RU2009263C1

RU2009263C1 - Steel

Info

Publication number: RU2009263C1
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Дегтярев; Е.Г. Валов; Н.Б. Шепилов; Н.Ф. Меньшова; М.А. Вирченко; И.С. Веремеенко; М.В. Нагорный; Э.И. Гидулянов; А.М. Бугаев; Е.П. Кириченко
Original assignee: Научно-производственное объединение по технологии машиностроения
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: steel contains additionally nitrogen and vanadium and has the composition (in % by mass): carbon 0.01-0.06, silicon 0.1-0.5; aluminium 0.005- 0.008; chromium 13.5-15.9; manganese 0.2-0.8; vanadium 0.04-0.15; molybdenum 0.35-0.60; nickel 5-7; titan 0.005-0.02 and/or columbium 0.01-0.08; nitrogen 0.005-0.08; copper 0.25-1.3; cerium 0.005-0.08; calcium 0.001-0.02; iron - the balance. EFFECT: improved properties of the steel. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для изготовления рабочих колес гидротурбин, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок и кавитационной эрозии в речной и морской воде, а наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении рабочих колес гидротурбин для работы в условиях повышенного коррозионно-усталостного воздействия. The invention relates to metallurgy, in particular to the creation of steels that can be used to produce impellers of hydraulic turbines operating under cyclic alternating loads and cavitation erosion in river and sea water, and can be most effectively used in the manufacture of impellers of hydraulic turbines for work in conditions of increased corrosion and fatigue effects.

Известна сталь, состоящая из следующих компонентов, мас. % : Углерод Не более 0,08 Кремний Не более 0,40 Марганец 1-1,5 Хром 14-16 Никель 3,5-3,9 Молибден 0,3-0,45 Медь 1-1,4 Железо и примеси Остальное. Known steel, consisting of the following components, wt. %: Carbon Not more than 0.08 Silicon Not more than 0.40 Manganese 1-1.5 Chrome 14-16 Nickel 3.5-3.9 Molybdenum 0.3-0.45 Copper 1-1.4 Iron and impurities Else .

Эта сталь после нормализации от температуры 950-970^оС и отпуска при 600-620^оС имеет предел текучести 589 МПа, предел прочности 736 МПа, относительное удлинение 17% , относительное сужение 45% , ударная вязкость (КСV) 981 кДж/м².This steel after normalization of temperature 950-970 ^{° C} and tempering at 600-620 ^{° C} has a yield stress of 589 MPa, a tensile strength of 736 MPa, elongation 17%, contraction ratio 45%, the toughness (KSV) 981 kJ / m ² .

Недостатком стали является ее низкая коррозионно-усталостная стойкость, что обусловлено наличием в структуре стали большого количества δ -феррита, особенно при содержании ферритообразующих на верхнем пределе, а аустенитообразующих на нижнем пределе. The disadvantage of steel is its low corrosion and fatigue resistance, which is due to the presence in the steel structure of a large amount of δ ferrite, especially when the content of ferrite-forming at the upper limit, and austenite-forming at the lower limit.

Известна также сталь типа СА6NM, состоящая из следующих компонентов, мас. % : Углерод До 0,06 Марганец До 1 Кремний До 1 Никель 3,5-4,5 Хром 11,5-14 Молибден 0,4-1 Медь До 0,5 Вольфрам До 0,10 Ванадий До 0,03 Общее содержание примесей До 0,5 Железо Остальное. Also known steel type CA6NM, consisting of the following components, wt. %: Carbon Up to 0.06 Manganese Up to 1 Silicon Up to 1 Nickel 3.5-4.5 Chromium 11.5-14 Molybdenum 0.4-1 Copper Up to 0.5 Tungsten Up to 0.10 Vanadium Up to 0.03 Total content Impurities Up to 0.5 Iron Rest.

