Хладостойкая литая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к хладостойкой литой стали, и может быть использовано для изготовления литых деталей машин , работающих при циклических нагрузках и низких температурах Цепь - повышение сопротивления хрупкому разрушению при циклических нагрузках и отрицательных температурах Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас%. углерод 0,1000 - 0.160; кремний 0,3000 - 0,700, марганец 0,8000 - 1200; хром 0,1000 - 0,800, никель 0,1000 - 0,800, медь 0,1000 - 0,500, алюминий 0,0300 - 0,060, барий 0,0010 - 0,005; титан 0,0050 - 0,025; бор 0,0005 - 0,002; кальций 0,0010 - 0,002, железо остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 0,04 - 0,08. а отношение суммарного содержания алюминия и титана к содержанию бора в пределах от 40 до 80. 2 табл

(19) RV (11) (51) 5 C22C38 54

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ Э

СР О

О

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5026719/02 (22) 14.02.92 (e9 30.10.93 Eeft Ng 39 — 40 (71) Научно-производственное предприятие

"Салма" . (72) Солнцев Ю.П„Андреев АК; Гречин P.È. (73) Научно-производственное объединение

"Сапма" (S4) ХЛАДОСТОЙКАЯ ЛИТАЯ СТАЛЬ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к хладостойкой литой стали, и может быть использовано для изготовления литых деталей машин, работающих при циклических нагрузках и низких температурах Цепь — повышение сопротивпения хрупкому разрушению при циклических нагрузках и отрицательных температурах Сталь содер— жит компоненты при следующем соотношении, мас%; углерод 0,1000 — 0.160; кремний 0,3000—

0,700; марганец 0,8000 — 1,200; хром 0,1000—

0,800; никель 0,1000 — 0,800; медь 0,1000 — 0,500; алюминий 0,0300 — 0,060; барий 0,0010 — 0,005; титан 0,0050 — 0,025; бор 0,0005 — 0,002; кальций

0,0010 — 0,002; железо остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет

0,04 — 0,08, а отношение суммарного содержания алюминия и .итана к содержанию бора в пределах от 40 до 80. 2табп

2001965

Изобретение относится к металлургии, в частности касается хладостойкой литой стали, и может быть использовано, например, для изготовления литых деталей машин. работающих при циклических нагрузках и низких температурах.

В настоящее время очень остро стоит проблема разработки сталей для изготовления литых деталей, работающих в условиях циклического нагружения при низких температурах.

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, алюминий, барий, кальций, железо, титан, бор, а также магний, при следующем соотношении компонентов, мас. :

Углерод 0,15 — 50

Марганец 0,60-1,50

Кремний 0,170-0,60

Алюминий 0.0050-0.10

Титан 0,0050-0,050

Бор 0,0008-0.004

Кальций 0,0008-0,007

Хром 0.20-0,80

Барий о,ооо8-о,оо6

Медь 0.05 — 2,0

Магний 0,0001 — 0,005

Железо Остальное

Эта сталь имеет механические эксплуатационные свойства, позволяющие приме- 30 нять ее для бурильных труб и в машиностроении.

Так, абразивная износостойкость стали составляет 16 — 22 х 10 кг; д=40 — 48 ; ф 69 — 84 .

Однако, сталь имеет недостаточно высокую ударную вязкость, в частности, при — бо с низких температурах, (KCV, г

=0,7 МДж/м ) и соответственно понижен- 40 ную хладостойкость, Указанные свойства не позволяют изготовлять из укаэанной стали литые детали для работы в условиях циклического нагружения г ри низких температурах, 45

Наиболее близкой к заявляемой стали по технической сущности и достигаемому эффекту является хладостойкая литая сталь (1), содержащая компоненты при следующем соотношении, мас. : 50

Угле род 0.0400-0,160

Марганец 0,7000 — 1,60

Кремний 0.2000-0,70

Хром 0,100 — 0,80

Никель 0.030-0,30 55

Медь 0,0300-0,30

Алюминий 0.0200-0.055

Кальций 0,0005-0,010

Ванадий 0,04-0,250

Азот 0,005-0,030

Барий 0,001 — 0,010

Цирконий 0,0005-0,030

Железо Остальное

Эта сталь применяется для изготовления литых деталей, работающих при низких температурах (порог хладноломкости (T50) стали, определяемый по наличию в изломе ударных образцов 50 волокнистой составляющей, достигает — 33 С).

