Сталь Советский патент 1992 года по МПК C22C38/60 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к сплавам на железной основе.

Известна углеродистая сталь, содержащая, мас.%: С 0,16-0,24; SI 0,15-0,30; Мп 0,35-0,65; S до 0,040; Р до 0,040.

После принятой термической обработки, а именно нормализации с 920-950°С, охлаждения на воздухе и отпуска, она рассчитана на срок службы 100.000 ч при температурах:

450°С - 98 МПа

475°С - 68 МПа

500°С - 49 МПа

Недостатком стали является то, что она не может работать свыше 100.000 ч при заданных температурах.

Известна сталь, содержащая, мас.%: С 0,02-0,25; Мп 0,2-0,4; SI до 0,03; S до 0,03; Р до 0,03; AI 0,1-0,019.

Однако эта сталь не может использо- ваться для работы в течение длительного времени при высоких температурах вследствие того, что она недостаточно легирована, а следовательно, имеет низкий уровень требуемых свойств.

Известна сталь, наиболее близкая по легированию к предлагаемой, взятая за прототип, включающая, мас.%: С 0,28-0,6; SI 0,4-1,0; Мп 0,1-1,5; V 0,01-0,1; Mb 0,01-0,1; S до 0,035; Р до 0,035.

Однако в этой стали высоко содержание серы и фосфора, что приводит к преждевременному разрушению.

Цель изобретения - повышение пластичности и срока службы изделий при рабочих температурах 400-520°С.

Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марVI

СЛ Јь vj 00 О

ганец, ванадий, серу, фосфор, дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, олово, свинец, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,07-0,27

Марганец0,30-1,5

Кремний0,17-0,80

Ванадий0,002-0,10

Алюминий0,002-0,009

Азот0,002-0.012

Сера0,002-0,015

Фосфор0,005-0,015

Цинк0,0005-0,004

Олово -0,0005-0,004

Свинец0,0003-0,004

Висмут0,0001-0,003

Сурьма0,0005-0,003

причем сумма элементов Р + Zn + Sn + Pb + Bi + Sb , a V:C 0,007-1,50 и ,.°-4,5.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием алюминия (0.002-0,009%), азоте (0,002-0 012%), цинка (0,0005-0,004%). олоза (0,0005-0,004%), свинца (0,0003-0,004%), висмута (0,0001- 0.003%), сурьмы (0,0005-0,003%), причем сумма элементов фосфора, цинка, свинца, олова, висмута, сурьмы не должна превышать 0,027%, а отношение ,007-1,50 и ,2-4,5.

Сущность изобретения состоит в том, что сталь содержит алюминий в количестве 0,002-0.009%, азот 0,002-0,012%, т.е. в тех количествах, при которых не образуется нитридная фаза AIN. Превышение содержания алюминия свыше 0,009% приводит к образованию вторичных нитридов, наличие которых в стали снижает ее длительную прочность. Уменьшение содержания алюминия менее 0,002% характеризует нера- скисленность металла, а следовательно, его плохое качество. Превышение верхнего содержания азота ведет к образованию кэрбо- нитридных фаз (или нитридных) вместо карбидных, получение азота ниже приведенного в промышленных условиях практически не достигается.

Превышение содержания углерода сверх 0,27% приводит к образованию излишнего количества карбидных фаз, а также к их коагуляции. Уменьшение содержания углерода за указанные пределы не обеспечивает получения достаточного количества упрочняющих фаз, а следовательно, требуемого уровня прочностных свойств.

Введение марганца и кремния необходимо для раскисления стали. При содержании марганца и кремния менее 0,30 и 0,17%

соответственно сталь оказывается недостаточно раскисленной, при превышении содержания марганца выше 1,50 и кремния 0,80% резко повышается в стали содержание неметаллических включений - силикатов марганца.

Введение ванадия в количестве 0,002- 0,10% способствует образованию карбида ванадия VC, стабилизирующего свойства

стали в течение длительного времени.

Превышение содержания ванадий свыше 0.10% приводит к образованию избыточного количества карбида ванадия4 а следовательно, к иному перераспределению углерода в фазах. Понижение ванадия ниже 0,002% приводит практически к отсутствию карбида ванадия, что также нежелательно при получении требуемых свойсгв. Сера и фосфор отрицательно влияют на

свойства стали, особенно работающих длительное время в условиях высоких температур и напряжений. Эти элементы, обогащая приграничные объемы металла, приводят к ослаблению связей на границах зерен, что

эгоСеьно 8о/.но /ч бывать для сталей данного назначения.

Нижний предел содержания серы и фос- фсра установлен исходя из возможностей промышпенного оборудования, так как получение значений серы и фосфора менее 0,002% (каждого) возможно лишь при проведении специальных экспериментов, что значительно удорожает сталь.

Увеличение содержания в стали серы и

фосфора свыше 0,015% (каждого) нежелательно, так как это приводит к ухудшению свойств.

Примеси цветных металлов - свинца, цинка, олова, висмута, сурьмы - оказывают

отрицательное влияние на длительную прочность стали, выделяясь на границах зерен в виде легкоплавкой эвтектики.

