Інструментальна нержавіюча сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям и может быть использовано для изготовления коррозионностойких подшипников в химической, пищевой и авиационной промышленности, бытовых приборов (ножниц, ножей), медицинских однолезвийных инструментов (скальпелей, ножей) и стоматологических инструментов, обладающих повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является сталь [Авт.св. №1420063, кл. С 22 С 38/44, 1986], содержащая, мас.%: Углерод 0,45-0,55 Кремний 0,8-1,3 Марганец 0,15-0,4 Хром 14,0-16,0 Молибден 0,2-0,5 Ванадий 0,16-0,4 Азот 0,06-0,1 Никель 0,1-0,5 Кальций 0,01-0,05 Алюминий 0,001-0,05 РЗМ 0,06-0,1 Железо Остальное Недостатком этой стали является низкая коррозионная стойкость и износостойкость. Наличие в структуре стали нерастворимых крупных эвтектических корвидов типа Сr23С6. создающи х вокруг себя области повышенных напряжений, являющихся источником микротрещин, снижает прочность и уменьшает стойкость против питтинга и других видов локальной коррозии. К недостаткам следует также отнести тот факт, что максимум твердости достигается после отпуска при температуре 180°С, что существенно снижает возможности ее применения, например для медицинского инструмента, в процессе стерилизации которого в автоклавах (при температуре 200° С) происходит разупрочнение стали, снижение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. В основу изобретения поставлена задача создания стали для изготовления медицинских инструментов и различных деталей и узлов, обладающи х повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью. Поставленная задача решается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, азот и железо дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,18-0,25 Кремний 0,3-0,6 Хром 14,0-16,0 Молибден 0,5-1,0 Ванадий 0,05-0,15 Марганец 2,5-4,0 Ниобий 0,05-0,15 Азот 0,16-0,23 Железо Остальное Сталь имеет структур у отпущенного мартенсита и характеризуется высокой твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью. Увеличение содержания азота приводит в изменению типа упрочняющих выделений в стали: вместо карбидов хрома Сr23С6 в заявляемой стали выделяются карбонитриды Cr(C,N) и Cr2(C,N). Это обеспечивает меньшее обеднение хромом зоны твердого раствора вокруг выделений и меньшую поверхностную энергию на границе твердого раствора и выделившихся частиц второй фазы, следствием чего является повышение коррозионной стойкости. Твердость и прочность увеличиваются благодаря большей дисперсности карбонитридных частиц в сравнении с карбидами. Содержание азота в заявляемой стали является равновесным, что существенно облегчает те хнологию ее производства и снижает стоимость. Наличие в составе заявляемой стали легирующи х элементов, повышающих предел растворимости азота в жидкой фазе (хром, молибден, марганец) позволяет получить требуемые содержания азота при плавке в обычных условия х в вакуумно-дуговы х и индукционных печах в атмосфере азота без избыточного противодавления. Ниобий, являясь сильным карбидо- и нитридообразующим элементом, обеспечивает выделение частиц при повышенных температурах отпуска (вторичное твердение), повышает термическую стабильность карбонитридов и препятствует разупрочнению при нагреве. Для растворения карбонитридов ниобия требуются более высокие температуры, что приводит к задержке роста зерна. Содержание углерода 0,25% приводит к уменьшению содержания азота в стали, что вызывает снижение коэффициента деформационного упрочнения и наличию после закалки нерастворенных карбидов хрома, что ухудшает коррозионную стойкость. Содержание кремния 0,6% снижает растворимость азота и углерода в аустените, чем затрудняет растворение карбидов и нитридов при нагреве под аустенитизацию, и соответственно, облегчает их выделение при замедленном охлаждении или отпуске, обуславливая при этом их неравномерное распределение, что способствует охр упчиванию стали и ухудшению стойкости стали к межкристаллической коррозии. Кроме того из-за увеличения доли ковалентных и направленных связей в решетке аустенита снижается пластичность стали и возрастает сопротивление стали горячей деформации, т.