Критический коэффициент интенсивности напряжений(К1с), определяющий склонность стали к хрупкому разрушению и описывающий поле напряжений в вершине трещины в момент начала ее развития, для этой стали достигает 42 МПа М

Определяемые при испытаниях стали на многоцикловую усталость эффективный коэффициент концентрации напряжений (К О) и коэффициент чувствительности к концентраторам напряжений (ц) составляют для этой стали соответственно 1,84 — 1,90 и

0,38-0,42.

Энергоемкость разрушения (КСТ), определяемая на ударных образцах с предварительно нанесенной усталостной трещиной, у этой стали составляет 93-105 Дж/см .

Таким образом, механические свойства этой известной стали позволяют применять ее для изготовления литых деталей, работающих при низких температурах и высоких нагрузках, но недостаточно эффективно.

Это затрудняет использование стали для массового производства таких деталей.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать такой состав стали, которая обладала бы повышенным сопротивлением хрупкому разрушению при циклических нагрузках и низких температурах, Задача решена тем, что хладостойкая литая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, микель, медь, алюминий, барий, кальций, железо, согласно изобретению, дополнительно содержит титан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.,,:

Углерод 0,1000-0.160

Кремний 0,3000-0,700

Марганец 0,8000 — 1,200

Хром 0,1000-0,800

Никель 0,1000-0,800

Медь 0,1000 — 0,500

Алюминий 0,0300-0,060

Барий 0.0010 0;005

Титан 0,0050-0,025

Бор 0,0005-0,002

Кальций 0,0010 — 0,020 .

Железо Остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 0,04-0,08 мас., а отно2001965 шение суммарного содержания ал1ол1иния и титана к содержанию бора в пределах от 40 до 80. Снижение указанных соотношений ниже нижнего предела неэффективно. а увеличение выше верхнего предела нарушает равновесное соотношение между титаном, алюминием и бором — сильными нитридообразующими элементами, находящимися в структуре стали в виде карбонитридов (титан), оксидов (алюминий) и в твердом растворе(алюминий и бор). Указанное нарушение равновесия приводит к образованию крупных нитридов бора, нитридов алюминия и сульфидов титана, располагающихся по границам зерен и снижающих пластические i1 вязки» сяо11ства материала,а следовательно, сопротивление хрупкому разрушени1о и хладостойкос ь, ВВЕДЕНИЕ В ЗаЯВЛЯЕМУЮ СтаЛ1 тИтаНа И бора при одновременном концентрационном ограничении алюминия, титана и бора обусловлено следующим.

Бор, являясь поверхносгно-активным элементом, подавляет ликваци1о серы и позволяет удалить ее с границ зерен и, благодаря этому, повысить межзеренную прочность, что обуславливает повышение технологических (снижение горячих трещин) и механических свойств, VpoMe того. бор в количестве 0.0005-0,002 мас.% значительно повышает прокаливаемость стали и уменьшает величину зерна. Этот эффект усиливают легирующие элементы. входящие в состав предлагаемой стали в указанных пределах.

Легировэние бором выше 0,002 мас.% приводит к образованию крупных нитридов бора, а ниже 0.0005 мас.% неэффективно.

Титан необходим в стали для предотвращения Образования нитридов бора, наличие которых снижает прокаливаемость и хладостойкость стали. Использование тол ько алюминия с той же целью недостаточно. так как нитриды алюминия образуются при температуре ниже 1250" С. а нитриды титана образуются в жидкой стали. Наличие титана в стали при соблюдении указанных концентрационных соотношений повышает прочность, уменьшает величину зерна и соответственно хладостойкость и ударную вязкость, улучшает свариваемос1ь. Кальций совместно с бариел1 усиливает воздействие титана.

Применение титана в количестве 0,005 мас.% неэффективно, а более 0.025 мас.,, приводит к образованию крупных нитридов, сульфидов титана. снижающих пластические и вязкие свойства.

Наиболее высокий уровень сопротивления хрупкому разрушению и хладостойкоСГИ Сталн ДОСтИГаЕ1СЯ В СЛУЧаЕ. ЕСЛИ СУММаРная концентрация алюминия и титана соcTaI » eT 0,04-0,08 %, а ее отношение к концентрации бора находится в пределах

5 40-80, При этом содержание кальция должно быть 0.001-0,020 %. При концентрации кальция менее 0,001 % заметно снижается сопротивление хрупкому разрушению и хладостойкость, а увеличение содержания

10 кальция более 0.020 % не приводит к дальнейшему увеличению укаэанных параметров.

