Феритна корозійностійка сталь

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к сталям производимым в открытых дуговых печах и пригодным для изготовления технологического оборудования пищевой, перерабатывающей промышленности, бытовой техники, товаров народного потребления, химического машиностроения, с применением дуговых способов сварки. Особенностью сталей ферритного класса является склонность их к интенсивному росту зёрна. Такой рост зерен способствует дополнительному снижению прочностных характеристик при высоких температурах и дальнейшему повышению хрупкости металла при пониженных и комнатных температурах, причем полученное хрупкое зерно не может быть измельчено термической обработкой из-за отсутствия полиморфного превращения. Наиболее важной особенностью ферритных сталей является их склонность к охрупчиванию в процессе охлаждения с высоких температур, что ограничивает так-же возможность холодной пластической деформации листа, ленты из этих сталей. Повышение деформируемости, снижение степени охрупчивания металла и предупреждение роста зерна является главными задачами при разработке и производстве сталей ферритного класса. Известна сталь по авт.св. СССР №771179, кл. С 22 С 38/28; С 22 С 38/38, 1980, содержащая, мас.%: Недостатком известной стали является плохая свариваемость, проявляющаяся в охрупчивании околошовной зоны сварного соединения, склонности к межкристаллитной коррозии, повышенной температурой порога хладноломкости, что резко ограничивает области ее использования. В качестве прототипа выбрана ферритная коррозионно-стойкая сталь [1], содержащая компоненты, мас.%: Сталь обладает улучшенной свариваемостью, коррозионной стойкостью в ряде кислот: лимонной, молочной, уксусной, муравьиной, азотной. Недостатком известной стали является необходимость термообработки сварных соединений толщиной более 6 мм. Сталь в состоянии поставки, феррит-ная с дисперсными выделениями карбонитридов ванадия и титана. Однако, в результате высокотемпературного сварочного нагрева в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных соединений образуется по границам зерен аустенитная фаза, если суммарное содержание примесей внедрения углерода и азота (С+ N2 > 0,1%). Появление аустенита после сварки стали снижает стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) и деформируемость сварных соединений в холодном состоянии при штамповке Склонность сварных соединений к МКК устраняется дополнительной термической обработкой: нагревом при температуре 900 град.С, с выдержкой один час и охлаждением в воде. Для термообработки сварных заготовок необходимо дополнительное оборудование, ограничение изделий по размерам, увеличиваются затраты, резко снижая область использования стали. Поставлена задача создать такую ферритную коррозионно-стойкую сталь, в которой введение легирующих компонентов никеля, меди, циркония, церия заявленного нами соотношения позволило бы улучшить деформируемость, сохранить коррозионную стойкость и устранить дополнительную термообработку сварных соединений. Эта задача решена тем, что в предложенную ферритную коррозионно-стойкую сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, алюминий, титан, азот, магний, железо дополнительно введены никель, медь, цирконий, церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод оказывает сильное влияние на пластичность и деформируемость ферритных хромистых сталей. Будучи активным аустенизатором и карбидообразователем, обладая высокими гидрофильными свойствами углерод часто определяет структурный и фазовый состав стали. Выделяясь по границам зерен в высокотемпературной области в виде нестабильного аустенита, он резко снижает пластичность стали, способность к деформируемости. С ростом содержания углерода ухудшаются и коррозионные свойства стали. Поэтому при выплавке хромистых сталей стремятся к снижению его содержания. Нижний предел углерода в стали (0,01%) принят, исходя из возможностей современной металлургии. Верхний предел углерода 0,06% принят, исходя из того, что при более высоком содержании углерода последний расширяя аустенитную область, под воздействием высокотемпературного сварочного нагрева, резко снижает стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) сварных соединений и способствует охрупчиванию зоны термического влияния при сварке особенно толстолистового металла. Находясь в свободном состоянии в твердом растворе, углерод способствует охрупчиванию хромистых сталей при комнатной и низкой температуре.