Сталь СА6NM после окончательной термообработки имеет предел текучести не менее 515 МПа, предел прочности 760-930 МПа, относительное удлинение не менее 15% , относительное сужение 35% , твердость (НВ) 235. After final heat treatment, CA6NM steel has a yield strength of at least 515 MPa, a tensile strength of 760–930 MPa, an elongation of at least 15%, a relative narrowing of 35%, and a hardness (HB) of 235.

Недостатком этой стали является недостаточно высокие механические свойства и низкая коррозионно-усталостная стойкость в морской воде. The disadvantage of this steel is the insufficiently high mechanical properties and low corrosion and fatigue resistance in sea water.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому результату является сталь следующего состава, мас. % : Углерод 0,02-0,08 Кремний 0,3-1,5 Марганец 0,2-1,5 Хром 16,0-22,0 Никель 6,0-9,0 Медь 1,0-2,5 Молибден 2,00-4,00 Титан 0,05-0,20 Ниобий 0,01-0,1 РЗМ 0,01-0,1 Алюминий 0,005-0,05 Кальций 0,001-0,05 Железо Остальное. Closest to the proposed steel in technical essence and the achieved result is steel of the following composition, wt. %: Carbon 0.02-0.08 Silicon 0.3-1.5 Manganese 0.2-1.5 Chromium 16.0-22.0 Nickel 6.0-9.0 Copper 1.0-2.5 Molybdenum 2.00-4.00 Titanium 0.05-0.20 Niobium 0.01-0.1 REM 0.01-0.1 Aluminum 0.005-0.05 Calcium 0.001-0.05 Iron Else.

Недостатком этой стали является высокая стоимость из-за наличия в составе большого количества дорогостоящего дефицитного молибдена, высокого содержания никеля и хрома, а также низкая коррозионно-усталостная стойкость особенно в морской воде. The disadvantage of this steel is its high cost due to the presence of a large amount of expensive scarce molybdenum, a high content of nickel and chromium, as well as low corrosion-fatigue resistance especially in sea water.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, титан (и)или ниобий, церий, алюминий, кальций, железо, дополнительно содержит азот и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,01-0,06 Кремний 0,1-0,5 Марганец 0,2-0,8 Хром 13,5-15,9 Никель 5,0-7,0 Медь 0,25-1,3 Молибден 0,35-0,60 Ванадий 0,04-0,15 Титан (и)или 0,005-0,02 Ниобий 0,01-0,08 Азот 0,005-0,08 Церий 0,005-0,08 Кальций 0,001-0,02 Алюминий 0,005-0,08 Железо Остальное
Сталь может содержать примеси серу и фосфор не более 0,025% каждого.The proposed steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, copper, molybdenum, vanadium, titanium (s) or niobium, cerium, aluminum, calcium, iron, additionally contains nitrogen and vanadium in the following ratio, wt. %: Carbon 0.01-0.06 Silicon 0.1-0.5 Manganese 0.2-0.8 Chromium 13.5-15.9 Nickel 5.0-7.0 Copper 0.25-1.3 Molybdenum 0.35-0.60 Vanadium 0.04-0.15 Titanium (s) or 0.005-0.02 Niobium 0.01-0.08 Nitrogen 0.005-0.08 Cerium 0.005-0.08 Calcium 0.001-0 , 02 Aluminum 0.005-0.08 Iron Else
Steel may contain sulfur and phosphorus impurities of not more than 0.025% each.

Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что дополнительно содержит азот 0,005-0,08 мас. % и ванадий 0,04-0,15 мас. % . The proposed steel differs from the known in that it additionally contains nitrogen of 0.005-0.08 wt. % and vanadium 0.04-0.15 wt. %

При содержании азота ниже нижнего предела его воздействие на прочность и коррозионную стойкость не проявляется, а при содержании азота выше верхнего предела несколько повышается прочность, но снижается коррозионная стойкость и пластичность за счет увеличения количества карбонитридов, их огрубления и выделения по границам зерен, что вызывает снижение коррозионно-усталостной стойкости. When the nitrogen content is below the lower limit, its effect on the strength and corrosion resistance is not manifested, and when the nitrogen content is above the upper limit, the strength slightly increases, but the corrosion resistance and ductility decreases due to an increase in the number of carbonitrides, their coarsening and precipitation along the grain boundaries, which causes a decrease corrosion and fatigue resistance.

