Сталь для фасонных отливок

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам высокопрочных сталей для фасонных отливок, применяемых для изготовления деталей оборудования транспортно-крановых судов, морских самоходных кранов, судов-турбовозов, плавучих буровых установок и другой морской и наземной техники, эксплуатируемой при низкой температуре до -50^oС. Предложена сталь для фасонных отливок, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,16-0,22; кремний 0,15-0,30; марганец 0,50-1,00; хром 0,4-0,70; никель 3,20-3,80; медь 1,50-2,00; молибден 0,25-0,35; ванадий 0,02-0,10; алюминий 0,02-0,05; кальций 0,05-0,08; церий 0,02-0,05; лантан 0,01-0,03; празеодим 0,003-0,010; цирконий 0,005-0,100; железо остальное, при этом суммарное содержание никеля и меди должно быть не менее 5%. Техническим результатом изобретения является создание высокопрочной стали, обладающей повышенной прокаливаемостью, обеспечивающей равномерный уровень механических свойств в толщинах до 500 мм и улучшенные литейные свойства. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к области высокопрочных сталей для фасонных отливок, применяемых для изготовления деталей оборудования транспортно-крановых судов, морских самоходных кранов, судов-трубовозов, плавучих буровых установок и другой морской и наземной техники, эксплуатируемой при низкой температуре (до -50^oС).

В настоящее время для изготовления отливок указанного назначения используются хромоникельмолибденовые стали мартенситного класса марок 30ХНМЛ, 12ХН1МФЛ (ГОСТ 977-88) и 12ХН3Д2МФРЛ (а.с. 1703711). Сталь марки 12ХН3Д2МФРЛ после сложной термической обработки обеспечивает полную прокаливаемость и равномерные механические свойства в толщинах до 200 мм, которые не в полной мере удовлетворяют требованиям проектантов, так как проектируемое в настоящее время оборудование требует применения высокопрочной стали в толщинах от 200 до 500 мм (большегрузные суперкрюки, детали опорно-поворотных устройств кранов, элементы конструкций морских буровых установок и др.).

Наиболее близкой по составу ингредиентов и технической сущности к заявляемой стали является низкоуглеродистая хромоникельмолибденовая сталь (а.с. СССР 1703711 А1, кл. С 22 С 38/54) мартенситного класса, мас.%: Углерод - 0,08-0,13 Кремний - 0,15-0,30 Марганец - 0,50-1,00 Хром - 0,40-0,70 Никель - 3,00-3,50 Медь - 1,30-1,90 Молибден - 0,25-0,35 Ванадий - 0,02-0,06 Церий - 0,02-0,05
Кальций - 0,005-0,05
Алюминий - 0,020-0,050
Бор - 0,002-0,005
Сера - 0,002-0,008
Водород - 0,0001-0,0003
Кислород - 0,0025-0,0050
Железо - Остальное
Сталь-прототип не обладает достаточной прокаливаемостью и не обеспечивает равномерный уровень механических свойств в толщинах свыше 200 мм. Кроме того, сталь-прототип имеет относительно низкую трещиноустойчивость и высокую линейную усадку, что в ряде случаев является причиной образования горячих трещин.

Целью изобретения является создание высокопрочной стали, обладающей повышенной прокаливаемостью, обеспечивающей равномерный уровень механических свойств в толщинах до 500 мм, и улучшенными литейными свойствами (трещиноустойчивостью и линейной усадкой).

Поставленная задача достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, кальций, церий, железо, дополнительно содержит лантан, празеодим и цирконий при следующем содержании компонентов, мас.%:
Углерод - 0,16-0,22
Кремний - 0,15-0,30
Марганец - 0,50-1,00
Хром - 0,40-0,70
Никель - 3,20-3,80
Медь - 1,50-2,00
Молибден - 0,25-0,35
Ванадий - 0,02-0,10
Алюминий - 0,02-0,05
Кальций - 0,05-0,08
Церий - 0,02-0,05
Лантан - 0,01-0,03
Празеодим - 0,003-0,010
Цирконий - 0,005-0,100
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание Ni и Сu должно быть не менее 5%.

Дополнительное легирование стали лантаном 0,01-0,03%, празеодимом 0,003-0,010% и цирконием 0,005-0,100% повышает сопротивляемость стали образованию горячих трещин в отливках вследствие очищения границ первичных зерен от пленочных неметаллических включений, переводя их в равномерно распределенные по объему металла мелкие включения оксисульфидов РЗМ глобулярной формы и тугоплавкие включения, содержащие цирконий. Кроме того, присадки циркония способствуют снижению линейной усадки металла. Повышение содержания циркония выше 0,100% приводит к снижению ударной вязкости стали, что связано с образованием нитридов циркония.