Поэтому углерод связывают в карбиды и карбонитриды с помощью элементов стабилизаторов, извлекая его из твердого раствора, повышая пластичность стали. Кроме того, углерод образует карбиды хрома, в результате концентрация хрома в твердом растворе понижается, способствуя образованию МКК стали. Для предотвращения склонности стали к МКК хромистые стали стабилизируют активными элементами: титаном, цирконием, ванадием. Однако, количество каждого из этих элементов должно быть регламентировано. Постоянными примесями, которые применяются в качестве раскислителей хромистых сталей, являются: алюминий, марганец, кремний. Нижний предел содержания алюминия 0,005% обеспечивает отсутствие газовых раковин и других дефектов макроструктуры. Дальнейшее увеличение его до 0,1% направлено на повышение пластичности стали и исключения дефектов слитков, слябов и проката по пленам, трещинам и расслоениям. Введение ограниченного содержания кремния в сталь обусловлено тем, что при меньшем содержании кремния (0,05%) сталь содержит пузыри, раковины, а при большем содержании (выше 0,8%) снижается ударная вязкость, ухудшается свариваемость. Нижний предел по содержанию марганца (0,05%) также выбран из условий обеспечения раскисления стали и связывания серы в тугоплавкие сульфиды. Однако, превышение содержания марганца в стали выше (0,8%) нежелательно, поскольку марганец является аустенитообразующйм элементом, способным образовать в структуре дополнительное количество аустенита и привести к двухфазной структуре. Введение магния в количестве (0,001-0,05%) в сталь сопровождается образованием сферических недеформирующихся неметаллических включений, представляющих собой соединения серы с магнием. Кроме того, микродобавки магния способствуют снижению серы в стали. Хром является основным элементом коррозионно-стойких нержавеющих сталей. Он относится к легирующим элементам стабилизирующим в железных сплавах ct-фазу, обеспечивая однофазность структуры, важнейшего условия технологической пластичности. Он легко пассивируется, обеспечивая высокую коррозионную стойкость стали. При содержании хрома менее 16% и отсутствии других элементов стабилизаторов снижается коррозионная стойкость особенно в присутствии углерода и азота более 0,1%, так как может образоваться нестабильный аустенит в высокотемпературной области. Превышение хрома более 27% ведет к охрупчиванию при воздействии сварочного нагрева в сварных соединениях, а также образованию сигма фазы. Для обеспечения стойкости стали против межкристаллитной коррозии хромистых ферритных сталей необходимо максимально снизить в них содержание углерода, а также вводить элементы стабилизаторы, назначение которых состоит в предотвращении образования в стали карбидов хрома. В качестве стабилизаторов введены в сталь титан, цирконий, ванадий. Эффект положительного введения стабилизаторов состоит в том, что они будучи более активными карбидообразователями, чем хром, в первую очередь соединяются в карбиды типа МеС. Титан, связывая углерод, азот образует трудно растворимые карбиды, нитриды, карббнитриды, предотвращает выделение по границам зерен сложных карбидов хрома, устраняет возможность активного развития процессов межкристаллитной коррозии. Исходя из этого, нижний предел содержания титана (0,3%) выбран как минимально необходимый для свариваемых сталей. Ниже этого предела сталь в состоянии поставки не склонна к МКК, а в сварном соединении из-за высокотемпературного нагрева при сварке, в зоне термического влияния наблюдается межкристаллитная коррозия, Верхний предел 0,5% выбран, исходя из экстремального характера воздействия титана на ударную вязкость стали - снижение уровня вязкости при повышении указанного количества. Причем для сварного соединения в случае превышения в стали титана более 0,5% и повышенного содержания углерода 0,08...0,1%, характерно охрупчивание зоны термического влияния, обусловлено образованием эвтектики обогащенной титаном. Введение азота оказывает влияние на кристаллизующийся металл, измельчает дендритную структуру, уменьшает химическую неоднородность, прежде всего по хрому и углероду. Увеличение содержания азота в стали приводит к снижению активности углерода. В зависимости от химического состава стали и температуры азот может находиться как в твердом растворе, так и в нитридах. Добавки азота тормозят зарождение и рост карбидов хрома, т.к. диффузионная подвижность азота в 3 раза больше чем углерода, при этом повышается стойкость против межкристаллитной коррозии. Исходя из этого нижний предел 0,02% выбран как минимально необходимый, а верхний (0,04%) для сохранения однофазной ферритной структуры и обеспечения пластичности металла в том числе при отрицательных температурах. При содержании азота в стали более (0,05%) и в присутствии углерода более 0,06% после сварки в ЗТВ образуется по границам ферритных зерен нестабильный аустенит. На границах феррита и аустенита наблюдается выделение карбидов хрома, способствующих появлению МКК в сварных соединениях. Для устранения МКК необходима термическая обработка: нагрев при 900 град.С в течение одного часа, которая способствует равномерному распределению хрома в ферритном зерне и устранению интеркристаллитной коррозии. Поэтому ограничение содержания азота в пределах 0,02...0,04% в присутствии стабилизаторов титана, ванадия, циркония обеспечивает стойкость сварных соединений против МКК и исключает дополнительную термическую обработку сварных изделий, что экономически выгодно и расширяет область использования стали. . В процессе технологического передела при производстве толстолистового и тонколистового проката в период охлаждения происходит выделение избыточных фаз из твердого раствора в широком диапазоне температур. Используя различные нитридокарбонитридообразующие элементы, их особенности выделения, можно повысить деформационную способность стали. Известно, что у карбо- и нитридообразующих элементов сродство к азоту не одинаково, оно характеризуется теплотой образования каждого нитрида. По величинам теплот образования способность к нитридообразованию уменьшается в следующем порядке: цирконий, титан, ниобий, ванадий, хром /- DН298 = 366; 337; 251,4; 238; 118,2 КДж/моль Самсонов Г.