Ферритная легированная сталь и литейная форма для центробежного литья труб, выполненная из этой стали

 

Использование изобретения: изготовление очень крупных форм, имеющих высокую пластичность и высокую вязкость, прежде всего для центробежного литья труб с внутренним диаметром, который может превышать 40 дюймов. Сущность изобретения: ферритная легированная сталь состоящая из 0,12 - 0,18% углерода, 0,70 - 0,95% марганца, до 0,008% фосфора, до 0,008% серы, 0,20 - 0,35% кремния, 1,05 - 1,25% никеля, 1,85 - 2,25% хрома, 0,60 - 0,75% молибдена, 0,03 - 0,08% ванадия и остальной части, представляющей, в основном, железо. 3 с и 2з. п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к ферритным легированным сталям, используемым для изготовления литейных форм для труб, в особенности к ферритным легированным сталям для изготовления очень крупных литейных форм, которые могут использоваться для центробежного литья труб с внутренним диаметром, превышающим 40 дюймов (1 дюйм 25,4 мм).

Литейные формы, которые используются для центробежного литья труб, обычно имеют удлиненный цилиндрический участок с "раструбом" и "раструбным концом". Между этими концами находится "тело" трубной литейной формы. Одна из наиболее широко используемых сталей для изготовления форм для центробежного литья труб это сталь марки "AISI 4130". Эта марка стали в соответствии с "AISI 4130", Alloy Digest--Data, ноябрь 1954, On World Wide Metals And Alloys (Сборник по сплавам. Информация о распространенных в мире металлах и сплавах.) пересмотрен в марте 1988, с.3 и работой Katus J.R "Ferrous Alloys-4130", Aerospace, 1986 (год изд. ), с.1-20, Structural Metals Hand book (Справочник по конструкционным металлам для аэрокосмической промышленности. Сплавы на основе черных металлов 4130.) может иметь химический состав, приведенный в табл. 1.

Марка стали 4130 не содержит ванадий, не имеет высокого уровня содержания марганца, в лучшем случае имеет низкий уровень содержания никеля, имеет лишь средний уровень содержания хрома и имеет низкий уровень содержания молибдена.

Обычно считалось, что срок службы литейной формы для изготовления труб в первую очередь зависит от таких свойств, как твердость и прочность подвергающейся термовоздействию литейной формы. Вследствие этого лишь эти свойства принимались во внимание при создании долговечных литейных форм для изготовления труб.

Основной химический элемент, который придает твердость и прочность сталям, используемым для изготовления литейных форм для труб это углерод. (Далее везде под выражением "литейная форма" понимается литейная форма для изготовления труб. ) Следовательно, считалось, что для создания литейных форм с большими сроками службы необходимо иметь высокий уровень содержания углерода в стали. В соответствии с этим соображением марка стали AISI 4130 имела высокое содержание углерода в диапазоне 0,28 0,33% Отходом от такой точки зрения стало использование сталей с содержанием углерода, непосредственно зависящим от размера литейной формы. Пример этого подхода приводится в табл. 2.

Изменение содержания углерода, показанное в табл. 2, зависит от размера литейной формы. Поскольку литейные формы небольшого размера, изготовленные из стали с высоким содержанием углерода, имели большую вероятность образования закалочных трещин во время термообработки или преждевременного выхода из строя при эксплуатации, содержание углерода было уменьшено до показанных значений. Литейные формы большего размера преодолевали эти обстоятельства за счет массы литейной формы, которая приводила к более медленной скорости охлаждения на стадии закалки; следовательно, можно было сохранить более высокий уровень содержания углерода. Даже с учетом этих незначительных изменений в уровне содержания углерода в зависимости от размера литейной формы (табл. 2) следует обычным представлениям и учитывает только твердость и прочность, о чем свидетельствуют, как правило, высокие уровни содержания углерода, (приведены для различных размеров литейных форм).

При изготовлении литейных форм из стали, имеющей высокий уровень содержания углерода, могут возникнуть проблемы в том случае, если содержание углерода не рассчитано должным образом для процесса термообработки. При аустенизации на стадии закалки в процессе термообработки температура нормализованной литейной формы поднимается от комнатной температуры до температуры аустенизации, затем происходит быстрое охлаждение в воде до комнатной температуры. Микроструктура литейной формы на этой стадии такова, что литейная форма является очень твердой и имеет много внутренних напряжений. За закалкой следует стадия отпуска, на которой твердость уменьшается, тем самым литейная форма делается менее твердой, и снимается значительная часть внутренних напряжений; однако все же большая часть этих напряжений остается. Эти остающиеся внутренние напряжения могут привести к образованию закалочных трещин во время обработки литейной формы или к растрескиванию вследствие температурной усталости, а также к деформациям формы при изготовлении труб.

