Сталь Советский патент 1992 года по МПК C22C38/60 

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

Известна низколегированная сталь, содержащая. мас.%: С 0,10-0,15; Мп 0.40-0,70; SI 0,17-0,37; Сг 0,9-1,2; Мо 0,25-0,35; V 0,15-0,30; S до 0,040; Р до 0,040 (ГОСТ 5520-. 79).

После термической обработки сталь рассчитана на срок службы 100.000 ч и имеет пределы длительной прочности за это время при температурах: 540°С - 100 МПА, 570°С - 80 МПа, 610°С - 50 МПа.

Основным недостатком этой стали является то, что она не может быть использована для работы свыше 100.000 ч.

Известна сталь, содержащая, мас.%: С 0.25-0,35; Мп 0,8-1,6; SI 0,4-0,9; Сг 0,3-0,6;

V 0,04-0,15; N 0,008-0,020; AI 0,005-0,015; Си 0,1-0,5; NI 0,1-0,5; Са 0,001-0,01.

Сталь предназначена для труб нефтяного сортамента с повышенной прокаливае- мостью и коррозионной стойкостью, обладающих высокой устойчивостью к тре- щинообразованию. Однако эта сталь не может применяться для изделий, работающих в течение длительного времени.

Известна также сталь, наиболее близкая по легированию к предлагаемой, взятая за прототип, содержащая, мас.%: С 0,20- 0.25; Si 0,15-0,35; Мп 0,60-0.85; Ni 0,5-0,7; Сг 0,9-1,2; Мо 0,35-0,45; V 0,05-0.10; AI 0,01-0,06 (или) N 0,005-0,025.

Однако сталь не может работать длительное время в условиях высоких температур и напряжений, так как в ней в результате

NI

СП

jb

XI Ю

О

образования нитридов алюминия AIN наступает преждевременное разрушение.

Цель изобретения - повышение пластичности и срока службы изделий при рабочих температурах 500-610 °С.

Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, азот, дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, олово, свинец, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0.07-0.20

Марганец0,40-1,50

Кремний0,17-0,80

Молибден0,15-1,10

Ванадий0,15-0,45

Хром0,50-2,0

Алюминий0,002-0,009

Азот0,002-0,012

Сера0,002-0,015

Фосфор0,002-0,015

Цинк0,0005-0,004

Свинец0,0003-0,004

Олово0,0005-0,004

Висмут0,0001-0,003

Сурьма0,0005-0,003

причем сумма элементов Р+ Zn+ Sn+ Pb+ ВН- Sb 0,027%. a V:C- 0.75-6,5 и ,2-4,5.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием серы (0,002- 0,015%), фосфора (0,002-0,015%), цинка (0,0005-0,004%), свинца (0,0005-0,004%). олова (0,0005-0,004%), 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 ,75-6,5 и 0,2-4,5.

Сущность изобретения состоит в том, что сталь-прототип содержит алюминий (0,002-0,009%). азот (0,002-0,012%), т.е. в тех количествах, при которых наблюдается отсутствие нитридной фазы. Превышение содержания алюминия свыше 0,009% приводит к образованию нитридов алюминия (AIN), а также к иному перераспределению карбидных фаз. Такое влияние алюминия отрицательно сказывается на длительной прочности стали. Уменьшение содержания алюминия менее 0.002% способствует получению металла плохого качества вследствие его нераскисленности. Превышение верхнего содержания азота 0,012% ведет к образованию нитридных фаз -AIM, VN вместо карбидных -VC; получение азота ниже приведенного в промышленная условиях в

легированных сталях практически не достигается.

Превышение углерода сверх 0,20% приводит к образованию излишнего количества

карбидных фаз- в основном МзС , а также к их коагуляции. Уменьшение содержания углерода за указанные пределы не обеспечивает получения достаточного количества упрочняющих карбидных фаз, а следова0 тельно, и требуемого уровня прочностных свойств.

Введение марганца и кремния обусловлено необходимостью раскисления стали. При содержании в стали марганца и крем5 ния менее 0,40 и 0,17% соответстззнно сталь оказывается недостаточно раскисленной, при превышении содержания марганца выше 1,50 и кремния 0,80% резко повышается содержание в стали неметаллических

0 включений - силикатов марганца.

Введение молибдена и ванадия является обязательным с точки зрения обеспечения требуемого уровня свойств в сталях, работающих длительное время при шенных температурах и давлениях. Молибден и ванадий способствуют упрочнению твердого раствора и стабилизации упрочняющих фаз.

Введение ванадия в количестве 0,150 0,45% способствует получению требуемого количества карбида ванадия в стали, который стабилизирует свойства стали в течение длительного времени.

Превышение содержания ванадия свы5 ше 0,45% приводит к образованию избыточ- ного количества карбида ванадия и выделению этой фазы в виде скоплений, что отрицательно сказывается на пластичности стали. Понижение ванадия ниже 0,15% при0 водит к уменьшению количества карбида ва- нэдия, а следовательно, и к отсутствию требуемых свойств.

Наличие в стали молибдена ниже 0,15% недостаточно для легирования твердого

5 раствора и карбида ванадия, при увеличении содержания молибдена более 1,10% дополнительно образуются нежелательные карбиды на основе молибдена, влияние которых отрицательно сказывается на свойст0 вах.

При содержании хрома менее 0,50% не обеспечиваются требования по окалино- стойкости стали, превышение содержания хрома более 2,0% приводит к образованию

5 неметаллических включений - карбонитри- дов хрома.

