Сталь для отливок Советский патент 1992 года по МПК C22C38/28 

ё

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали, применяемой для отливок. Цель изобретения - снижение стоимости при сохранении уровня механических свойств и повышение трещиностой- кости в диапазоне температур 20-550°С. Сталь дополнительно содержит цирконий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мае. %: углерод 0,14-0,20; марганец 0,6-0,9; кремний 0,2-0,4; хром 1,2-1,4; молибден 0,3-0,5; ванадий 0,25- 0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005- 0,010; железо остальное. Применение предложенной стали позволяет повысить надежность и долговечность изделий и снизить стоимость продукции. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сталям для отливок, обладающим при экономном легировании молибденом высокими механическими свойствами, повышенной трещиностойкостью в диапазоне температур 20 550°С и пониженной стоимостью, и может использоваться в энергетическом и тяжелом машиностроении, где применяются стали, содержащие, мас.%: хром 1-1,5; молибден 0,5-1,5; ванадий 0,2- 0,4.

Известны хромомолибденованадиевые стали обладающие хорошей жидкотекуче- стью, удовлетворительными механическими и эксплуатационными свойствами в диапазоне температур 20-550°С.

Однако в ходе длительной эксплуатации, достигающей в изделиях энергетического машиностроения сотен тысяч часов, в сталях этого класса протекают процессы, значительно снижающие кратковременные механические свойства, а также длительные

прочность и пластичность материалов. Главным из этих процессов является карбидная реакция МезС- Ме7Сз Ме2зСб. Образование крупных глобулей карбидов типа(Ре, Сг, Мо, VJ23C6, а также специальных карбидов молибдена М02С и интерметаллидов типа FeaMo обезлегирует и разупрочняет твердый раствор, усиливает за счет резкого уменьшения содержания легирующих элементов в матрице, диффузионную подвижность адсорбционно-активных примесей (фосфора, сурьмы и др.). Снижение всего комплекса механических и эксплуатационных свойств стали при образовании значительных сегрегации примесных элементов на границах зерен и присутствии в матрице крупнодисперсных карбидов, выступающих в роли концентратов напряжений, приводит к необходимости снижения параметров (температуры и давления) пара в энергоблоке. Это вызывает перерасход топлива, повышение стоимости киловатт-часа

XI

ю N XI

ю

электроэнергии. Интенсивность образования сегрегации и карбидных включений в стали связано с содержанием в ней, главным образом, молибдена и хрома. Превышение концентрации молибдена (более 0,7 мас.%) приводит к появлению специальных карбидов типа МоаС и интерметаллидов. Увеличение совместного содержания хрома и молибдена интенсифицирует процесс образования и роста частиц карбида МеазСе. Кроме того, высокое (для стали 15Х1М1ФЛ - 1,2%) содержание молибдена приводит к перерасходу дефицитного элемента и повышению стоимости материала.

Известна хромомолибденованадиевая сталь, которая содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний 0,20-0,40; хром 1,20-1,40; молибден 0,90-1,20; ванадий 0,25-0,40; железо остальное.

В табл.1 приведены механические свойства известной стали после термической обработки, приведенной по следующему режиму: отжиг при 1050°С, нормализация 980-1000°С, отпуск 710-740°С.

Известная сталь обладает удовлетворительным комплексом механических характеристик (7о,2, оь , 5g , Vй KCU), однако содержание в ней дефицитного легирующего элемента - молибдена высоко (0,5-1,2 мас.%). Такая концентрация молибдена не только повышает стоимость стали, но и-в значительной степени влияет на одно из основных свойств материала - трещино- стойкость.

Трещиностойкость - характеристика стали, определяющая его возможность не терять работоспособности в условиях образования и роста трещины. От этой способности зависит ресурс одного из наиболее материало-и трудоемких узлов турбоагрегатов - корпусов цилиндров высокого давления. Образующийся в стали 15Х1М1ФЛ специальный карбид молибдена (Мо2С) обладает игольчатой или пластинчатой формой и представляет собой концентратор типа острого надреза, приводит к перераспределению молибдена между матрицей стали и вновь образующейся карбидной фазой и значительному снижению ее трещино- стойкости в интервале температур 20-550°С. Кроме того, перераспределение молибдена в карбидную фазу усиливает чувствительность стали к сегрегационному ох- рупчиванию примесями замещения (в частности фосфора).

