Сталь для изготовления металлоформ

Изобретение относится к разработке конструкционных теплоустойчивых сталей, которые могут быть использованы при изготовлении металлоформ для центробежного литья труб из высокопрочного чугуна. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, в мас.%: углерод 0,15 - 0,17; кремний 0,15 - 0,37; марганец 0,40 - 0,80; хром 2,10 - 2,50; никель 0,35 - 0,50; молибден 0,40 - 0,60; ванадий 0,17 - 0,20; алюминий 0,025 - 0,040; сера не более 0,025; фосфор не более 0,025; медь не более 0,25; железо - остальное. При этом отношение содержания хрома к содержанию углероду составляет 14,0 - 14,7, а отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет 1,0 - 1,33. Кроме того, отношение суммы легирующих элементов ферритизаторов к сумме легирующих элементов аустенизаторов определяется следующим соотношением: Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик металлоформ путем повышения прочности, теплостойкости и ударной вязкости стали. 1 з.п. ф-лы, 10 табл.

 

Изобретение относится к области конструкционных сталей, в частности теплоустойчивых сталей для изготовления металлоформ центробежного литья груб из высокопрочного чугуна.

Металлоформы работают в тяжелых температурно-деформационных условиях. В то время как во внутреннюю полость формы заливают жидкий чугун при температуре 1260-1320°С, наружную ее поверхность охлаждают водой, циркулирующей в системе охлаждения. Такой перепад температур приводит к образованию значительных термических напряжений. Затем следует очередная заливка и следующий тепловой удар. После 500-800 заливок металлоформы выходят из строя по причине образования трещин (исчерпание ресурса пластичности) и сетки разгара (характеристики жаропрочности и жаростойкости).

Кроме того, работоспособность металлоформ обусловлена:

- температурой отпуска, которая должна быть выше 560°C - максимальной температуры разогрева внутренней стенки металлоформы,

- содержание углерода в стали не должно превышать 0,17% для обеспечения хорошей свариваемости: отсутствие трещин при ремонте металлоформ наплавкой,

- в целях экономии затрат на закалку и обеспечения противопожарных требований, сталь должна закаливаться в воде,

- как показали наши исследования, прочность стали для изготовления металлоформ должна быть не ниже 800 МПа, а текучесть σ_0.2 максимально приближена к значению σ_в, что обеспечивает конструкционную прочность и релаксацию температурно-деформационных напряжений.

Для изготовления металлоформ в мировой практике в основном применяют хромомолибденовые стали. В качестве прототипа нами выбрана сталь 20ХМ по ГОСТ4543-71 «Сталь легированная конструкционная. Технические условия».

Известная сталь 20ХМ (Марочник сталей и сплавов п/р А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.240) содержит элементы, мас.%:

Углерод	0,15-0,25
Кремний	0,17-0,37
Марганец	0,40-0,70
Хром	0,80-1,10
Никель	не более 0,30
Молибден	0,15-0,25
Сера	не более 0,035
Фосфор	не более 0,035
Медь	не более 0,30

Механические свойства при 20°С после термообработки по режиму: закалка 880°С, масло и отпуск 500°С, воздух (сечение до 80 мм): σ_0.2≥590 МПа, σ_в≥780 МПа, δ≥12%, ψ≥50%, KCU≥88 Дж/см², НВ≤179.

Однако эта сталь неоптимальна для изготовления металлоформ по причине:

- низкой теплостойкости: снижение прочности до 520 МПа уже при 550°С,

- недостаточной жаростойкости: 0,07 мм/год при 600°С и 0,11 мм/год при 700°С,

- низкой стабильности свойств при закалке в воде.

Цель и задачи изобретения - устранение недостатков стали 20ХМ.

Для повышения прочности и теплостойкости стали увеличено содержание хрома (до 2,1-2,5%) и дополнительно введен ванадий (до 0,17-0,20%).

Для достижения требуемых эксплуатационных характеристик суть важно соотношение хрома и углерода, образующих высокотемпературные карбиды Cr₇С₃ и Cr₂₃С₆, обеспечивающие высокую теплостойкость стали, таблицы 1 и 2.

Эффект повышения прочностных характеристик и их стабильности при температурах эксплуатации металлоформ (до 560°С) увеличивается при дополнительном легировании стали 20ХМ - прототип ванадием (0,17-0,20%).