Получение каждого из этих элементов (Zn ниже 0,0005, РЬ 0,0003, Sn 0,0005, Bi

0,0001, Sb 0,0005) невозможно в промышленных условиях. Ограничение верхнего предела ( Zn 0,004, Pb 0,004, Sn , Bi 0,003, Sb 0,003) возможно только в случаях применения крайне трудной технологии для

получения таких количеств - специальной и длительной обработки шахты, например, методом прямого восстановления железа или еще более сложные методы. В металле обычной выплавки содержание этих элементов находится на уровне сотых долей процента (каждого). Такое высокое содержание примесей цветных металлов отрицательно сказывается на пластических характеристиках стали.

Ограничение содержания примесей цветных металлов фосфора, цинка, свинца, олова, сурьмы, висмута 0,027% связано с чистотой границ зерен от эвтектических выделений, что способствует получению металла с высокими прочностью и пластичностью.

При нарушении соотношения ,007-1,50 изменяется структура стали: при соотношении менее 0,007 наблюдаются грубые, в основном пограничные, выделения карбидных фаз, в случае соотношения более 1,50 присутствуют скопления грубых выделений этих фаз. Такие нарушения как в первом, так и во втором случаях отрицательно сказываются на свойствах стали, в первую очередь длительных.

При нарушении соотношения AI:N менее 0,20 азот соединяется с ванадием, тем самым резко уменьшая количество основной упрочняющей фазы - карбида ванадия (VC); при содержании более 4,5 образуются скопления нитридов алюминия, наличие которых понижает как прочность, так и пластичность.

Предлагаемое соотношение элементов в стали было найдено экспериментальным путем и является Оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект, указанный в целевой части формулы изобретения. При нарушении соотношения элементов ухудшаются свойства стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается.

Ниже приведены варианты осуществления и использования изобретения, не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения (см. таблицу), где значения длительной прочности приведены в основном для средней рабочей температуры 450 и для 520°С.

Пример 1. Металл состава 1 (см. таблицу) получают следующим образом. В сталеплавильной печи выплавляют полупродукт из чистой по цветным примесям (цинку, свинцу, олову, висмуту, сурьме) шихты, полученной специальными методами, например методом прямого восстановления железа. Содержание углерода в полупродукте 0,07%. В процессе выпуска проводят прямое легирование металла марганцем на 0,30% из оксидных материалов с восстановлением кремния ча 0,17%. Это способствует получению гарантированно низкого содержания фосфора и алюминия, особенно при легировании марганцем в интервале 0,7-1,5%. В отличие от ферромарганца оксидные марганецсодерж аТД йё материалы имеют очень небольшое содер- фосфора. Затем металл выпускают в

ковш. После выпуска замеряют температуру металла и вакуумируют его цИркуляцмон- ным способом в течение 20 мин при остаточном давлении до Г5 М бар. Десульфурацию

стали проводят в процессе внепечной обработки известковыми шлаками на 0,002%. В конце вакуумирования присаживают ванадий на 0,01%. После вакуумирования металл разливают. В процессе выпуска и

внепечной обработки при необходимости проводится корректировка состава путем ввода добавок требуемых элементов. При достижении заданного состава и соотношения ,007-1,50 и ,2-4,5, а также

требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

Пример 2. Металл состава 3 (см. таблицу) выплавляют этим же способом, содержание углерода в полупродукте

0,27%. В процессе выпуска проводят прямое легирование металла марганцем на 1,50% из оксидных материалов с восстановлением кремния на 0,80%. После выпуска металла замеряют температуру. Затем

металл вакуумируют. В конце вакуумирования присаживают ванадий на 0,10%. После вакуумирования металл разливают. В процессе выпуска и внепечной обработки корректируют химический состав стали путем ввода добавок требуемых элементов. При достижении заданного состава и соблюдении соотношений, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что, с целью пов&шения пластичности, срока службы изделий при рабочих температурах 400- 520°С, она дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, свинец, олово, вис- мут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,07-0,27

Марганец0,30-1,50

Кремний0,17-0,80

Ванадий0,002-0,10

Алюминий0,002-0,009

Азот0,002-0,012

Сера0,002-0.015

Фосфор0,005-0,015

Цинк0,0005-0,004

Олово0,0005-0,004

Свинец0,0003-0,004

Висмут0,0001-0.003

Сурьма0,0005-0,003

ЖелезоОстальное

при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор + цинк + олово + свинец + висмут + сурьма) 0,027;

отношение ванадий / углерод 0,007-1,5; отношение алюминий / азот 0,2-4,5.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к стали, обладающей увеличенным сроком службы изделий из нее при рабочих температурах до 520°С. Сталь дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,27; марганец 0,30-1,50; кремний 0,17-0,80; ванадий 0,002-0,10; алюминий 0,002-0,009; азот 0,002-0,012; сера 0.002-0,015; фосфор 6,005-0,015; цинк 0,0005-0,004; олово 0,0005-0,004; свинец 0,0003-0,004; висмут 0,0001-0,003; сурьма 0,0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор + цинк + олово + свинец + висмут + сурьма) 0,027; соотношение ванадий/углерод 0,007-1,5; соотношение алюминий/ азот 0,2-4,5. 1 табл. СО С

Поеллагаемая сталь

Продолжение таблицы