Целью изобретения является снижение себестоимости при сохранении уровня механических свойств и повышение трещиностойкости в диапазоне температур 20- 550°С.

Цель достигается тем, что в сталь, в состав которой входят углерод, марганец, хром, мо- 5 либден, ванадий, железо, дополнительно вводят кальций, барий, цирконий, причем содержания указанных ингредиентов должно быть в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний

0 0,20-0,40,- хром 1,20-1,40; молибден 0,30- 0,40; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0.16; кальций 0,005-0,010; барий 0,005-0,010; железо остальное.

Ограничения по содержанию каждого

5 из элементов связаны с влиянием всего легирующего комплекса на структуры и свойства стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействия каждого элемента и легирующего

0 комплекса в целом. Вновь введенные в сталь элементы цирконий, кальций, барий в определенной концентрации, в сочетании с легирующим комплексом позволяют сохранить механические свойства стали на преж5 нем уровне, повысить ее трещиностойкость и снизить ее себестоимость. Эти элементы позволяют сдерживать диффузию фосфора в границы зерен, за счет сфероидизации сульфидных включений и рафинирования

0 стали от кислорода, улучшают пластичность, вязкость, высокотемпературные характеристики стали и надежность ее эксплуатации. Цирконий имеет высокую энергию вза5 имодействия с фосфором и другими примесями внедрения и замещения. Атомы циркония, находящиеся в твердом растворе, удерживают атомы фосфора вблизи себя, подавляя их диффузию в границы.

0 Содержание циркония менее 0,1 мас.% не оказывает должного эффекта подавления диффузии, содержание его более 0,15 мас.% приводит к резкому обезуглероживанию и разупрочнению матрицы стали из-за обра5 зования значительного количества специальных карбидов.

Кальций является поверхностно-активным элементом и, адсорбируясь на границах растущих кристаллов, уже в количествах

0 более 0,005 мас.% вызывает модифицирования первичной структуры и способствует образованию глобулярных сульфидов. Меньшая его концентрация неэффективна, а превышение его содержания (более 0,010

5 мас.%) технологически затруднено.

Барий снижает упругость паров и тем самым повышает термодинамическую активность кальция, способствуя более эффективному модифицированию и рафинированию стали. Содержание его ме- нее 0,005 мас.% неэффективно, а более

0,010 мэс.% требует специальных методов введения его в сталь.

Известно легирование стали кальцием, который вводится для десульфурации в конструкционные и высокопрочные стали в ко- личествах 0,0005-0,0050 мае.%. Кальций входит в состав аустенитных нержавеющих сталей, улучшая их обработку резанием (0,002-0,006 мас.%). Кальций повышает стойкость материалов против сульфидного и водородного охрупчивания, улучшает коррозионную стойкость материалов. Концентрация его в этом случае находится в пределах 0,009-0,5 мас.%.

Совместное введение кальция и бария имеет применение в литейных материалах для повышения гидроплотности отливок (кальций 0,005-0,080 мас.%, барий 0,005- 0,050 мас.%), конструкционных сталях (Ва 0,01-0,05 мас.%, Са 0,01-0,05 мас.%). цир- конием легируют высокопрочные стали для труб нефтяных скважин в количестве менее 1 мас.%, высокомарганцевые стали (Zr 2 мас.%).

Известно и совместное введение цирко- ния и кальция в стали с содержанием каждого из элементов, мас.%: Zr 0,01-0,10; Са 0,001-0,010. Вводят элементы в высокопрочные вязкие стали для труб (Zr 0,01-0,1 мас.%, Са 0,001-0,008 мас.%). и конструк- ционные стали (Са 0,001-0,03 мас.%, Zr 0.01-0,15 мас.%).

Металл опытных плавок выплавляют в индукционной печи с основным тиглем.

Химический состав полученных сталей приведен в табл.2.

Температуры разливки стали 1540± 10°С. Полученные отливки термически обрабатывают по следующему режиму: гомогенизация 1050°С 3 ч, нормализация 1000°С 3 ч и отпуск 700°С в течение 5 ч.

Ограничения по содержанию каждого из указанных выше легирующих элементов связаны с влиянием всего легирующего комплекса на структуру и свойства стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействия на свойства сталей каждого легирующего элемента и всего легирующего комплекса в целом.