При этом важно соблюдать соотношение ванадия и углерода (таблица 3), обеспечивающих образование специальных теплостойких карбидов.

Легирование стали никелем (0,35-0,50%) стабилизирует уровень механических характеристик (особенно, ударной вязкости при определении на образцах тип 11), повышает жаропрочность и жаростойкость стали - таблицы 4-6.

Для обеспечения возможности закалки стали в воде: существенное сокращение затрат на закалочную среду и обеспечение противопожарных требований, сталь дополнительно легирована экспериментально установленным количеством алюминия (0,025-0,040%).

Легирование стали 17Х2НМФ алюминием (0,025-0,040%) и термическая обработка по разработанному нами режиму: закалка 910°С, 1,5 ч, вода, отпуск 610°С, 2 ч - стабильно обеспечивают существенное превышение заданного (на основе анализа технической и патентной литературы) уровня механических характеристик: σ_в≥800 МПа, σ_0.2≥600 МПа, α₁≥100 кДж/м² и, как следствие, высокий ресурс металлоформ (таблица 7). Сталь 20ХМ на заданные параметры стабильно закаливается только в масле. Достигнутая за счет выбора системы и уровня легирования возможность проведения высокотемпературного отпуска обеспечивает стабильность свойств при эксплуатации металлоформ до 580°С (температура отпуска стали 20ХМ - прототипа - 500°С, что предопределяет низкую ее теплостойкость).

Таблица 8 иллюстрирует влияние содержания молибдена на механические характеристики при Т=500°С и ресурс стали 17Х2НМФЮ. Сталь сохраняет высокий уровень прочностных характеристик, в то время как у прототипа (композиция Cr-Мо) служебные характеристики при высоких температурах существенно снижаются.

Свариваемость (технологичность при ремонте металлоформ наплавкой) стали в первую очередь определяется содержанием углерода. Ограничение верхнего уровня содержания С≤0,17% позволяет уменьшить протяженность зоны термического влияния и ее твердость, тем самым предупреждая образование трещин в наплавленном металле и металлоформе (таблица 9).

Безусловно, важную роль играет теоретически обоснованная и экспериментально подобранная композиция других легирующих элементов.

Попытка снижения содержания углерода в стали 20ХМ - прототип приводит к падению прочностных характеристик (σ_в. до 520 МПа и σ_0.2 до 380 МПа) и как следствие, уменьшению ресурса металлоформ - до 600 отлитых труб.

Необходимое условие достижения сталью 17Х2НМФЮ максимального уровня эксплуатационных характеристик - контроль отношения суммы феррити-заторов (эквивалент Cr) к сумме аустенизаторов (эквивалент Ni).

Оптимальное соотношение суммы этих элементов предопределяет структуру стали 17Х2НМФЮ как в литом (или кованом) состоянии, так и (особенно) после термической обработки.

Структура (оптимум - бейнит + мартенсит) определяет механические свойства и ресурс металлоформ (таблица 10). Наличие в структуре феррита снижает эксплуатационную надежность металлоформ.

Влияние содержания хрома, углерода и их соотношения на механические свойства и ресурс стали 17Х2НМФЮ

Кроме того, отношение предопределяет склонность стали к образованию горячих трещин. Особенно при восстановлении наплавкой размеров раструба металлоформы.

Технический результат изобретения - повышение эксплуатационных характеристик металлоформ путем повышения прочности, теплостойкости, жаростойкости и технологичности при закалке в воде разработанной стали 17Х2НМФЮ.

1. Сталь для изготовления металлоформ для центробежного литья, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор, медь и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и алюминий при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углерод	0,15 - 0,17
Кремний	0,15 - 0,37
Марганец	0,40 - 0,80
Хром	2,10 - 2,50
Никель	0,35 - 0,50
Молибден	0,40 - 0,60
Ванадий	0,17 - 0,20
Алюминий	0,025 - 0,040
Сера	Не более 0,025
Фосфор	Не более 0,025
Медь	Не более 0,25
Железо	Остальное

при этом отношение содержания хрома к содержанию углерода составляет 14,0 - 14,7, а отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет 1,0 - 1,33.

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение суммы легирующих элементов ферритизаторов к сумме легирующих элементов аустенизаторов определяется следующим соотношением: