дробом, ** Питома енергія утворення тріщини при абразивному зношуванні, *** Втрата ваги в результаті випробувань на загальну корозію. Зразки сталей, що містять компоненти у заявлених межах, характеризуються низькою енергією дефектів пакування, що зумовлює інтенсивне утворення мартенситу у поверхневому шарі при ударній обробці і, як наслідок, значний приріст твердості, що визначає стійкість проти ударного зношування. Як наслідок, підвищується стійкість проти абразивного зношування, оцінена по значенню питомої енергії утворення тріщини. У порівнянні з відомою сталлю, заявлена сталь характеризується високою стійкістю проти загальної корозії. Зносостійка сталь з високою корозійною стійкістю може бути виплавлена як у лабораторних, так і у промислових умовах.