При содержании ванадия ниже нижнего предела его воздействие на прочность и коррозионную стойкость стали малоэффективно, а при его содержании выше верхнего предела снижается прочность, ударная вязкость и коррозионно-усталостная прочность за счет развития межзеренного разрушения стали, что связано с обогащением границ аустенитных зерен карбидами и карбонитридами ванадия. When the content of vanadium is below the lower limit, its effect on the strength and corrosion resistance of steel is ineffective, and when its content is above the upper limit, the strength, toughness and corrosion-fatigue strength are reduced due to the development of intergranular fracture of steel, which is associated with the enrichment of the boundaries of austenitic grains with carbides and carbonitrides vanadium.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержанием углерода 0,01-0,06% против 0,02-0,08% в известной стали, что обеспечивает высокую коррозионно-усталостную стойкость за счет получения более высокой коррозионной стойкости. The proposed steel has a lower carbon content of 0.01-0.06% versus 0.02-0.08% in the known steel, which provides high corrosion and fatigue resistance due to higher corrosion resistance.

При содержании углерода ниже нижнего предела коррозионно-усталостная прочность снижается за счет уменьшения упрочнения твердого раствора и увеличения в структуре стали δ -феррита, а при содержании углерода выше верхнего предела снижается коррозионно-усталостная стойкость за счет увеличения выделений карбидов и карбонитридов по границам зерен. When the carbon content is below the lower limit, the corrosion-fatigue strength decreases due to a decrease in the hardening of the solid solution and an increase in the δ-ferrite in the steel structure, and when the carbon content is above the upper limit, the corrosion-fatigue resistance decreases due to an increase in the precipitation of carbides and carbonitrides along the grain boundaries.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержанием хрома 13,5-15,9% против 16-22% в известной стали, что обеспечивает высокую коррозионно-усталостную прочность, за счет получения структуры без δ -феррита. The proposed steel is characterized by a lower chromium content of 13.5-15.9% versus 16-22% in the known steel, which provides high corrosion and fatigue strength, due to the structure without δ ferrite.

При содержании хрома ниже нижнего предела коррозионно-усталостная прочность снижается за счет снижения общей коррозионной стойкости, а при содержании хрома выше верхнего предела снижается коррозионно-усталостная прочность за счет увеличения в структуре стали δ -феррита. When the chromium content is below the lower limit, the corrosion-fatigue strength decreases due to a decrease in the overall corrosion resistance, and when the chromium content is above the upper limit, the corrosion-fatigue strength is reduced due to an increase in the δ-ferrite in the steel structure.

Предлагаемая сталь отличается меньшим содержанием молибдена 0,35-0,60% против 2-4% в известной стали, что обеспечивает коррозионно-усталостную прочность за счет получения однородной мартенситной структуры без δ -феррита. The proposed steel is characterized by a lower molybdenum content of 0.35-0.60% versus 2-4% in the known steel, which provides corrosion-fatigue strength by obtaining a uniform martensitic structure without δ ferrite.

При содержании молибдена ниже нижнего предела коррозионно-усталостная прочность снижается за счет уменьшения упрочнения твердого раствора и уменьшения общей коррозионной стойкости, а при увеличении молибдена выше верхнего предела коррозионно-усталостная прочность несколько снижается за счет появления в структуре стали δ -феррита и карбидов по границам зерен аустенита. When the molybdenum content is below the lower limit, the corrosion-fatigue strength decreases due to a decrease in the hardening of the solid solution and a decrease in the overall corrosion resistance, and when the molybdenum increases above the upper limit, the corrosion-fatigue strength is somewhat reduced due to the appearance of δ ferrite and carbides at the grain boundaries in the steel structure austenite.