Сера и фосфор отрицательно влияют на свойства сталей, особенно работающих длительное время в условиях высоких температур и напряжений. Эти элементу, обогащая приграничные объемы металла, приводят к ослаблению связей на границах зерен, что особенно важно учитывать для сталей данного назначения

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

Наличие в стали серы и фосфора свыше 0,015% (каждого) нежелательно, так как приводит к ухудшению свойств.

Примеси цветных металлов - свинец, цинк, олово, висмут, сурьма - 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%, РЬ 0,004%, Sn 0,004%, Bi 0,003%, Sb 0,003%, вызвано крайне грудной технологией их получения - специальной и длительной обработкой шихты, например, методом прямого восстановления железа, рудно-термическим процессом или другими еще более сложными методами. 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, писмута, сурьмы 0,027% вызвано получением металла с высокой прочностью и пластичностью, так как в этом случае наблюдаются чистые границы зерен от эвтектических выделений,

При нарушении соотношения ,75- 6,5 изменяется структура стали; при содержании менее 0,75 наблюдается недолегированность основной упрочняющей фазой - карбидом ванадия; в случае соотношения более 6,5 в стали присутствуют грубые выделения карбидных 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 - карбидов ванадия, при отношении более 4,5 образуются скопления нитридов алюминия, наличие которых понижает как прочность, так и пластичность стали.

Предлагаемое соотношение элементов в стали было найдено экспериментальным 5 путем и является оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект, указанный в целевой части формулы изобретения. При нарушении соотношения элементов ухудшаются свойства

0 стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается,

Ниже приведены варианты осуществления использования изобретения, не исключающие другие варианты в объеме

5 формулы изобретения (см. таблицу), где приведены данные по длительной прочности при средней рабочей температуре 570, а также при 610°С .

Пример 1, Металл состава 1 (см,

0 таблицу) получают следующим образом.

В сталеплавильной печи выплавляют полупродукт из чистой по цветным примесям Сцинку, свинцу, олову, висмуту, сурьме) шихты, полученной специальными метода5 ми, например методом прямого восстановления железа. Содержание углерода в полупродукте 0,07%. Металл легируют молибденом на 0,15%. В процессе выпуска проводят прямое легирование металла мар

0 ганцем на 0,40% из оксидных материалои с восстановлением кремния на 0,17%. Этт обеспечивает гарантированно низкое содержание фосфора и алюминия, особенно при легировании марганцем в интервале

5 0,7-1,5%. В огличие от ферромарганца ок сидные марганецсодержащие материалы имеют очень небольшое содержание фосфора. Затем металл выпускают в ковш, где легируют хромом на 0,50%. После выпуска

0 замеряют температуру металла и вакууми- руют его циркуляционным способом в течение 20 мин при остаточном давлении до Г5 Мбар. Десульфурацию стали проводят в процессе виепечной обработки известковы5 ми шлаками на 0,002%. В конце вакуумиро- вания присаживают ванадий на 0.15%. После вакуумирования металл разливают. В процессе выпуска и внепечной обработки при необходимости проводится корректи0 ровка состава путем ввода добавок требуемых элементов. При достижении заданного состава и соотношения ,75-6.5 и ,2-4,5, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

5 Пример 2. Металл состава 3 (см. таблицу) выплавляют таким же способом. Содержание углерода в полупродукте 0,20%. Металл легируют молибденом на 1,10%, затем проводят прямое легирование марганцем на 1,50% из оксидных материалов с восстановлением кремния на 0,80%. Металл во время выпуска в ковш легируют хромом на 2,0%. После вакуумирования присаживают ванадий на 0,45%. Далее как в первом варианте.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, азот,железо.отличающаяся тем, что, с целью повышения пластичности и срока службы изделий при рабочих температурах 500-610°С, она дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотно шении компонентов, мас.%:

Углерод0,07-0,20

Марганец0,40-1,50

Кремний0,17-0,80

Молибден0,15-1,10

Ванадий0,15-0,45

Хром0.50-2,0

Алюминий0,002-0,009

Азот0,002-0,012

Сера0,002-0,015

Фосфор0,002-0,015

Цинк0,0005-0,004

Свинец0,0003-0,004

Олово0,0005-0,004

Висмут0,0001-0.003

Сурьма0,0005-0,003

ЖелезоОстальное

при выполнении следующих соотноше- ний: сумма (фосфор + цинк + олово + свинец

+ висмут + сурьма) 0,027;

отношение ванадий/углерод 0,75-6,5;

отношение алюминий/азот 0,2-4,5.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к стали, обладающей увеличением срока службы изделий из нее при рабоних температурах 500-610°С, а также высокой пластичностью. Сталь дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,20; марганец 0,40-1,50; кремний 0,17-0,80; молибден 0,15-1,10; ванадий 0,15-0,45; хром 0,50-2,0; алюминий 0,002- 0,009; азот 0,002-0,012; сера 0,002-0,015; фосфор 0,002-0,015; цинк 0,0005-0,004; свинец 0,003-0,004; олово 0,0005-0,004; висмут 0,0001-0,003; сурьма 0,0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор 1 + цинк + олово + свинец + висмут + сурьму) 0,027; отношение ванадий/углерод 0,75-6,5; отношение алюминий/азот 0,2- 4,5. 1 табл. (Л С

Прототип

Продолжение таблицы