Введение в сталь углерода в количестве 0,14-0,20 мас.% обусловлено тем, что при меньшем его содержании не обеспечивается необходимый уровень прочности стали, а превышение его содержания (более 0,20 мас.%) вызывает интенсивное выделение специальных карбидов (Ме2зСе), охрупчива- ющих сталь в процессе длительной эксплуатации, т.е. снижает уровень ее трещиностойкости и механических характеристик.

Минимальное содержание марганца (0,60 мас.%) обусловлено технологическим процессом выплавки стали и составом применяемых в промышленности шихтовых материалов. Превышение концентрации марганца (более 0,90 мас.%) вызывает его интенсивную сегрегацию в границы зерен, образование зон упорядоченного твердого раствора, обогащенного марганцем, приводящего к охрупчиванию стали.

Минимальное содержание кремния (0,20 мас.%) также обусловлено технологией выплавки стали, в частности процессами ее раскисления. Превышение его концентрации (более 0,40 мае. %) способствует образованию карбида Ме2зСб за счет перераспределения углерода в кремнийсо- держащем твердом растворе и способствует, тем самым, обезлегированию и разупрочнению матрицы и снижению всего комплекса механических свойств, особенно в зоне высоких температур.

Содержание хрома в стали менее 1,20 мас.% не обеспечивает требуемого уровня прочностных свойств материала, а превышение его концентрации (более 1,70 мас.%) интенсифицирует (при заданном содержании молибдена, углерода и ванадия) процесс карбидного превращения - Мв2зСб на базе карбида СггзСе, снижая весь комплекс механических свойств.

Молибден повышает одновременно прочностные и вязкие свойства стали, что связано с его воздействием на содержащиеся в сталях вредные примеси внедрения и замещения. Находясь в твердом растворе, молибден препятствует сегрегационному перераспределению вредных примесей и их охрупчивающему и разупрочняющему влиянию. При содержании молибдена менее 0,30 мас.% не достигается необходимого эффекта подавления влияния примесей, а при превышении его содержания (более 0,50 мас.%) возникает опасность выхода его из твердого раствора при протекании карбидной реакции и интенсификации образования (при заданной конструкции всех карбидообразующих элементов) карбидов МеазСб и Мо2С.

Ванадий, как и другие карбидообразую- щие элементы, повышает температуру АС1 стали, увеличивает ее жаропрочность за счет образования мелкодисперсного, когерентного с матрицей карбида VC. Ванадий в данной системе легирования в основном связан в карбиды VC, практически не изменяющиеся по составу в течение длительного срока эксплуатации. Эти частицы, образующиеся за счетдиффузии внедренных атомов

углерода и азота к атомам ванадия с вытеснением из зоны их влияния более слабых карбидообразующих элементов (железа, хрома, марганца, молибдена и т.д.), позволяет регулировать количество в структуре других карбидов, значительно измельчать их. Кроме того, ванадий находясь в твердом растворе, уменьшает совместно с молибденом вредное влияние примесных атомов внедрения и замещения. Концентрация ванадия менее 0,25 мас.% неэффективна, а превышение его содержания (более 0,40 мас.%) приводит к значительному увеличению количества и размеров частиц VC, обедняя, тем самым, матрицу стали по углероду и разупрочняя ее.

Механические свойства опытных сталей приведены в табл.3 (результаты испытаний являются средним значением 6 измерений). Трещиностойкость сталей приведена в табл.4 (результаты являются средними значениями 5 измерений).

Из приведенных в табл.3 и 4 данных видно, что у предлагаемой стали в диапазоне температур 20-550°С механические

свойства сопоставимы с известной сталью, а Трещиностойкость во всем диапазоне температур выше, чем у стали 15X1М1ФЛ.

Кроме того, предлагаемая сталь значи- тельно экономичнее, чем известная, так как содержит на 0,6-0,7 мас.% молибдена меньше, чем корпусная сталь паровых турбин и котлоагрегатов 15Х1М1ФЛ.

Формула изобретения

Сталь для отливок, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, молибден, железо, отличающаяся тем,

что, с целью снижения стоимости при сохранении уровня механических свойств и повы- шения трещиностойкости в диапазоне температур от 20 до 550°С, она дополнительно содержит цирконий, кальций и барий

при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60- 0,90; кремний 0,20-0,40; хром 1,20-1,40; молибден 0,30-0,50; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005-0,010;

барий 0,005-0,010; железо остальное.

Таблица 1

30

Таблица 2

Та бл и цаЗ

Таблица 4