е. затрудняется прокатный предел. Содержание хрома 16,0% приводит к образованию s-фазы при термообработке, выделение которой вызывает охрупчивание стали. Концентрация марганца 4,0% ухудшает коррозионную стойкость и ускоряет процесс образования s-фазы, что снижает пластичность стали. Содержание молибдена 1,0% уменьшает стойкость к межкристаллитной коррозии, способствует образованию труднорастворимых карбидов и нитридов, для растворения которых необходимо повышать температуру термической обработки стали. Содержание азота 0,23% затрудняет технологию выплавки стали, требует увеличения концентрации легирующих элементов, повышающих предел растворимости азота в аустените (Сr, Мn, Мо). Содержание ванадия 0,15% уменьшает стойкость к межкристаллитной коррозии, способствует образованию труднорастворимых карбидов и нитридов, для растворения которых необходимо повышать температуру термической обработки стали. Содержание ниобия 0,15% уменьшает стойкость к межкристаллитной коррозии, способствуе т образованию труднорастворимых карбидов и нитридов, для растворения которых необходимо повышать температуру термической обработки стали. Опытные плавки выплавлены в лабораторных условия х. Выплавку проводим на химически чистых шихтовы х материалах, в индукционной печи, в атмосфере азота. Берем шихту (мас.%), состоящую из железа - 80,08%, хрома - 15,0%, марганца - 3,2%, молибдена - 0,8%, углерода - 0,22%, кремния - 0,5%, ванадия 0,1%, ниобия - 0,1%. Загружаем шихту в керамический тигель и помещаем в индукционную печь. Нагрев осуществляется до температуры плавления шихтовы х компонентов в атмосфере азоте, Легирование азотом до равновесной концентрации осуществляется в процессе плавки в атмосфере азота. Полученный расплав выливаем в изложницу для кристаллизации. В табл.1 приведены составы шести опытных плавок, содержание элементов в которых соответствует предлагаемому составу и известной стали. Слитки проковывали в прутки диаметром 3,0 мм. После закалки от температуры 1100°С в воду образцы из предлагаемой стали подвергали отпуску при температуре 500° С. Термическую обработку образцов из известной стали осуществляли по оптимальному режиму: закалка от 1075° С, отпуск при 180° С. Проволоку испытывали на разрыв и измеряли твердость по Виккерсу алмазным индентором при нагрузке 30 кГ. Коррозионную стойкость определяли в аппарате погружения образцов в синтетическую морскую воду по режиму: 15 мин - вода, 15 мин - воздух. Испытания на износостойкость проводили в условиях возвратнопоступательного трения без смазки при комнатной температуре при амплитуде колебаний 200 мкм, частоте колебаний f = 50 Гц, начальном давлении р = 330 МПа на установке, описанной в [3]. Образец изготавливался в виде цилиндра диаметром 2,5 мм. Контртело из различных материалов: 1 - сталь 38ХМЮА, закаленная и азотированная; 2 - сталь 20Х, закаленная и цементированная; 3 - композиционный материал, состоящий из 80 маc.% эвтектической стали ХВС+20 маc.% БрАЖ-9-4; представляло собой параллелепипед со сторонами (3*10*15) мм. Трение боковой поверхности цилиндра происходило по полированной грани (3*10)мм параллелепипеда. Износ образца и контртела измерялся профилографом-профилометром модели 250 (з-д "Калибр"). Результаты испытаний представлены в табл.2 и 3. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь имеет большую коррозионную стойкость и износостойкость, чем известная сталь, что позволяет увеличить срок службы изделий. Преимущество предлагаемой стали при использовании в качестве материала для подшипников и других узлов при эксплуатации в условиях о граниченного использования смазочных материалов (при наличии контакта металл-металл) основано на высокой твердости и отсутствии крупных карбидов, которые создают вокруг себя места повышенных напряжений и часто являются источниками микротрещин, а кроме того уменьшают стойкость против питтинга и других видов коррозии. Заявляемый состав стали можно получить как в лабораторных, так и в промышленных условиях.