Изменение содержания в стали хрома и меди, при оптимальном соотношении кон15 центрации других легирующих элементов (и одно Гзре! 1е1".1ом и с Y, I Io 1ен11и из состава cT Jли молибдена и ванадия) также способствуг T ре".Iåнию поставлеl I1011 задачи, обеспеч11вая повышение долгог ечности и

20 . ксплуа1ационнс и надежности литых деталей иэ предла.аемого материала, в частности, при работе в условиях циклических нагрузок и низких температур.

< аким образом, введение в сталь титана

25 и бора при заявляемом соотношении компонентов il одновременных ограничениях Ilo соотношению концентраций титана, ал1омиIIич и бора позволяет повысить нэдежность

И ДОЛгОВЕ4НОСтЬ ИЗГОтаВЛИВаЕМЫХ ИЭ НЕЕ ДЕ30 галей эа счет более высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению и хладостойкости, что связано с образованием мелкодисперсных карбонигридов титана, измельчением зерна при

35 одновременном рафинировании 1раниц зерен и благоприятном изменении морфологии неметаллических включений. При невыполнении условий, указанньix выше. не будет достигнута поставленная цель.

40 Иэ источников информации известно, что титан и бор уже нашли применение пр« разработке новых сталей. Например, титан использован при создании хладостойкой стали, обладающей повышеннсй1 стойко45 стью BpoTvlI3 возникновения трещин при сварке (с1аль содержит 0,08-0,13 % С, 1,01,6 % Мп, 0,2-1,0 % Sl, 0,03-0, l > - Al, 0,0020,01,, -, Са, 0.02-0,08 % Ti)

Иэвест11а также сталь, содер:кащли кол150 поненть» в том числе ти1ан l1 бор, при следующем соотношении, MacÄ%:

Углерод 0,70 0,90

Кремний 0,550- . ),9!

Г.1арганец Ж30 1,21.:

55 Никель 10 150

).рол1 1.80 2,40

Уолибден 0,60 0,90

Ванадий О,С60-0, 1220 %>110 1ИНИй г 0101 0 с":О

Кальций 0.015- 0.080 2001965

Азот 0.002-0,010

Бор 0,002-0.004

Иттрий О, 100-0, 180

Церий 0,070-0, 120

Титан 0,050 — 0,120

Железо Остальное

Сталь рекомендуется использовать для изготовления валков-оправок станов поперечно-винтовой холодной прокатки, то есть в деформированном виде, и она имеет ниэо кую ударную вязкость KCV = 0,4060,435 кДж/м .

Таким образом, известные стали не обеспечивают решение задачи, решаемой предлагаемым изобретением.

При изучении уровня техники не было обнаружено хладостойких литых сталей, имеющих предлагаемую композицию компонентов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемая сталь обладает новизной и кроме того. предлагаемое изобретение удовлетворяет критерию

"Изобретательский уровень", так как предлагаемое решение задачи для специалиста не следуст явным образом на уровне техники.

Предлагаемая по изобретению сталь выплавлена в электродуговых печах емкостью 12 т с основной футеровкой. B качестве шихтовой заготовки использовали армкожелеэо и отходы ниэкоуглеродистых сталей.

Легирующие элементы и раскислители вводили в виде стандартных ферросплавов. а также в виде лигатуры, содержащей кремний, кальций, барий, титан и бор. Введение всех элементов осуществляли из расчета остаточного их содержания на верхнем, среднем и нижнем уровнях химического состава, Ограничения по содержанию каждого из элементов связаны с комплексным влиянием на свойства стали лвгирующей системы в целом и каждого элемента в отдельности, экономическими соображениями и были установлены экспериментальным путем.

Механические свойства вариантов предлагаемой стали. химический состав которых приведен в табл.1, определяли на образцах, вырезанных из треф по ГОСТ

977-88. Режим термической обработки— нормализация при 930 С с выдержкой

1 час.

Для определения эффективности коэффициента концентрации напряжений (Kg) и коэффициента чувствительности к концентраторам напряжений (a) проводили испытания на многоцикловую усталость.