Увеличение содержания углерода 0,16-0,22% и нормирование в узких пределах содержания никеля 3,20-3,80% способствуют повышению устойчивости переохлажденного аустенита, вследствие чего повышается прокаливаемость стали, обеспечивающая равномерные механические свойства в толщинах до 500 мм. При этом для обеспечения высокого сопротивления стали хрупким разрушениям при температуре до -50^oС должно выполняться соотношение Ni+Cu≥5%.

Из состава стали исключен бор, образующий при содержании углерода свыше 0,13%, бориды (Fe₂B) и карбобориды [Fe₂₃(СВ)₆], снижающие устойчивость переохлажденного аустенита в перлитной области и ударную вязкость стали.

Опытные работы по производству стали в промышленных условиях выполнены на ОАО "Ижорские заводы".

Проведена серия плавок стали предлагаемого и известного составов. Выплавка стали производилась в электродуговых печах с основной футеровкой емкостью 5 т. Окончательное раскисление и модифицирование стали производилось в ковше алюминием, силикокальцием. Редкоземельные металлы, содержащие церий, лантан, празеодим, присаживались при выпуске металла из печи. Технология выплавки предлагаемой стали не меняется по сравнению с технологией, используемой при выплавке известной стали.

Присадка циркония в виде различных лигатур может осуществляться одним из следующих способов:
- на дно ковша перед выпуском металла из печи;
- под струю металла после наполнения ковша на 1/4-1/3 его объема.

Химический состав предлагаемой и известной стали приведен в табл.1.

Металл заливался в сухие песчаноглинистые формы для отливок размером 200•200•600 и 500•500•800 мм. Отливки подвергались: двойной нормализации, отпуску, закалке и отпуску. После термической обработки из отливок сечением 200•200 мм по всей толщине вырезались образцы для определения механических свойств, а из отливок сечением 500•500 мм образцы вырезались из поверхностной и центральной зон. Оценка хладостойкости стали производилась путем определения критической температуры хрупкости при динамическом изгибе (Тк) по критерию KV≥27 Дж и при статическом изгибе (Ткдс) по срыву нагрузки более чем на 1/3 от Рmах на диаграмме "P-l"
В табл.2 приведены результаты испытаний предлагаемой стали с содержанием легирующих элементов на верхнем, среднем и нижнем пределах легирования.

Как видно из табл.2, предлагаемая сталь по сравнению со сталью-прототипом обладает улучшенными литейными свойствами (трещиноустойчивостью и линейной усадкой) и за счет повышенной прокаливаемости имеет высокий уровень прочности, пластичности и сопротивления хрупким разрушениям в толщинах до 500 мм.

Критическая температура перехода предлагаемой стали из вязкого в хрупкое состояние при динамическом изгибе (Тк) равна минус 100^oС и при статическом изгибе (Ткдс) минус 70^oС. Сталь предлагаемого состава обладает хорошими литейными свойствами и может использоваться для отливок любой массы и конфигурации.

При отклонениях от предложенного содержания компонентов указанные свойства стали ухудшаются.

Применение предлагаемой стали с повышенной прокаливаемостью позволяет изготавливать из нее литые детали сложной конфигурации с толщиной стенки до 500 мм, работающие при пониженных температурах (до -50^oС) под воздействием значительных статических и ударных нагрузок.

Применение отливок из предлагаемой стали взамен сварных конструкций из проката и поковок позволяет снизить массогабаритные характеристики деталей, улучшить конструкцию и снизить трудоемкость их изготовления, повысить эксплуатационные характеристики оборудования.

Формула изобретения

Сталь для фасонных отливок, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, кальций, церий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, празеодим и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,16-0,22
Кремний - 0,15-0,30
Марганец - 0,50-1,00
Хром - 0,40-0,70
Никель - 3,20-3,80
Медь - 1,50-2,00
Молибден - 0,25-0,35
Ванадий - 0,02-0,10
Алюминий - 0,02-0,05
Кальций - 0,05-0,08
Церий - 0,02-0,05
Лантан - 0,01-0,03
Празеодим - 0,003-0,010
Цирконий - 0,005-0,100
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание никеля и меди должно быть не менее 5%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2