Сталь для валопроводов морских судов арктического плавания

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным сталям, предназначенным для использования в судовом машиностроении при производстве высоконадежных валопроводов современных судов и кораблей арктического плавания. Предлагается сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,32-0,38; кремний 0,2-0,37; марганец 0,25-0,45; хром 1,2-1,5; никель 1,2-1,5; медь 0,05-0,2; молибден 0,32-0,4; ванадий 0,1-0,3; алюминий 0,005-0,01; церий 0,005-0,05; азот 0,005-0,05; сера 0,005-0,020; фосфор 0,005-0,015; железо - остальное. При этом: суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,4 мас.%; суммарное содержание никеля и меди не должно превышать 1,6 мас.%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03 мас.%. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы судовых валопроводов в условиях ледового плавания в высоких широтах Арктики. 2 табл.

Изобретение относится к металургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов и предназначено для использования в судовом машиностроении при производстве высоконадежных валопроводов и гребных валов современных судов и кораблей ледового плавания.

Известны металлические материалы, применяемые в промышленности и народном хозяйстве (например, стали марок 38ХМА, 38Х2Н2МА, 40ХН2МА) [1], а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных свойств, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность создаваемых судовых валопроводов.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является углеродистая сталь типа 38Х2Н2МА по ГОСТ 4543-71 [1], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,33-0,40

Кремний 0,17-0,37

Марганец 0,25-0,50

Хром 1,3-1,7

Никель 1,3-1,7

Медь ≤0,30

Молибден 0,20-0,30

Сера ≤0,025

Фосфор ≤0,025

Железо Остальное

Данную марку стали, в соответствии с требованиями ГОСТ 4543, рекомендуется использовать в различных отраслях машиностроения и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная марка стали характеризуется широким разбросом и нестабильностью физико-механических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющим заданную работоспособность материала в условиях длительной эксплуатации морских судов ледокольного и транспортного арктического флота. Согласно требованиям действующих стандартов [1-3] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, существенно снижающих структурную стабильность и увеличивающих разброс механических свойств металла, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Весьма существенным недостатком известной марки стали является недостаточно высокий уровень ее физико-механических и служебных характеристик, во многом определяющих требуемую работоспособность и эксплуатационную надежность гребных валов и других корабельных валопроводов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей более высоким комплексом основных физико-механических и служебных свойств, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы судовых валопроводов в условиях ледового плавания в высоких широтах Арктики. Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, серу, фосфор и железо, дополнительно введены ванадий, алюминий, церий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,32-0,38

Кремний 0,2-0,37

Марганец 0,25-0,45

Хром 1,2-1,5

Никель 1,2-1,5

Медь 0,05-0,2

Молибден 0,32-0,4

Ванадий 0,1-0,3

Алюминий 0,005-0,01

Церий 0,005-0,05

Азот 0,005-0,05

Сера 0,005-0,020

Фосфор 0,005-0,015

Железо Остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, наличие которых отрицательно влияет на формирование требуемого структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных физико-механических, технологических и служебных свойств материала, в частности:

- суммарное содержание (С+N) не должно превышать 0,4%;

- суммарное содержание (Ni+Сu) не должно превышать 1,6%;

- а общее содержание (S+P) не должно превышать 0,03%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала заданный уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик, обеспечивающих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность судовых валопроводов в сложных условиях арктического плавания.

Введение в заявляемую сталь модифицирующих добавок алюминия и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь - ванадием, молибденом и никелем, улучшает ее структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности металла к хрупкому разрушению, а также повышает работу зарождения и развития усталостной трещины в условиях циклического нагружения. При этом, как показали наши исследования [6-9], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка (массой 50 т и более), крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости стали. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве уникальных крупногабаритных (до 32 т) и длинномерных (до 20 м) заготовок судовых гребных валов. Введение алюминия и церия в сочетании с микродобавками ванадия и молибдена вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих важных структурно-чувствительных характеристик материала. Увеличение в заявляемой композиции содержания молибдена до 0,4% в сочетании с рассматриваемыми элементами способствует возрастанию работы зарождения усталостной и хрупкой трещин, снижает чувствительность металла к концентраторам напряжений, что повышает ее работоспособность в условиях циклического и ударного нагружений.