Испытания проводили на образцах круглого профиля по ГОСТ 2860-65 по схеме чистого

45 изгиба симметриичным циклом на машине

МУИ-6000 на базе 10 циклов с частотой т

2700 цикл-мин.

Энергоемкость разрушения (КСТ) определяли на ударных образцах с предварительно нанесенной усталостной трещиной по ГОСТ 9454-78, Порог хладноломкости (Т5о) определяли по наличию в изломе ударных образцов 50 вязкой составляющей.

Для выявления склонности стали к хрупкому разрушению определяли критический коэффициент интенсивности напряжений. характеризующей работоспособность детали с трещиной (например, с трещиной усталости).

Испытания для определения критического коэффициента интенсивности напряжений проводили на испытательной машине "Истрон" согласно ГОСТ 7855-68 и

9651-73. Испытывались образцы на внецентренное растяжение с усталостной трещиной

Как видно иэ табл. 2. у предлагаемой стали по сравнению с известной на 20-40 повышается критический коэффициент концентрации напряжений (Ktc) на 1020 снижается эффективный коэффициент концентрации напряжений (Кo), на 14-23 уменьшается коэффициент чувствительности к концентраторам напряжений (ц). По сравнению со сталью-прототипом у предлагаемой стали на 15 — 201ь увеличивается энергоемкость разрушения образца с усталостной трещиной (КСТ), Порог хладноломкости (T50) снижается от минус 30 С (у известной) до минус 470С (у стали и редлагаемого состава).

Такое улучшение свойств стали достигается 3а счет уменьшения величины зерна до

9-10 баллов (сталь-прототип 7-8 баллов), повышения дисперсности карбонитридоа в

3-4 раза, снижения количества неметаллических включений на границах зерен с

71,6 (сталь по прототипу) до 24,3 7ь.

Предлагаемая сталь имеет следующие механические свойства: о, = 580-630 МПа. оо,г= 470-540 МПа, 6= 25-32 7ь, -6о с

1/ф= 55-65 К СЧ = 40-60

Дж/см .

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения состоит в следующем:

1) использование заявляемой стали для тяжелонагруженных деталей, работающих при низких климатических температурах, взамен известной стали позволит на 1015 снизить металлоемкость деталей ма10

2001965 изводство, Экономический эффект может быть получен за счет снижения металлоемкости литых деталей, а также за счет повышения эксплуатационной надежности и долговечности иэделий.

Кроме того, использование заявляемой стали позволит экономить дефицитные и дорогостоящие ванадий и молибден, что обеспечит дополнительный экономический эффект.

10 (56) Авторское свидетельство СССР

N. 998573, кл. С 22 С 38/50. 1983, 15

Таблица1

Химический состав сталей

Пример ие элементов, мас

Си

Ni

0,020

0,030

0,035

0,030

0.035

0,040

0.06

0,08

0.10

0.10

0,10

0,10

0,13

0,14

0,12

0,10

0,10

0,10

О. 14

0,07

0,10

0.10

0,10

0,10

0,35

0,10

0,10

0,10

0.10

0,40

0,35

9

11

12

0,11

0,16

16

17

18

19

21

22

23 (24

0.16

0,16

0,16

1.20

0,16

0,16

0.70

0,70

0,70

0.70

0,70

0,84

0.85

1,20

0,055

0,16

1,20

1,20

0,060

0,060

0,050

0,075

0.16

0,16

0,20

0,19

1.20

1,35

1,34 шин, повысить их надежность и долговечность;

2) более высокий уровень сопротивления хрупкому разрушению и хладостойкости предлагаемой стали по сравнению с применяемымй позволяет решить проблему материалов для новых машин с повышенным комплексом технических характеристик, Заявляемая хладостойкая сталь в промышленных условиях может быть получена в электродуговых печах. При этом должны быть обеспечены оптимальные условия разливки жидкой стали.

