Сталь для отливок

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали, применяемой для отливок. Цель изобретения - снижение стоимости при сохранении уровня механических свойств и повышение трещиностойкости в диапазоне температур 20-550°С. Сталь дополнительно содержит цирконий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мае. %: углерод 0,14-0,20; марганец 0,6-0,9; кремний 0,2-0,4; хром 1,2-1,4; молибден 0,3-0,5; ванадий 0,25- 0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005- 0,010; железо остальное. Применение предложенной стали позволяет повысить надежность и долговечность изделий и снизить стоимость продукции. 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 38/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4791399/02 (22) 14.02.90 (46) 07.04.92. Бюл. М 13 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности (72) А.А.Чижик. Б.С.Ермаков, Г.Г.Колчин, Ю.К.Петреня, А.Ç.Кевеш и Ю.Г.Сухарев (53) 669.14.018-41-194(088.8) (56) Сталь 1Х1М1ФЛ. Ост. 108.961.03-79. (54) СТАЛЬ ДЛЯ ОТЛИВОК (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали, применяемой для отливок. Цель изобретения — снижение

Изобретение относится к металлургии, а именно к сталям для отливок, обладающим при экономном легировании молибденом высокими механическими свойствами, повышенной трещиностойкостью в диапазоне температур 20 — 550 С и пониженной стоимостью, и может использоваться в энергетическом и тяжелом машиностроении, где применяются стали, содержащие, мас.,5: хром 1-1,5; молибден 0,5-1,5; ванадий 0,20,4.

Известны хромомолибденованадиевые стали- обладающие хорошей жидкотекучестью, удовлетворительными механическими и эксплуатационными свойствами в диапазоне температур 20 — 550 С.

Однако в ходе длительной эксплуатации, достигающей в изделиях энергетического машиностроения сотен тысяч часов, в сталях этого класса протекают процессы, значительно снижающие кратковременные механические свойства, а также длительные Ы 1724719 А1 стоимости при сохранении уровня механических свойств и повышение трещиностойкости в диапазоне температур 20-550 С.

Сталь дополнительно содержит цирконий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас. Я,: углерод 0,14 — 0,20; марганец 0,6 — 0,9; кремний 0.2-0,4; хром

1,2 — 1,4; молибден 0,3-0,5; ванадий 0,25—

0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005—

0,010; железо остальное. Применение предложенной стали позволяет повысить . надежность и долговечность изделий и снизить стоимость продукции. 4 табл.

0 прочность и пластичность материалов. Главным из этих процессов является карбидная реакция МезС Ме7СЗ Ме2ЗС6. Образование крупных глобулей карбидов типа(Ее, Сг, Мо, 1фзСе, а также специальных карбидов мо- ) либдена Мо2С и интерметаллидов типа Д

FezMo обезлегирует и разупрочняет твердый раствор, усиливает за счет резкого уменьшения содержания легирующих элементов в матрице, диффузионную подвижность адсорбцион но-активных примесей (фосфора, сурьмы и др.). Снижение всего комплекса механических и эксплуатационных свойств стали при образовании значительных сегрегаций примесных элементов на границах зерен и присутствии в матрице крупнодисперсных карбидов, выступающих в роли концентратов напряжений, приводит к необходимости снижения параметров (температуры и давления) пара в энергоблоке. Это вызывает перерасход топлива, повышение стоимости киловатт-часа

1724719 электроэнергии. Интенсивность образования сегрегаций и карбидных включений в стали связано с содержанием в ней, главным образом, молибдена и хрома. Превышение концентрации молибдена (более 0,7 мас. ) приводит к появлению специальных карбидов типа Мо2С и интерметаллидов.

Увеличение. совместного содержания хрома и молибдена интенсифицирует процесс образования и роста частиц карбида МегзСв.

Кроме того, высокое (для стали 15Х1М1ФЛ вЂ” 1,2 ) содержание молибдена приводит к перерасходу дефицитного элемента и повышению стоимости материала.

Известна хромомолибденованадиевая сталь, которая содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас. : углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний 0,20-0,40; хром 1,20 — 1,40; молибден

0,90-1,20; ванадий 0,25-0,40; железо остальное.

В табл.1 приведены механические свойства известной стали. после термической обработки, приведенной по следующему режиму: отжиг при.1050 С, нормализация

980 — 1000 С, отпуск 710 — 740 С.

Известная сталь обладает удовлетворительным комплексом механических характеристик (ао,г, оЬ, д, ф и KCU), однако содержание в ней дефицитного легирующего элемента — молибдена высоко (0,5 — 1,2 мас. ). Такая концентрация молибдена не только повышает стоимость стали, но и-в значительной степени влияет на одно из основных свойств материала — трещиностойкость.

