Сталь
Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию стали, которая может использоваться при изготовлении методом электрошлакового переплава коленвалов для дизельных двигателей сечением 500 мм и более. Заявленная сталь содержит, мас.%: углерод 0,03-0,06, кремний 0,10-0,40, марганец 0,20-0,80, хром 11,00-12,50, никель 2,80-3,50; молибден 0,35-0,60 и/или медь 0,80-1,50; ниобий 0,005-0,02; титан 0,005-0,02; ванадий 0,008-0,12; алюминий 0,005-0,02; азот 0,002-0,025; кальций 0,005-0,02; церий 0,005-0,03; барий 0,002-0,02; железо и примеси - остальное. Техническим результатом изобретения является получение стали с высокой трещиноустойчивостью при электрошлаковом переплаве, имеющей высокие механические свойства, в частности 0,2 590 МПа в сечениях 500 мм. Сталь не требует интенсивного охлаждения в масле или воде в процессе термообработки. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для отливок крупногабаритных коленвалов дизельных двигателей морских судов.Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении методом электрошлакового переплава (ЭШП) коленвалов сечением 500 мм и более с пределом текучести не менее 590 МПа для дизельных двигателей морских судов.Применяемая для этих целей сталь 34ХНIМА (ГОСТ 8479-70) хорошо себя зарекомендовала при производстве кованых коленвалов, однако при изготовлении литых коленвалов методом ЭШП эта сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства, и, кроме того, для получения заданных высоких механических свойств в процессе термической обработки коленвалов из-за недостаточно высокой прокаливаемости требуется охлаждение в масле, что усложняет технологический процесс и требует дополнительных площадей для установления масляных баков и последующей нейтрализации и утилизации закалочного масла.Известна сталь, применяемая для этих целей, состоящая из следующих компонентов, мас.%:Углерод Не более 0,06Кремний 0,15-0,40Марганец 0,15-0,60Хром 3,5-9,0Никель 1,5-3,2Молибден 1,0-3,0Медь 0,1-2,5Алюминий 0,05-1,1Ниобий 0,001-0,05Сера Не более 0,015Фосфор Не более 0,015Железо Остальное(см. авт.свид. №299561, кл. С 22 С 38/48).Предложенная сталь имеет после закалки (охлаждения на воздухе) и отпуска (старения) при 475-550С высокие прочностные свойства: предел прочности 1070-1390 МПа, предел текучести 930-1310 МПа, относительное удлинение 13-17%, относительное сужение 54-65%, ударная вязкость (КСU) 80-100 Дж/см2.Недостатком стали является ее относительно низкая прокаливаемость (около 100 мм), особенно при содержании ингредиентов на нижнем уровне, а также склонность к образованию горячих трещин при содержании молибдена, меди и алюминия на верхнем уровне в процессе электрошлакового переплава.Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому результату является сталь следующего состава, мас.%:Углерод 0,01-0,06Кремний 0,10-0,50Марганец 0,20-0,80Хром 13,5-14,9Никель 5,0-7,0Медь 0,25-1,30Молибден 0,35-0,60Ванадий 0,04-0,15Титан и (или) 0,005-0,02Ниобий 0,01-0,08Церий 0,005-0,08Азот 0,005-0,08Алюминий 0,005-0,08Кальций 0,001-0,02Железо ОстальноеСталь может содержать примеси серу и фосфор не более 0,025% каждого (см. Патент РФ RU 2009263 С1, кл. С 22 С 38/50).Эта сталь имеет высокие значения прочности и прокаливаемости, не требует охлаждения в масле, однако недостатком не является низкая трещиноустойчивость в процессе электрошлакового переплава изделий сечением более 500 мм, что обусловлено наличием в структуре -феррита, особенно при нарушении равновесия между ферритообразующими и аустенитообразующими элементами.Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден и(или) медь, ниобий, титан, ванадий, алюминий, кальций, церий, железо, согласно предложению дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:Углерод 0,03-0,06Кремний 0,10-0,40Марганец 0,20-0,80Хром 11,00-12,50Никель 2,80-3,50Молибден и(или) 0,35-0,60Медь 0,80-1,50Ниобий 0,005-0,02Титан 0,005-0,02Ванадий 0,008-0,12Алюминий 0,005-0,02Азот 0,002-0,025Кальций 0,005-0,02Церий 0,005-0,03Барий 0,002-0,02Железо ОстальноеСталь может содержать примеси: серу и фосфор не более 0,015% каждого.При этом суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,07 мас.%, а суммарное содержание ванадия, нибия и титана удовлетворяет условию5 ниобия + титан + ванадий=0,038-0,24%.Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что в дополнительно содержит барий (0,002-0,02 мас.