Основной экономический эффект ожидается при внедрении стали в серийное про0,44

0,40

0,10

0,10

0,10

0,42

0,36

0,80

0,80

0,80

0.80

0,80

0,80

0,80

0,80

0,80

0.90

0,90

0,38

0,10

0,10

0,10

0,40

0,28

0,80

0.80

0,80

0,80

0,80

0.80

0,80

0,80

0.80

0,92

0,90

0,08

0,10

0,10

0.10

0,10

0,38

0,34

0,40

0,10

0,10

0,10

0,30

0,35

0,50

0,50

0.50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,50

0,60

0.65

0.030

0,050

0,060

0,055

0,055

0,060

0.060

0,030

0,035

0,030

0,035

0.060

0,055

2001965

Продолжение табл. 1

Со е жание элементов, мас.

Выполнение условий

Пример

Ва

Al+Tl

AI+Ti

Са

0.023

0,04

0.003

0,001

0,010

0.003

0,005

0,010

0.005

0,020

0,015

0,005

0,002

0.004

0,001

0.002

0,004

0,003

0,020

0,020

0,025

0,005

0,025

0,005

0,025

0,010

0,005

0,001

0,002

0.005

0.003

0.002

0.001

0,010

0,005

0.020

0,025

0,025

0,005

0,025

0,020

0,035

0,003

0,004

18

19

21

22

23

0,005

0.002

0,004

0,005

0,003

0,002

П р и м е ч а н и e: + выполнение условий, — невыполнение условий.

2

4

6

8

11

12

13

0,0002

0,0010

0,0005

0,0005

0,0010

0.0010

0,0015

0,0007

0.0010

0,0020

0,0010

0,0005

0.0005

0.0010

0,0005

0,0005

0,0010

0,0010

0.0020

0,0010

0.0005

0,0005

0.001

0.003

0,04

0,04

0.04

0,06

0.045

0,07

0.08

0,08

0.08

0.035

0,085

0,04

0,04

0,04

0,04

0,08

0,08

0,08

0,035

0.085

0,070

0.110

0,0005

0.0010

0,0015

0,0200

0,0100

0,0010

0.0200

0,0020

0,0050

0,0080

0,0150

0.0010

0,0160

0,007

0,0110

0,0040

0,0050

0,0090

0,0200

0,0200

0,0200

0,0130

0,0060

0,0180

13

2001965

Таблиц а2

Э нергоемВыполнение услоПорог хладноломкости

Т50, ОС

Эффектив- Козффиный козф- циент чувфициент ствительконцент- ности к рации на- концентпряжений, раторам

Сталь

Пример

Критический коэффициент интенсивности напряжений кость развий рушения при 20 С.

КСТ, Дж/см

Ко lc, МПа.м1/2 напряжений, 2,04

1,60

1.52

0.50

Предлагаемая

31

52

55 — 44

0.37

0,33

0,36

0,33

0,35

0,34

0,45

0,34

0,37

0.35

0,34

0,43 — 47 — 45

1,71 — 44

1.68 — 46

1,54

1,57

1,86

1,53 — 37

58

38 — 10

11 — 45

59

54

52

36 — 45

1,53

1,58

1.66

1.85 — 44 — 37

12 — 17

14 — 44

53

53

57

59

52

1,55

1,58

1,71

1,52

1,56

1,58

1,55

1.60

1.96

2,00

1.87

0,37

0,37

0,33

0,35

0,33

0,33

0.36

0,36

0,46

0,44

0.48

-45

17

18

19

21 — 47

-44

-44 — 46

-34

22

23

39

-13

43

-15 — 10

Результаты* испытаний предлагаемой стали

* Приведены средние значения четырех измерений

+ выполнение условий; — невыполнение условий.

67

124

123

127

121

123

78

121

124

122

127

127

124

122

122

122

126

89

96

15

2001965

0,1000 - 0,160

0,3000 - 0,700

0,8000 - 1.200

0,1000 - 0,800

0,1000 - 0,800

Составитель В. Бреславец

Техред М. Моргентал Корректор М. Самборская

Редактор С. Кулакова

Заказ 3157

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

ХЛАДОСТОЙКАЯ ЛИТАЯ СТАЛЬ. содержащая углерод. марганец, кремний, хром, никель, медь, алюминий. барий, кальций, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.g:

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Никель

Медь 0.1000 - 0,500

Алюминий 0,0300 - 0,060

5 Барий

0,0010 - 0,005

Титан 0.0050 - 0,025

Бор 0,0005 - 0,002

Кальций 0,0010 - 0,020 ,О железо

Остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 0,04 - 0,08, а отношение суммарного содержания алюминия и титана к содержанию бора находится в

15 пределах40-80.