Очень крупным литейным формам трудно придать желаемые свойства при термообработке. Проблема термообработки, рассмотренная выше для литейных форм в целом, усугубляется вследствие величины поперечного сечения и массы очень крупных литейных форм. Существует потребность в стали для изготовления очень крупных литейных форм с увеличенным сроком службы, которая позволила бы решить эту и другие проблемы.

Изобретение представляет собой сталь для изготовления очень крупных литейных форм с увеличенными сроками службы, которые могут использоваться для центробежного литья труб. Эти литейные формы представляют собой литейные формы с очень большим поперечным сечением и очень большой массой, в которых могут отливаться трубы с внутренним диаметром, превышающим 40 дюймов.

Свойствами предлагаемой для изготовления очень крупных литейных форм стали в большей степени являются пластичность и ударная вязкость, чем прочность и твердость. Для достижения этого, сталь содержит ванадий и имеет уменьшенное содержание углерода. Дальнейшее легирование стали по настоящему изобретению включает такие уровни содержания марганца, никеля, хрома и молибдена, которые совместно позволяют получить литейные формы с очень большим поперечным сечением и очень большой массой, с характеристиками, обеспечивающими повышенный срок службы.

Цель изобретения заключается в разработке стали для изготовления очень крупных литейных форм с повышенным сроком службы, используемых для центробежного литья труб, а также стали для изготовления очень крупных литейных форм для центробежного литья труб, которая содержит ванадий и имеет уменьшенное содержание углерода, а также содержит марганец, никель, хром и молибден в определенных пределах, которые позволяют получать подвергающиеся термовоздействию литейные формы с очень большим поперечным сечением и очень большой массой, имеющие желаемые параметры ударной вязкости и пластичности с целью увеличения срока службы.

Изобретение представляет собой сталь для изготовления очень крупных литейных форм с повышенным сроком службы. Эти литейные формы могут использоваться для центробежного литья труб с внутренним диаметром, превышающим 40 дюймов. Основными свойствами, которые способствуют увеличению срока службы очень крупных литейных форм, в большей степени являются пластичность и ударная вязкость, чем твердость и прочность. Сочетание ванадия и уменьшенного углерода в пределах, определенных для стали по настоящему изобретению, способствует достижению желаемых ударной вязкости и пластичности. Более того, легирование стали марганцем, никелем, хромом и молибденом в определенных пределах способствует достижению желаемых ударной вязкости и пластичности в подвергшихся термовоздействию литейных формах с очень большим поперечным сечением и очень большой массой. Процентное содержание химических элементов в стали по настоящему изобретению для изготовлению очень крупных линейных форм, которая была названа "Khare III", приведено в табл. 3.

Перед тем, как рассматривать влияние уменьшенного содержания углерода, а также содержания ванадия, марганца, никеля, хрома и молибдена в определенных пределах в стали по настоящему изобретению, будет рассмотрен способ изготовления очень крупных литейных форм из стали по настоящему изобретению.

Заготовка, из которой изготавливается литейная форма с очень большим поперечным сечением и очень большой массой, может быть получена любым из ряда способов. Эти способы включает литье, горячее изостатическое прессование и холодное изостатическое прессование, но этими способами методы получения заготовки не ограничиваются. Деталь изготавливается путем ковки заготовки с использованием сердечника и/или оправки. После этого деталь подвергается термообработке для достижения заданных свойств. Процесс термообработки включает нормализацию, аустенизацию для закалки, закалку в воде и отпуск.

Первая операция, а именно нормализация, выполняется путем нагрева обрабатываемой детали выше температуры А₃ и последующего воздушного охлаждения ее до комнатной температуры. Затем обрабатываемая деталь подвергается аустенизации для закалки. При выполнении этой операции обрабатываемая деталь нагревается до температуры выше температуры А₃. На следующей операции обрабатываемая деталь закаливается в воде до достижения комнатной температуры. Последняя операция процесса представляет собой отпуск. На этой операции обрабатываемая деталь нагревается до температуры ниже температуры А₃ и затем подвергается воздушному охлаждению до комнатной температуры. После этой операции очень крупная литейная форма обладает желаемыми свойствами.