В табл. 1 приведен химический состав предлагаемой стали трех плавок (1-3), а также химический состав плавок, имеющих концентрацию компонентов ниже нижнего и выше верхнего пределов предлагаемого состава (4 и 5) с легированием титаном, состав стали с легированием ниобием (6-10) и совместно титаном и ниобием (11-15), а также состав стали - прототипа (16 и 17). In the table. 1 shows the chemical composition of the proposed steel of three swimming trunks (1-3), as well as the chemical composition of swimming trunks having a component concentration below the lower and higher upper limits of the proposed composition (4 and 5) with titanium alloying, the composition of steel with niobium alloying (6-10) and together with titanium and niobium (11-15), as well as the composition of the steel - prototype (16 and 17).

Выплавку проводили в 500 кг электродуговой печи с фракционной разливкой на отливки 250х350, δ = 30 мм. Smelting was carried out in 500 kg of an electric arc furnace with fractional casting into castings of 250x350, δ = 30 mm.

В табл. 2 приведены механические свойства и коррозионно-усталостная прочность стали указанных плавок после оптимального режима термической обработки. In the table. 2 shows the mechanical properties and the corrosion-fatigue strength of the steel of the specified heats after the optimal heat treatment.

Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 14972-73 на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм. Tensile tests were carried out in accordance with GOST 14972-73 on cylindrical samples of five times the length with a diameter of the calculated part of 6 mm.

Коррозионно-усталостную прочность определяли в лабораторных условиях при 20^оС на гладких образцах с диаметром рабочей части 8 мм и длиной 20 мм в проточной водопроводной воде и воде, имитирующей морскую воду, путем добавки 2,5% NaCl.Corrosion fatigue strength was determined in vitro at ²⁰ ° C on smooth samples with a diameter of the working part 8 mm and a length of 20 mm in running tap water and water, simulating sea water, by the addition of 2,5% NaCl.

Испытания образцов корсетного типа проводили на установке Я8-М методом кругового консольного изгиба по симметричному циклу с частотой нагружения 47,6 Гц при базе испытания 10⁷ циклов.The corset type samples were tested on the Y8-M installation by the method of circular cantilever bending in a symmetrical cycle with a loading frequency of 47.6 Hz with a test base of 10 ⁷ cycles.

Как видно из табл. 2 предлагаемая сталь имеет более высокую коррозионно-усталостную прочность по сравнению с прототипом (370-380 МПа против 325 МПа). As can be seen from the table. 2, the proposed steel has a higher corrosion-fatigue strength compared to the prototype (370-380 MPa versus 325 MPa).

Использование предложенной стали в качестве материала для рабочих колес гидротурбин по сравнению с прототипом позволит повысить эксплуатационную стойкость рабочих колес гидротубин на 12-15% . Using the proposed steel as a material for impellers of hydraulic turbines in comparison with the prototype will increase the operational resistance of the impellers of hydraulic turbines by 12-15%.

Предлагаемая сталь прошла лабораторные испытания и рекомендована к промышленному опробованию в условиях НПО "Турбоатом". (56) Авторское свидетельство СССР N 1232701, кл. С 22 С 38/50, 1986. The proposed steel has passed laboratory tests and is recommended for industrial testing in the conditions of NPO Turboatom. (56) Copyright certificate of the USSR N 1232701, cl. C 22 C 38/50, 1986.

Claims

STEEL containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, copper, molybdenum, titanium and / or niobium, cerium, aluminum, calcium, iron, characterized in that, in order to increase the corrosion-fatigue strength, it additionally contains nitrogen and vanadium in the following ratio of components, wt. %:
Carbon 0.01 - 0.06
Silicon 0.1 - 0.5
Manganese 0.2 - 0.8
Chrome 13.5 - 15.9
Nickel 5.0 - 7.0
Copper 0.25 - 1.3
Molybdenum 0.35 - 0.60
Vanadium 0.04 - 0.15
Titanium 0.005 - 0.02
and / or Niobium 0.01 - 0.08
Nitrogen 0.005 - 0.08
Cerium 0.005 - 0.08
Calcium 0.001 - 0.02
Aluminum 0.005 - 0.08
Iron Else