Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составу стали для ответственных изделий в энергомашиностроении, например болтов, шпилек и роторов, обладающих высокой прочностью в сочетании с высокой пластичностью и ударной вязкостью. Сталь содержит компоненты, мас.%: углерод 0,20 - 0,30; кремний 0,05 - 0,15; марганец 0,05 - 0,50; хром 1,5 - 3,0; никель 0,05 - 0,5; молибден 0,3 - 0,5; азот 0,05 - 0,20; ванадий 0,15 - 0,30; кальций 0,05 - 0,15; железо остальное, а отношение суммы содержаний азота и углерода к содержанию ванадия составляет 1 - 3. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сталей для ответственных изделий в энергомашиностроении, например болтов, шпилек и роторов, обладающих высокой прочностью в сочетании с высокой пластичностью и ударной вязкостью.

Известна сталь марки 38ХНЗМФ (ГОСТ 4543-71), используемая для изготовления крепежа в энергомашиностроении, которая содержит, мас. углерод 0,33-0,40; марганец 0,05-0,50; кремний 0,17-0,37; хром 1,2-1,5; никель 3,0-3,5; молибден 0,35-0,40; ванадий 0,10-0,18; железо остальное.

Недостатками ее являются пониженная прочность и ударная вязкость, что не позволяет использовать ее для крупногабаритных изделий ответственного назначения.

Наиболее близким к предлагаемому является сталь [1] содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий и кальций. Эта сталь, обладая достаточно хорошими прочностными свойствами, имеет недостаточную технологичность и в связи с высокой, постоянно растущей стоимостью никеля неэкономична.

Целью изобретения является повышение экономичности и технологичности за счет повышения ударной вязкости при сохранении прочностных свойств.

Цель достигается тем, что предлагаемая сталь содержит, мас. Углерод 0,20-0,30 Кремний 0,05-0,15 Марганец 0,05-0,50 Хром 1,5-3,0 Никель 0,05-0,5 Молибден 0,30-0,50 Азот 0,05-0,20 Ванадий 0,15-0,30 Кальций 0,05-0,15 Железо Остальное при условии, что отношение суммы содержаний углерода и азота к содержанию ванадия не превышает 3,0-1,5.

Сталь содержит кремний в количестве 0,05-0,15 мас. что в сочетании с ванадием, азотом и хромом обеспечивает достаточный уровень прочностных свойств и не ухудшает технологичности. Получение (Si) в металле кремния менее 0,05 мас. затруднено, так как все шихтовые материалы содержат кремний, использование бескремнистой шихты приводит к резкому возрастанию стоимости.

Введение марганца в количествах 0,05-0,5 мас. обеспечивает хороший уровень прокаливаемости. При содержаниях его более 0,5 мас. по границам зерен образуются сульфиды марганца.

Присутствие в составе кальция в количестве 0,05-0,15 мас. обеспечивает связывание кислорода, серы и других вредных примесей в тугоплавкие мелкодисперсные неметаллические включения, равномерно распределенные внутри зерен. Это способствует повышению пластичности, при сохранении прочностных свойств стали-прототипа.

Введение никеля в количестве 0,05-0,5 мас. обеспечивает технологичность стали за счет улучшения прокаливаемости и устранения возможности образования в структуре феррита и крупногабаритных заготовок толщиной более 200 мм. Увеличение содержания никеля более 0,5 мас. является экономически не выгодным и способствует увеличению содержания аустенита в структуре, что снижает прочность, при уменьшении его содержания ниже 0,05 мас. не достигается эффект повышения технологичности.

Введение хрома в количестве 1,5-3,0 мас. повышает прочность и прокаливаемость стали, обеспечивая технологичность.

Молибден в количестве 0,3-0,5 мас. устраняет отпускную хрупкость и повышает устойчивость стали к разупрочнению при отпуске.

Введение в сталь ванадия в количестве 0,25-0,30 мас. способствует образованию дисперсных карбонитридов, что приводит к повышению прочности. При снижении ванадия ниже 0,15 мас. уменьшается количество карбонитридов и снижается прочность, при увеличении содержания ванадия более 0,30 мас. увеличивается количество крупных карбидов ванадия вдоль границ зерен, что приводит к снижению ударной вязкости и ухудшает технологичность.

Содержание азота в стали 0,05-0,20 мас. превышает предел растворимости азота в твердом растворе и способствует образованию большого количества мелкодисперсных карбидов в сочетании с вводимым углеродом в количестве 0,20-0,30 мас. и приводит к улучшению технологичности и служебных свойств за счет повышения прочности и пластичности.

Увеличение азота более 0,20 мас. приводит к увеличению в структуре доли аустенита и, следовательно, снижению прочности. При уменьшении содержания азота ниже 0,05 мас. не обеспечивается образования дисперсных карбонитридов, что приводит к снижению пластичности и ухудшению технологичности.

Отношение суммы содержаний углерода и азота к содержанию ванадия должно равняться 1,0-3,0, т.е.

1,0-3,0 При значении соотношения больше 3 по границам зерен появляется большое количество крупных карбидов; соблюдение отношения в интервале 1,0-3,0 обеспечивает образование мелкодисперсных карбонитридов внутри зерен мартенсита и аустенита и способствует повышению технологичности за счет повышения пластичности. При значении отношения менее 1,0 образуются по границам зерен крупные карбонитриды ванадия, что также приводит к ухудшению прочностных свойств и ударной вязкости.

Таким образом соблюдение соотношения 1,0-3,0 при указанном выше соотношении компонентов обеспечивает снижение себестоимости и повышение технологичности при сохранении высокого уровня прочностных свойств.

Предлагаемую сталь выплавляли в НПО ЦНИИТМАШ на установке ЭШП под давлением. С введением азота в металл в процессе переплава подачей в шлак азотосодержащих легирующих компонентов. Давление азота в плавильной камере в процессе плавления и кристаллизации до 2,0 МПа.

Металл подвергали ковке и термической обработке по следующему режиму: закалка 950^оС, 2 ч, охлаждение в масло и отпуск 500-600^оС, 6 ч, охлаждение на воздухе.

Химический состав исследованных сталей приведен в табл. 1.

Механические свойства исследованных плавок представлены в табл. 2.

В табл. 1 приведены три состава предлагаемой стали (1-3). Состав 4 выходящий за пределы состава предлагаемого технического решения и состав 5 прототип. В табл. 2 приведены механические свойства указанных плавок после термической обработки.

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что сталь предлагаемого состава (1-3) обладает в сравнении со сталью-прототипом лучшей технологичностью за счет повышения пластичности и вязкости при одинаковой прочности.

При отклонении состава стали и ударная вязкость ниже, таким образом ниже технологичность и служебные свойства.

Предлагаемая сталь рекомендуется для изготовления крупногабаритных деталей с размерами сечений более 200 мм, например для шпилек атомных реакторов и паровых турбин диаметром 230 мм. Предлагаемая сталь находится в стадии промышленного опробования.

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий, кальций, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,2 - 0,3 Кремний - 0,05 - 0,15 Марганец - 0,05 - 0,5 Хром - 1,5 - 3,0 Никель - 0,05 - 0,5 Молибден - 0,3 - 0,5
Азот - 0,05 - 0,2
Ванадий - 0,15 - 0,3
Кальций - 0,05 - 0,15
Железо - Остальное
при условии, что отношение суммы содержаний азота и углерода к содержанию ванадия составляет 1 - 3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2