Сталь, способ ее производства и комплексный сплав для стали

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству высокопрочной стали, предназначенной для валов, устьевых штоков и другого нефтяного оборудования. Цель изобретения - повышение предела текучести, износостойкости и коррозионной стойкости стали. Повышение указанных характеристик достигается дополнительным легированием стали медью, ниобием и стронцием. При этом сталь имеет следующий химический состав, мас.%: C 0,24 - 0,34; Si 0,2 - 0,4; Mn 0,8 - 1,5; Cr 0,8 - 2,5; Ni 1,15 - 3,15; V 0,06 - 0,18; N 0,005 - 0,030; Al 0,02 - 0,05; Ca 0,003 - 0,02; Cu 0,10 - 0,35; Nb 0,01 - 0,03; Sr 0,001 - 0,003; Fe - остальное. Способ производства стали заключается в том, что на первом этапе осуществляют ввод 60 - 70% от общего расхода 2 - 6 кг/т стали комплексного сплава, а на втором этапе одновременно с оставшейся частью комплексного сплава вводят азотированный феррохром и феррованадий, обеспечивая в готовой стали отношение ниобия к азоту 0,3 - 6,0 и стронция к азоту 0,03 - 0,6. Комплексный сплав имеет следующий состав, мас. %: Nb 10 - 25; Si 10 - 40; Al 1 - 5; Ca 0,1 - 5,0; Cu 0,1 - 5,0; N 0,01 - 0,5; Sr 0,7 - 5,0; Fe - остальное. 3 с. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству высокопрочной стали, предназначенной для валов, устьевых штоков, штанг и другого нефтяного оборудования. Оно может быть использовано и для других ответственных деталей машиностроения, например бурового инструмента, коленчатых валов, шатунов, болтов, шпилек и др. Целью изобретения является повышение предела текучести, износостойкости и коррозионной стойкости стали. Химический состав и механические свойства предлагаемой и известной сталей приведены в табл.1. Анализ результатов показывает, что благодаря легированию стали медью, ниобием и стронцием повышается предел текучести, износостойкость, увеличивается время до разрушения образцов при катодном наводороживании. Только введение в сталь всех трех элементов (ниобия, стронция и меди) дает возможность получить тонкую структуру отпущенного мартенсита с равномерно распределенными в пластичной матрицей мелкодисперсными карбонитридами и глобулярными оксисульфидами, очистить границы зерен от вредных примесей и тем самым повысить предел текучести, износостойкость и коррозионную стойкость стали. Присадка легирующих и раскисляющих элементов в виде комплексной лигатуры в два этапа повышает их усвоение и увеличивает эффективность обработки жидкой стали. Предварительное раскисление в ковше комплексной лигатурой (60-70% от общего расхода) на первом этапе при наличии в комплексном сплаве нескольких элементов, обладающих высокими раскислительными свойствами (кальций, кремний, алюминий) позволяет снизить концентрацию активного кислорода в стали, что уменьшает на втором этапе окисления нитридообразующих элементов ниобия, ванадия, стронция и обеспечивает необходимые прочностные свойства и износостойкость стали. Наличие в комплексном сплаве стронция позволяет получить вместо пластичных сульфидов сложные глобулярные оксисульфиды, а также приводит к очищению границ зерен за счет взаимодействия с серой и другими вредными примесями, что обеспечивает значительное увеличение пластических свойств и коррозионной стойкости стали. Отношение в готовой стали ниобия и стронция к азоту соответственно 0,3-6,0 и 0,03-0,6 обеспечивает оптимальный состав, размеры и количество нитридов и карбонитридов. Изучение процесса раскисления стали различными ферросплавами, в том числе SiSr, FeNb, азотированным феррохромом, определяет возможность стабильного отношения ниобия и стронция к азоту только при вводе раскислителей в виде комплексной лигатуры в два приема. В том случае меняется механизм растворения элементов-раскислителей в стали. При введении комплексной лигатуры из-за значительного понижения межфазного натяжения на границе сплава с окисной пленкой последняя постоянно разрушается, увеличивая площадь контакта сплава со сталью. При том достигается стабильное усвоение элементов сталью. Сталь выплавляют в кислых мартеновских печах активным процессом с добавлением в шихту никелевых отходов и предварительно раскисляют и легируют силикомарганцем и феррохромом. Раскисление проводят в ковше в два приема: при наполнении ковша до 2/3 его высоты комплексным сплавом, взятым в количестве 60-70% от его общего расхода; при наполнении ковша на 3/4 оставшейся частью комплексной лигатуры (30-40%) азотированный феррохром и феррованадий. Общий расход комплексной лигатуры, дополнительно содержащей стронций, составляет 0,16-0,75% Результаты сравнительного анализа обработки стали известным и предложенным способами приведены в табл.2. Как следует из табл.2, применение комплексной лигатуры, содержащей стронций, и обеспечение отношения Nb к N 0,3-6,0 и Sr к N 0,03-0,6 позволяет повысить предел текучести стали на 20% износостойкость на 11% и коррозионную стойкость на 30% Выбор содержания граничных пределов компонентов в предложенном комплексном сплаве обусловлен следующим. Известно, что добавки ниобия в сталь (до 0,05% Nb) значительно повышают ее механические свойства. В то же время эффективность действия ниобия значительно увеличивается, если жидкая сталь содержит минимальное количество вредных примесей, особенно серы и кислорода. Поэтому на практике при выплавке стали с ниобием, как правило, ее глубоко раскисляют и проводят десульфурацию обработкой синтетическим шлаком и продувкой порошкообразным реагентом. Это приводит к значительному удорожанию продукции. Уменьшить вредное влияние примесей без дорогостоящей внепечной обработки и снизить активность серы и кислорода в жидкой стали можно путем усиления процессов нитридообразования. Кальций, хотя и обладает большим сродством к сере и кислороду, не решает этой задачи из-за высокой упругости пара при температурах сталеварения. Снизить его парциальное давление можно введением дополнительного компонента, образующего с ним химические соединения и сходного по действию в жидкой стали. Исследования показали, что очень эффективен стронций, в этом случае наблюдается синергический эффект, т.е. суммарное действие компонентов значительно превышает действие их отдельно взятых. Кроме того, стронций резко усиливает процесс нитридообразования. Стандартное изменение свободной энергии образования нитрида стронция Sr₃N₂ при постоянном давлении составляет 81,9 ккал/моль, что почти в два раза превышает значение свободной энергии такого распространенного нитридообразующего элемента, как ванадий. Таким же образом влияют добавки ниобия. В сочетании с остальными компонентами сплава стронций обеспечивает нужный комплекс свойств стальным изделиям. Нижний предел содержания ниобия (10%) обусловлен предельно допустимым вводом в сталь кремния. Верхний предел ниобия (25%) обусловлен тем, что с повышением ниобия в сплаве резко возрастает его угар, увеличивается расход сплава. Содержание кремния 10-40% определяется условиями растворимости в сплаве щелочно-земельных металлов и условиями получения сплава. Алюминий предохраняет ниобий в сплаве от окисления. Ниже 1% его влияние на сталь не обнаружено, при содержании свыше 5% он образует в стали строчечные включения, ухудшающие механические свойства стали. Содержание меди и кальция по 0,1-5% и стронция 0,7-5% обеспечивает достижение поставленной цели. В количествах ниже указанных они практически не оказывают влияния на свойства стали, а при содержании их свыше 5% в стали понижаются пластические свойства. Верхний предел азота зависит от его растворимости в сплаве, нижний предел от практического проявления эффекта нитридообразования. П р и м е р. Комплексные сплавы, составы которых приведены в табл.3, получали в дуговой электропечи алюминотермическим способом. Преимуществом предлагаемого состава сплава является возможность его выплавки из нетрадиционного сырья, содержащего повышенное количество оксидов кремния, что не позволяет использовать его для производства стандартного феррониобия. Результаты испытаний показали, что при использовании для обработки стали сплава предложенного состава достигается благодаря дополнительному вводу стронция заметное повышение механических, коррозионных и износостойких свойств стали по сравнению с прототипом (см.табл.3).