Содержание углерода в химическом составе стали по изобретению ниже, чем в обычных пределах 0,28 0,33% для марки стали AISI 4130, и даже ниже, чем пределы 0,24 0,33% из табл. 2. Важным здесь является то, что уменьшенное содержание углерода приводит к уменьшению твердости и прочности и одновременно к увеличению ударной вязкости и пластичности подвергающейся термовоздействию очень крупной литейной формы. Уменьшенное содержание углерода также способствует уменьшению внутренних напряжений в стали по настоящему изобретению. Это означает, что в очень крупных литейных формах, изготовленных из предлагаемой стали, имеет место большая стабильность после отпуска. По существу, очень крупные литейные формы будут в меньшей степени подвержены образованию закалочных трещин при изготовлении или вследствие температурной усталости, а также деформациям формы при изготовлении труб.

Ванадий в пределах 0,03 0,08% добавляется к стали по изобретению, чтобы придать малый размер зернам стали и предотвратить размягчение (разупрочнение) во время отпуска. В марке стали AISI 4130 ванадий не содержался. Малы размер зерен в сочетании с низкими напряжениями, получающимися в результате уменьшения содержания углерода, повышает стабильность стали по настоящему изобретению. Ванадий, наряду с другими легирующими элементами марганцем и молибденом, способствует сохранению желаемой величины твердости после отпуска.

Марганец в пределах 0,70 0,95% обеспечивает высокое соотношение углерод/марганец. Марганец в указанных пределах способствует глубокой закалке до желаемой степени без отрицательного воздействия на желаемые характеристики по ударной вязкости и пластичности.

Никель в пределах 1,05 1,25% смещает кривую преобразования время/температура вправо. По существу, увеличивается временное окно для закалки обрабатываемой детали с целью получения желаемых свойств. Увеличенное временное окно представляет собой время от того момента, когда обрабатываемая деталь выходит из печи при аустенизации для операции закалки, до того момента, пока обрабатываемая деталь действительно не подвергается закалке в воде.

Содержание хрома в пределах 1,85 2,25% это высокий уровень содержания хрома. Это придает подвергающейся термовоздействию очень крупной литейной форме высокие температурные свойства. Более точно, высокое содержание хрома предотвращает разупрочнение очень крупных литейных форм, когда они в процессе эксплуатации подвергаются воздействию повышенных температур. Это происходит вследствие того, что при эксплуатации очень крупных литейных форм изготавливаются трубы очень большого поперечного сечения и очень большой массы, производство которых вызывает повышенное теплосодержание (энтальпию), которое остается в литейных формах в течение длительных периодов времени. Прочность, которая обеспечивается за счет высокого уровня содержания хрома, не оказывает отрицательного влияния на желаемые характеристики по ударной вязкости и пластичности.

Высокий уровень содержания молибдена в пределах 0,60 0,75% является наиболее значительным фактором, влияющим на прокаливаемость стали по настоящему изобретению. В данном случае особый интерес представляет то, что молибден в определенных пределах обеспечивают глубокую закалку при учете более медленных скоростей охлаждения очень крупных литейных форм. Содержание молибдена в данных пределах способствует сопротивляемости подвергающихся термовоздействию очень крупных литейных форм растрескиванию при эксплуатации.

Термины и выражения, используемые в данном описании, следует понимать только как термины для объяснения, а не в ограничительном смысле. При использовании данных терминов и выражений не предполагается исключение аналогов показанных или описанных признаков или их частей, причем признается, что в пределах объема настоящего изобретения возможны различные модификации.

Формула изобретения

1. Ферритная легированная сталь, содержащая углерод, марганец, фосфор, серу, кремний, никель, хром, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и используется в условиях воздействия высокой температуры при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,12 0,18 Марганец 0,70 0,95 Фосфор До 0,008 Сера До 0,008 Кремний 0,20 0,35 Никель 1,05 1,25 Хром 1,85 2,25 Молибден 0,60 0,75 Ванадий 0,03 0,08
Железо Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, мас.

Углерод 0,15
Марганец 0,85
Фосфор До 0,08
Сера До 0,08
Кремний 0,25
Никель 1,10
Хром 2,00
Молибден 0,65
Ванадий 0,05
Железо Остальное
3. Литейная форма для центробежного литья труб, выполненная из стали, отличающаяся тем, что сталь содержит, мас.

Углерод 0,12 0,18
Марганец 0,70 0,95
Фосфор До 0,008
Сера До 0,008
Кремний 0,20 0,35
Никель 1,05 1,25
Хром 1,85 2,25
Молибден 0,60 0,75
Ванадий 0,03 0,08
Железо Остальное
4. Форма по п.3, отличающаяся тем, что сталь содержит, мас.

Углерод 0,15
Марганец 0,85
Фосфор До 0,008
Сера До 0,008
Кремний 0,25
Никель 1,10
Хром 2,00
Молибден 0,65
Ванадий 0,05
Железо ОстальноеС

РИСУНКИ

Рисунок 1