В., Винницкий М.М. Тугоплавкие соединения. М., Металлургия, 1976, с. 558), Температурный интервал выделения карбидов и нитридов для указанных выше элементов различный и поэтому совместное легирование хромистой стали цирконием, церием, титаном, ванадием способствует более полному выделению избыточных фаз из твердого раствора в широком интервале температур. При этом изменяется дисперсность и морфология избыточных, фаз, что приводит к улучшению деформируемости как во время горячей прокатки, так и при холодной, уменьшению охрупчивания стали при комнатных температурах, вследствие измельчения ферритного зерна. Нижний предел содержания ванадия 0,1% определен из условия получения определенной плотности выделения высокодисперсных частиц VG, V(CN), VN. Верхний предел содержания ванадия (0,8%) предусматривает возможность выплавки стали с содержанием углерода на верхнем пределе марочного состава. Нитриды ванадия, выделяясь из твердого раствора препятствуют развитию процесса рекристаллизации, предупреждают интенсивный рост ферритного зерна при сварке, улучшая структуру и свойства околошовной зоны. Введение ванадия повышает стойкость стали против питтинговой коррозии. Кроме того нитриды ванадия, выделяясь в мелкодисперсном виде, повышают деформируемость стали. Нижний предел по содержанию циркония 0,05% определен из условия получения нитридов циркония до 1 мкм. Верхний предел содержания циркония 0,15% предусматривает возможность выплавки стали с содержанием азота на верхнем пределе марочного состава. Дальнейшее увеличение количества циркония в стали нежелательно, так как при воздействии высокотемпературного нагрева при сварке последний сегрегирует на границах ферритного зерна, вызывая охрупчивание сварных соединений. Добавки церия в пределах 0,005-0,03% положительно влияют на прочностные, пластические и ударные характеристики хромистых сталей. Церий улучшает горячую пластичность сталей их деформируемость при высоких температурах. Он имеет тенденцию вытеснять вредные примеси с границ зерен в объем зерна, благодаря чему очищаются границы и повышается прочность металла. Церий снижает выделение карбидов хрома и способствует повышению стойкости против питтинговой коррозии. Структура хромистых сталей микролегированных церием более однородная, величина зерна меньше, карбидная фаза по границам зерен имеет прерывистое строение и более округлую форму. Церий благодаря химической активности нейтрализует действие вредных примесей; кислорода, водорода, серы, улучшая механические свойства стали. Он оказывает влияние на перераспределение азота, ванадия, титана, циркония и способствует образованию мелких нитридов и карбонитридов, облегчая деформируемость металла. Введение церия оказывает влияние на качество горяче и холоднокатаного проката, уменьшая брак по пленам, повышая стойкость против МКК. Высокая адсорбционная активность титана, циркония и сильное притягивающее воздействие Ме-С усиливают сегрегацию углерода. (Dumoulin Rh: Guffman M.L Meter Sciand End - 198Q-42N2-P.249). Сегрегационные эффекты на границах зерен и других дефектах структуры в значительной степени определяют пластичность материалов. Поэтому подбор легирующих добавок, нейтрализующих охрупчивание и повышающих деформируемость сплавов на основе железо-хром является актуальной задачей при усовершенствовании стали. Известно, легирование никелем препятствует диффузионной, подвижности углерода в твердом растворе железохромистых сплавов, при этом падает уровень концентрации углерода и кислорода на границах зерен и снижается температура хрупко-вязкого перехода. Малые добавки никеля в пределах 0,3.,.0,8% положительно влияют на пластические свойства и деформируемость хромистых сталей. С увеличением количества никеля выше указанного предела при сварке особенно толстолистового проката в зоне термического влияния образуется аустенитная фаза, которая при охлаждении превращается в мартенсит, ухудшая пластичность сварного соединения. Введение в ферритные стали меди в пределах 0,05-0,5%, предусматривает возможность выплавки стали с содержанием хрома на нижнем пределе марочного состава и способствует пассивируемости, а также повышает сопротивление против точечной, атмосферной коррозии, расширяя область ее применения. Оптимизация предлагаемого состава стали для улучшения деформируемости и сохранения коррозионных свойств в условиях металлургического передела достигается нетолько выбором легирующих элементов в указанных пределах, но и соответствующим их соотношением, выражаемым с помощью показателя К. Благоприятный диапазон этого показателя установлен экспериментально. Он связан с образованием избыточных фаз, выделяющихся в стадии технологического передела, распределением их по телу зерна или на границах, а также наличием либо отсутствием аустенитной фазы в зависимости от соотношения содержания легирующих элементов. При выполнении соотношения 7