%), что способствует при его совместном введении с кальцием улучшению кинетики процесса взаимодействия кальция с примесями, так как кальций имеет низкую эффективность взаимодействия с жидким металлом вследствие высокой упругости его паров при температурах сталеплавильных процессов, что обусловлено тем, что кальций плавится при 850С и кипит при 1347С. При температуре сталеплавильных процессов упругость паров кальция составляет 158 кПа. Барий имеет ограниченную растворимость в жидком железе и неограниченную в кальции и заметно снижает скорость испарения кальция. Упругость пара бария равна 105 кПа при 1647С, а упругость пара сплава, содержащего кальций и барий, значительно меньше, чем каждого элемента в отдельности. Таким образом, совместное введение в сталь этих элементов значительно улучшает кинетику взаимодействия кальция с примесями. Барий в большей степени глобуляризирует включения, чем кальций: значительная часть включений приобретает округлую форму. Совместное модифицирование кальцием и барием измельчает сульфиды и приводит к перераспределению включений в дендритной структуре в результате увеличения числа сульфидных включений в осях.Введение бария в сталь, содержащую кальций, обеспечивает измельчение дендритной структуры, зерна, числа и размеров неметаллических включений и их глобуляризацию, что приводит к повышению трещиноустойчивости стали в процессе электрошлакового переплава при сохранении прокаливаемости.Содержание бария ниже нижнего предела мало эффективно, а содержание бария выше верхнего предела приводит к снижению трещиноустойчивости стали и прокаливаемости за счет загрязнения границ зерен более крупными неметаллическими включениями.Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия удовлетворяет соотношению 0,015-0,07%.Введение в состав стали химически активных элементов кальция и церия в сочетании с алюминием благоприятно изменяет форму неметаллических включений, повышает пластичность и ударную вязкость, очищает и упрочняет границы зерен, что приводит к повышению трещиноустойчивости стали при электрошлаковом переплаве. Прокаливаемость при закалке на воздухе практически не изменяется. Все это реализуется при указанном суммарном содержании алюминия, кальция и церия и определенном суммарном соотношении ниобия, титана и ванадия. При содержании алюминия, кальция и церия ниже нижнего пределах их воздействие на прокаливаемость при закалке на воздухе и на трещиноустойчивость при электрошлаковом переплаве мало эффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания прокаливаемость при закалке на воздухе практически не изменяется, а трещиноустойчивость снижается за счет развития межзеренного разрушения при электрошлаковом переплаве, что связано с избыточным обогащением границ зерен неметаллическими включениями.Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия удовлетворяет соотношению5 ниобий+титан+ванадий=0,038-0,24%.Необходимость совместного введения ниобия, титана и ванадия обусловлена характером их воздействия на свойства стали и особенно эффективно в присутствии азота. Азот как аустенитообразующий элемент снижает количество феррита, повышает прочность и улучшает однородность структуры стали. Присадка титана в сталь способствует повышению количества в металле оксисульфонитридов и нитридов титана. Оксисульфонитриды состоят из нитрида титана правильной геометрической формы, оксида алюминия Аl2О3 и обволакивающего их сульфида типа (РЗМ, Са, Мg)S. При этом оксиды очень часто располагаются внутри нитридов. Увеличение количества оксисульфонитридов в комплексномикролегированной стали следует считать положительным эффектом, так как в этом случае часть серы расходуется на обволакивание остроугольных нитридов, а число чистых сульфидов понижается. Обладая меньшим сродством к азоту в стали с титаном, ванадий выделяется в виде дисперсных карбидов VC и V(C,N), способствует упрочнению стали. Ниобий в присутствии этих двух элементов образует комплексные мелкодисперсные нитриды и карбонитриды, располагающиеся равномерно и по телу зерна, и по границам, что положительно влияет на измельчение зерна и повышение трещиноустойчивости стали, не снижая прокалиаемости при закалке на воздухе. Кроме того, Ti, Nb и V, связывая углерод и азот в карбиды, нитриды и карбонитриды, препятствуют образованию и выделению по границам зерен карбидов и карбонитридов хрома, что снижает охрупчивание стали при электрошлаковом переплаве. Условия ограничения суммарного содержания 5 Nb+Ti+V=0,038-0,24% в стали экономят дорогостоящие легирующие элементы при обеспечении оптимального связывания углерода в аустените и мелкозернистости.При содержании суммарного содержания ниобия, титана и ванадия ниже нижнего предела их воздействие на свойства стали мало эффективно, а увеличение содержания ниобия, титана и ванадия выше верхнего предела суммарного содержания нецелесообразно, так как снижается трещиноустойчивость при электрошлаковом переплаве и уменьшается прокаливаемость за счет образования избыточных карбидов и карбонитридов и обогащения границ зерен.