Трещин остойкость — характеристика стали, определяющая его возможность не терять работоспособности в условиях образования и роста трещины. От этой способности зависит ресурс одного из наиболее материало- и трудоемких узлов турбоагрегатов — корпусов цилиндров высокого давления. Образующийся в стали 15Х1М1ФЛ специальный карбид молибдена (Мо С) обладает игольчатой или пластинчатой формой и представляет собой концентратор типа острого надреза, приводит к перераспределению молибдена между матрицей стали и вновь образующейся карбидной фазой и значительному снижению ее трещиностойкости в интервале температур

20-550 С. Кроме того, перераспределение молибдена в карбидную фазу усиливает чув. ствительность стали к сегрегационному охрупчиванию примесями замещения (в частности фосфора).

Целью изобретения является снижение себестоимости при сохранении уровня механических свойств и повышение трещино5

55 стойкости в диапазоне температур 20550 С.

Цель достигается тем, что в сталь, в состав которой входят углерод, марганец, хром, молибден, ванадий, железо, дополнительно вводят кальций, барий, цирконий, причем содержания указанных ингредиентов должно быть в следующем соотношении, мас. : углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний

0,20-0,40; хром 1,20 — 1,40; молибден 0,300,40; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005-0,010; барий 0,005-0,010; железо остальное.

Ограничения по содержанию каждого из элементов связаны с влиянием всего легирующего комплекса на структуры и свойства . стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействия каждого элемента и легирующего комплекса в целом. Вновь введенные в сталь элементы цирконий, кальций, барий в определенной концентрации, в сочетании с легирующим комплексом позволяют сохранить механические свойства стали на прежнем уровне, повысить ее трещиностойкость и снизить ее себестоимость. Эти элементы позволяют сдерживать диффузию фосфора в границы зерен, за счет сфероидизации сульфидных включений и рафинирования стали от кислорода, улучшают пластичность, вязкость, высокотемпературные характеристики стали и надежность ее эксплуатации.

Цирконий имеет высокую энергию взаимодействия с фосфором и другими приме-сями внедрения и замещения. Атомы циркония, находящиеся в твердом растворе, удерживают атомы фосфора вблизи себя, подавляя их диффузию в границы.

Содержание циркония менее 0,1 мас. не оказывает должного эффекта подавления диффузии, содержание его более 0,15 мас, приводит к резкому обезуглероживанию и разупрочнению матрицы стали из-за образования значительного количества специальных карбидов.

Кальций является поверхностно-активным элементом и, адсорбируясь на границах растущих кристаллов, уже в количествах более 0,005 мас. вызывает модифицирования первичной структуры и способствует образованию глобулярных сульфидов.

Меньшая его концентрация неэффективна, а превышение его содержания (более 0,010 мас. ) технологически затруднено.

Барий снижает упругость паров и тем самым повышает термодинамическую активность кальция, способствуя более эффективному модифицированию и рафинированию стали. Содержание его менее 0,005 мас. неэффективно, а более

1724719

0,010 мас. требует специальных методов введения его в сталь.

Известно легирование стали кальцием, который вводится для десульфурации в конструкционные и высокопрочные стали в количествах 0,0005-0,0050 мас. ; Кальций входит в состав аустенитных нержавеющих сталей, улучшая их обработку резанием (0,002-0,006 мас.%). Кальций повышает стойкость материалов против сульфидного и водородного охрупчивания, улучшает коррозионную стойкость материалов. Концентрация его в этом случае находится в пределах 0,009-0,5 мас.%.

Совместное введение кальция и бария имеет применение в литейных материалах для повышения гидроплотности отливок (кальций 0,005-0,080 мас.%, барий 0,0050,050 мас.%), конструкционных сталях (Ва

0,01 — 0,05 мас., Са 0,01 — 0,05 мас. ). цирконием легируют высокопрочные стали для труб нефтяных скважин в количестве менее

1 мас.%, высокомарганцевые стали (Zr 2 мас.%).

Известно и совместное введение циркония и кальция в стали с содержанием каждого из элементов, мас. : Zr 0,01-0,10; Са

0,001-0,010. Вводят элементы в высокопрочные вязкие стали для труб (Zr 0,01-0,1 мас.%, Са 0,001 — 0,008 мас. ), и конструкционные стали (Са 0,001 — 0,03 мас.%, Zr

0,01 — 0,15 мас.%).

Металл опытных плавок выплавляют в индукционной печи с основным тиглем.

Химический состав полученных сталей приведен в табл.2.

Температуры разливки стали

1540+ 10 С. Полученные отливки термически обрабатывают по следующему режиму: гомогенизация 1050 С 3 ч, нормализация

1000 С 3 ч и отпуск 700 С в течение 5 ч.

Ограничения по содержанию каждого из указанных выше легирующих элементов связаны с влиянием всего легирующего комплекса на структуру и свойства стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействия на свойства сталей каждого легирующего элемента и всего легирующего комплекса в целом.