Введение в заявляемую композицию микролегирующих добавок азота в указанном соотношении с углеродом и другими элементами улучшает ее структурную стабильность и способствует формированию при отпуске в достаточном количестве карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале технологических нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в приграничных областях зерна и повышение сопротивления пластической деформации в условиях статического и динамического нагружений. При этом обеспечение требуемого уровня прочностных и пластических характеристик стали в термообработанном состоянии после закалки с высоким отпуском достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей число активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации. Увеличение суммарного содержания углерода и азота выше указанных в формуле изобретения пределов повышает степень ликвидации углерода по высоте отливаемых слитков, снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокаций в процессе последующих технологических нагревов и упрочняющей термической обработки полуфабрикатов.

Выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает также ограничение суммарного содержания таких примесных элементов, как сера и фосфор, существенно влияющих на сопротивление углеродистой стали хрупкому и усталостному разрушению. Известно, что температурный интервал 450-475°С - это температуры наибольшей сегрегационной и адсорбционной способности этих элементов. В процессе технологических нагревов металла на стадии металлургического передела и последующей термической обработки атомы серы и фосфора вследствие термодинамической неустойчивости твердого раствора в этой температурно-концентрационной области проявляют повышенную склонность к зернограничной сегрегации и могут значительно снижать когерентную прочность межзеренных границ. При этом наличие в стали даже незначительного количества никеля и сопутствующих ему элементов и, в частности, меди повышает термодинамическую активность атомов серы и фосфора, способствует диффузионному перераспределению их из твердого раствора в приграничные слои, тем самым благоприятствует усилению зернограничных сегрегационных процессов, что подтверждается повышенной травимостью границ зерна раствором пикриновой кислоты и возрастанием тенденции к межкристаллитному разрушению, а также усилением чувствительности металла к концентраторам напряжений. Выполненные нами исследования свидетельствуют о весьма существенном влиянии рассматриваемых легирующих и примесных элементов на сопротивление стали хрупкому и усталостному разрушениям. В этом плане введение указанных элементов вне рассматриваемых в формуле изобретения пределов снижает эффективность их взаимодействия с базовым составом стали, способствует усилению ковалентных связей в кристаллической решетке металла и формирует жесткую сдвигоустойчивую структуру межзеренных границ, что отрицательно влияет на деформационную способность и работоспособность материала в условиях длительной эксплуатации судовых валопроводов.

Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, направленной оптимизацией базового химического состава стали, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием хрома, никеля и меди, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям - сере и фосфору.

В ФГУП ЦНИИ КМ “Прометей” совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом научно-исследовательских работ осуществлен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам разработанной марки стали. Металл выплавляется в 50-тонной электродуговой печи ДСП-50 с разливкой в слитки массой до 50 т и последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом оборудовании.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения заявляемой марки стали выразится в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности валопроводов морских судов и кораблей арктического плавания.

Источники информации

1. ГОСТ 4543-71 “Сталь конструкционная легированная” (марки и технические требования) - прототип.

2. ГОСТ 8536-79 “Заготовки судовых валов и баллеров рулей”, 1986.

3. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева “Машиностроительные стали”, справочник. М.: Машиностроение, 1981.

4. Материалы Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы повышения надежности судовых валопроводов”. Л.: Судостроение, 1981.

5. Л.Т.Балицкий, Г.Н.Филимонов “О причинах разрушения гребных валов на судах типа “Ленинский комсомол”. Технико-экономическая информация, серия “Техническая эксплуатация флота”, №11 (ЦБТНТИ ММФ), 1968.

6. Технический отчет ЦНИИ КМ “Прометей” по теме №6/1761-93 “Освоение промышленного производства уникальных длинномерных заготовок для гребных валов проекта 12441”, Санкт-Петербург, 2001.

7. Технический отчет ЦНИИ КМ “Прометей” по теме №6/530140 “Проведение усталостных испытаний образцов, вырезанных из бывших в эксплуатации гребных валов заказов №649 и 650”, Санкт-Петербург, 2003.

8. Материалы 3-й Международной научно-технической конференции “Военно-морской флот и судостроение в современных условиях” (NSN-2003), Санкт-Петербург, 2003.

9. Материалы Международной научной конференции “Механика-2003”, Литва, г. Каунас, 2003.

Формула изобретения

Сталь для валопроводов морских судов арктического плавания, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, алюминий, церий, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,32-0,38

Кремний 0,2-0,37

Марганец 0,25-0,45

Хром 1,2-1,5

Никель 1,2-1,5

Медь 0,05-0,2

Молибден 0,32-0,4

Ванадий 0,1-0,3

Алюминий 0,005-0,01

Церий 0,005-0,05

Азот 0,005-0,05

Сера 0,005-0,020

Фосфор 0,005-0,015

Железо Остальное

при этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,4%; суммарное содержание никеля и меди не должно превышать 1,6%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03%.