Формула изобретения

1. Сталь преимущественно для устьевых штоков, штанг, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, азот, алюминий, кальций и железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения предела текучести, износостойкости и коррозионной стойкости стали, она дополнительно содержит медь, ниобий и стронций при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 0,24 0,34 Кремний 0,2 0,4 Марганец 0,8 1,5 Хром 0,8 2,5 Никель 1,15 3,15 Ванадий 0,06 -0,18 Азот 0,005 0,030
Алюминий 0,02 0,05
Кальций 0,003 0,020
Медь 0,10 0,35
Ниобий 0,01 0,03
Стронций 0,001 0,003
Железо Остальное
2. Способ производства стали, включающий раскисление и легирование металла в ковше комплексными сплавами, содержащими феррованадий и азотированный феррохром, отличающийся тем, что, с целью повышения предела текучести, износостойкости и коррозионной стойкости стали, раскисление и легирование ведут в два этапа, на первом этапе осуществляют ввод 60 70% от общего расхода 2-6 кг/т стали комплексного сплава, на втором этапе одновременно с оставшейся частью комплексного сплава вводят азотированный феррохром и феррованадий, обеспечивая в готовой стали отношение ниобия к азоту 0,03 0,6 и стронция к азоту 0,03 0,6. 3. Комплексный сплав для стали, содержащий ниобий, кремний, алюминий, кальций, азот, медь и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения предела текучести, износостойкости и коррозионной стойкости стали, он дополнительно содержит стронций при следующем соотношении компонентов, мас. Ниобий 10 25
Кремний 10 40
Алюминий 1 5
Кальций 0,1 5,0
Медь 0,1 5,0
Азот 0,01 0,5
Стронций 0,7 5,0
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---