Введение в сталь углерода в количестве

0,14-0,20 мас. обусловлено тем, что при меньшем его содержании не обеспечивается необходимый уровень прочности стали, а превышение его содержания (более 0,20 мас.%) вызывает интенсивное выделение специальных карбидов (МегзСе), охрупчивающих сталь в процессе длительной эксплуатации, т.е. снижает уровень ее трещиностойкости и механических характеристик. счет образования мелкодисперсного, коге55 рентного с матрицей карбида ЧС. Ванадий в данной системе легирования в основном связан в карбиды VC, практически не изменяющиесяя по составу в течение длительного срока эксплуатации. Эти частицы, образующиеся за счет диффузии внедренных атомов

Минимальное содержание марганца (0,60 мас.%) обусловлено технологическим процессом выплавки стали и составом применяемых в промышленности шихтовых материалов. Превышение концентрации марганца (более 0.90 мас.%) вызывает его интенсивную сегрегацию в границы зерен, образование зон упорядоченного твердого раствора, обогащенного марганцем, приводящего к охрупчиванию стали.

Минимальное содержание кремния (0,20 мас,%) также обусловлено технологией выплавки стали, в частности процессами ее раскисления. Превышение его концентрации (более 0,40 мас. ) способствует образованию карбида МегзСв за счет перераспределения углерода в кремнийсодержащем твердом растворе и способствует, тем самым, обезлегированию и разупрочнению матрицы и снижению всего комплекса механических свойств, особенно в зоне высоких температур.

Содержание хрома в стали менее 1,20 мас. не обеспечивает требуемого уровня прочностных свойств материала, а превышение его концентрации (более 1,70 мас.%) интенсифицирует (при заданном содержании молибдена, углерода и ванадия) процесс карбидного превращения

МетСз -Ме2зСе на базе карбида СггзСв, снижая весь комплекс механических свойств.

Молибден повышает одновременно прочностные и вязкие свойства стали, что связано с его воздействием на содержащиеся в сталях вредные примеси внедрения и замещения. Находясь в твердом растворе, молибден препятствует сегрегационному перераспределению вредных примесей и их охрупчивающему и разупрочняющему влиянию. При содержании молибдена менее

0,30 мас.% не достигается необходимого эффекта подавления влияния примесей, а при превышении его содержания (более

0,50 мас. ) возникает опасность выхода его из твердого раствора при протекании карбидной реакции и интенсификации образования (при заданной конструкции всех карбидообразующих элементов) карбидов

Ме зСо и МогС.

Ванадий, как и другие карбидообразующие элементы, повышает температуру А« стали, увеличивает ее жаропрочность за

1724719

Таблица1

Таблица 2

35 углерода и азота к атомам ванадия с вытеснением из зоны их влияния более слабых карбидообразующих элементов (железа, хрома, марганца, молибдена и т.д.), позволяет регулировать количество в структуре других карбидов, значительно измельчать их. Кроме того, ванадий находясь в твердом растворе, уменьшает совместно с молибденом вредное влияние примесных атомов внедрения и замещения. Концентрация ванадия менее 0,25 мас. неэффективна, а превышение его содержания (более 0,40 мас. ) приводит к значительному увеличению количества и размеров частиц VC, обедняя, тем самым, матрицу стали по углероду и разупрочняя ее.

Механические свойства опытных сталей приведены в табл.3 (результаты испытаний являются средним значением 6 измерений).

Трещиностойкость сталей приведена в табл,4 (результаты являются средними значениями 5 измерений).

Из приведенных в табл.3 и 4 данных видно, что у предлагаемой стали в диапазоне температур 20 — 550 С механические свойства сопоставимы с известной сталью, а трещиностойкость во всем диапазоне температур выше, чем у стали 15Х1М1ФЛ.

Кроме того, предлагаемая сталь значи5 тельно экономичнее, чем известная, так как содержит на 0,6 — 0,7 мас, молибдена меньше, чем корпусная сталь паровых турбин и котлоагрегатов 15Х1 М1 ФЛ.

10 Формула изобретения

Сталь для отливок, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, молибден, железо, отличающаяся тем, 15 что, с целью снижения стоимости при сохранении уровня механических свойств и повышения трещиностойкости в диапазоне температур от 20 до 550 С, она дополнительноо содержит цирконий, кальций и барий

20 при следующем соотношении компонентов, мас.о : углерод 0,14 — 0,20; марганец 0,60—

0,90; кремний 0,20 — 0,40; хром 1,20 — 1,40; молибден 0,30 — 0,50; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005 — 0,010;

25 барий 0,005-0,010; железо остальное.

1724719

Табл ица3

Сталь

Температура испытания С

Механические свойства

o, МПа

elm МПа

200

300

400

550

Таблица 4

Составитель Г.Колчин

Техред М.Моргентал Корректор Л.Бескид

Редактор Н.Гунько

Заказ 1152 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

325

245

26

28

24,5

19,4

20.

18,6

18

16,6

17,2

15,9

15,5

16,0

19,3

16,4

15,2

17,9

19,3

18,5

72

73,5

63

68

67,5

53,5

58

56

61

56

60,5

59,5

74