СТАЛЬ Российский патент 2013 года по МПК C22C38/60 C22C38/54 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к стали для изготовления массивных изделий, например для валов роторов турбогенераторов.

Известна сталь для изготовления центробежно-литых буммашин, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, бор, алюминий, титан, кальций, цирконий, ванадий, ниобий, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,18-0,20, кремний 0,10-0,50, марганец 1,20-1,60, хром 0,8-1,80, никель 0,20-0,60, медь 0,40-0,80, молибден 0,15-0,30, бор 0,001-0,003, алюминий 0,005-0,05, титан 0,001-0,02, кальций 0,005-0,06, цирконий 0,005-0,10, ванадий 0,04-0,15, ниобий 0,04-0,15, церий 0,005-0,06, железо остальное.

(RU 93050955 A, C22C 38/54, опубликовано 20.09.1996).

Однако известная сталь не обладает достаточными механическими характеристиками, склонна к охрупчиванию, что делает невозможным ее использование при изготовлении массивных валов турбогенераторов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий, медь, ниобий, цирконий, бор, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,27-0,32; кремний 0,01-0,1; марганец 0,2-0,5; хром 1,7-2,0; никель 3,45-4,0; молибден 0,55-0,7; ванадий 0,05-0,07; алюминий 0,0005-0,017; медь 0,01-0,2; ниобий 0,03-0,09; цирконий 0,03-0,07; бор 0,0005-0,002; кальций 0,0001-0,02; железо остальное.

(SU 1758081, C22C 38/54, опубликовано 30.08.1992).

Недостатком известного технического решения является склонность стали к отпускной хрупкости, ограничивающая применение стали для изготовления массивных валов роторов с диаметром бочки свыше 2250 мм и до 3000 мм.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение отпускной хрупкости стали (снижение критической температуры хрупкости) и улучшение обрабатываемости стали при механической обработке, позволяющее ее использование для массивных валов роторов турбогенераторов с диаметром бочки до 3000 мм.

Технический результат достигается тем, что сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий, медь, ниобий, цирконий, бор и железо, причем дополнительно содержит серу и фосфор, а также, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: селен, кальций и олово, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,20-0,23 Кремний 0,01-0,07 Марганец 0,3-0,4 Хром 1,45-1,60 Никель 3,2-3,5 Молибден 0,6-0,8 Ванадий 0,08-0,12 Алюминий 0,001-0,01 Медь 0,005-0,08 Ниобий 0,03-0,05 Цирконий 0,005-0,01 Бор 0,0003-0,002 Сера 0,001-0,004 Фосфор 0,001-0,005

Элемент из группы:

селен, кальций и олово не более 0,002 каждого,

при содержании кремния, марганца, фосфора и, по меньшей мере, одного элемента из группы: селен, кальций и олово, отвечающем следующему соотношению (Si+Mn)(P+элемент из группы)×10⁴<100.

Технический результат также достигается тем, что сталь содержит примеси свинца, сурьмы, мышьяка и висмута в концентрации не более 0,002 мас.% каждого; содержание фосфора и меди отвечает следующему соотношению 10P+Cu≤0,13, а содержание фосфора, сурьмы, мышьяка и, по меньшей мере, одного элемента из группы: селен, кальций и олово, отвечает следующему соотношению (10P+5Sb+As+4 элемент из группы)×0,01<15 ppm.

Изобретение может быть проиллюстрировано примером.

Сталь по изобретению была получена в виде слитка массой 150 т после выплавки в электродуговой печи по стандартной технологии. Сталь содержала следующие компоненты, мас.%: углерод 0,22; кремний 0,06; марганец 0,34; хром 1,54; никель 3,38; молибден 0,72; ванадий 0,11; алюминий 0,0065; медь 0,05; ниобий 0,038; цирконий 0,006; бор 0,0012; серу 0,0018; фосфор 0,0017. Сталь также содержала два элемента из группы: кальций и олово, в концентрации 0,0012 мас.% и 0,0009 мас.% соответственно, а также примеси свинца, сурьмы, мышьяка и висмута в концентрациях 0,0015 мас.%, 0,0012 мас.%, 0,0009 мас.% и 0,0018 мас.% соответственно.