Предлагаемая сталь отличается от известной меньшим содержанием хрома 11,0-12,5% против 13,5-15,9% в известной стали, что обеспечивает высокую прокаливаемость, а также за счет уменьшения содержания -феррита высокую трещиноустойчивость в температурном интервале хрупкости при электрошлаковом переплаве.При содержании хрома ниже нижнего предела его действие на прокаливаемость и трещиноустойчивость мало эффективно, так как снижается прочность твердого раствора, а при содержании хрома выше верхнего предела прокаливаемость несколько повышается, однако за счет увеличения в структуре стали -феррита уменьшается трещиноустойчивость стали.В табл.1 приведен химический состав предлагаемой стали трех плавок (1, 2, 3), а также химический состав плавок, имеющих концентрацию компонентов ниже нижнего и выше верхнего пределов заявляемого состава (4, 5) с легированием совместно медью и молибденом, состав стали с легированием только молибденом (6, 7, 8, 9, 10), состав стали с легированием только медью (11, 12, 13, 14, 15, 16), а также состав стали - прототипа (16, 17).Выплавку проводили в 150 кг индукционной печи с разливкой части металла на отливки сечением 50 мм для определения механических свойств и прокаливаемости, а остальную часть металла - для определения трещиноустойчивости этих сталей. Трещиноустойчивость предлагаемых сталей определялась по методике ЦНИИТМАШ на технологической пробе, приведенной на чертеже. Литейная форма содержит цилиндрическую полость для прибыли, промежуточные полости диаметром 40 мм и рабочие полости диаметром 20 мм и длиной от 135 до 295 мм (см. чертеж). Форма набивается жидкостекольной смесью и после тепловой сушки заливается металлом опытных плавок. Расход жидкого металла на заливку одной пробы - 8 кг. Заливалось одновременно 4 формы. Температура заливки сталей приведена в табл.2.В процессе затвердевания металла происходит усадка частей отливки, полученной в цилиндрических рабочих полостях. Абсолютная величина линейной усадки затвердевших в рабочих полостях цилиндрических прутков тем больше, чем длиннее пруток. Характеристикой склонности металлов к трещинообразованию является максимальная длина прутка, при которой отсутствует трещина в месте его соединения с утолщенной цилиндрической частью отливки. Чем больше для данного металла значение максимальной длины прутка без трещины, тем меньше склонность исследуемого металла к трещинообразованию.Прокаливаемость опытных сталей определялась по механическим свойствам на образцах, охлаждаемых с температуры аустенитизации со скоростью 15С/ч (с печью), что имитировало скорость охлаждения центра отливки сечением более 500 мм при охлаждении поверхности на воздухе.В табл.3 приведены механические свойства, полученные после термообработки, имитирующей скорость охлаждения отливок сечением 600 мм (отпуск при 620-640С, 8 ч, закалка от 950С, 4 ч с охлаждением с печью со скоростью 15С/ч, отпуск при 560С, выдержка 6 ч).Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-73 на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм.Как видно из табл.2 и 3, предлагаемая сталь имеет такую же прокаливаемость и высокие механические свойства, как у прототипа, и более высокую трещиноустойчивость. Кроме того, предлагаемая сталь более дешевая по сравнению с прототипом.Использование предложенной стали в качестве материала для отливок электрошлакового переплава крупногабаритных коленвалов (сечением 500 мм и более) с пределом текучести не менее 590 МПа для дизельных двигателей морских судов позволит избавиться от брака по горячим трещинам и повысить эксплуатационную стойкость дизельных двигателей. Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные испытания и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО “Брянский машиностроительный завод”.Формула изобретения
1. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден и/или медь, ниобий, титан, ванадий, алюминий, кальций, церий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:Углерод 0,03-0,06Кремний 0,10-0,40Марганец 0,20-0,80Хром 11,00-12,50Никель 2,80-3,50Молибден 0,35-0,60и/илиМедь 0,80-1,50Ниобий 0,005-0,02Титан 0,005-0,02Ванадий 0,008-0,12Алюминий 0,005-0,02Азот 0,002-0,025Кальций 0,005-0,02Церий 0,005-0,03Барий 0,002-0,02Железо Остальное2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,015-0,07%.3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание ниобия, титана и ванадия должно удовлетворять условию5ниобий+титан+ванадий=0,0380,24 %.РИСУНКИ
Рисунок 1