Соотношение (Si+Mn)(P+элемент из группы)×10⁴<100 составило 90,8. Содержание фосфора и меди отвечало соотношению 10P+Cu=0,057≤0,13, а содержание фосфора, сурьмы, мышьяка и элемента из группы: кальций и олово, отвечало соотношению (10P+5Sb+As+4 элемент из группы)×0,01=0,000314<15 ppm.

Для определения служебных характеристик стали были использованы образцы, взятые из слитка после ковки, имитирующие различные части массивного изделия - сварного ротора барабанного типа с диаметром бочки 2500 мм. Механические свойства определяли после термообработки, включающей аустенизацию при температуре 880-890°C в течение 4 часов, охлаждение с печью до температуры 140°C, отпуск при температуре 335±5°C и охлаждение до комнатной температуры. Образцы перед испытаниями подвергали механической обработке (токарной обработке, обработке фрезерованием). Механические свойства стали по изобретению представлены в таблице.

Использование дополнительных компонентов стали в заявленных пределах и соблюдение заявленных соотношений компонентов стали обеспечили стабильность химического состава стали в слитке до и после ковки, незначительную разницу механических свойств стали из различных частей массивного изделия и хорошую обрабатываемость на всех стадиях получения образцов. Соблюдение соотношения кремния, марганца, фосфора и олова (Si+Mn)(P+элемента из группы селен, кальций, олово)×10⁴<100 обеспечивает уменьшение склонности стали к отпускной хрупкости. Соблюдение соотношения фосфора и меди 10P+Cu≤0,13, а также соотношения содержания фосфора, сурьмы, олова и мышьяка (10P+5Sb+As+4 элемент из группы)×0,01<15 ppm, обеспечивает минимальное негативное влияние примесей.

Из представленных данных следует, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата.

Таблица Условный предел текучести σ_0,2, Н/мм²   650-730 Временное сопротивление разрыву σ_в, Н/мм² 750 Относительное удлинение δ, % не менее 15 Относительное сужение ψ, % 45 Ударная вязкость KCV, кДж/м² 810 Критическая температура хрупкости T₅₀, °C не более минус 40 Угол изгиба, градус   150

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления массивных изделий, в частности валов роторов турбогенераторов. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,20-0,23, кремний 0,01-0,07, марганец 0,3-0,4, хром 1,45-1,60, никель 3,2-3,5, молибден 0,6-0,8, ванадий 0,08-0,12, алюминий от 0,001 до менее 0,01, медь 0,005-0,08, ниобий 0,03-0,05, цирконий от 0,005 до менее 0,01, бор 0,0003-0,002, сера 0,001-0,004, фосфор 0,001-0,005, по меньшей мере один элемент из группы: селен, кальций и олово не более 0,002 каждого, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит не более 0,002 мас.% каждого элемента из группы: свинец, сурьма, мышьяк и висмут. Повышается отпускная хрупкость стали (снижается критическая температура хрупкости) и улучшается обрабатываемость при механической обработке, что позволяет использовать сталь для изготовления массивных валов роторов турбогенераторов с диаметром бочки до 3000 мм. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Сталь для изготовления вала ротора турбогенератора, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий, медь, ниобий, цирконий, бор, серу, фосфор, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы селен, кальций и олово, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,20-0,23 кремний 0,01-0,07 марганец 0,3-0,4 хром 1,45-1,60 никель 3,2-3,5 молибден 0,6-0,8 ванадий 0,08-0,12 алюминий от 0,001 до менее 0,01 медь 0,005-0,08 ниобий 0,03-0,05 цирконий от 0,005 до менее 0,01 бор 0,0003-0,002 сера 0,001-0,004 фосфор 0,001-0,005 по меньшей мере один элемент из группы   селен, кальций и олово не более 0,002 каждого железо и примеси остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она содержит не более 0,002 мас.% каждого элемента из группы свинец, сурьма, мышьяк и висмут.

3. Сталь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что для фосфора, сурьмы, мышьяка и по меньшей мере одного элемента из группы селен, кальций и олово соблюдается следующее соотношение содержаний:
(10P+5Sb+As+4(по меньшей мере один элемент из группы))×0,01<15 ppm.