SU1724719A1

SU1724719A1 - Сталь дл отливок

Info

Publication number: SU1724719A1
Application number: SU904791399A
Authority: SU
Inventors: Андрей Александрович Чижик; Борис Сергеевич Ермаков; Георгий Георгиевич Колчин; Юрий Кириллович Петреня; Алла Зиновьевна Кевеш; Юрий Григорьевич Сухарев
Original assignee: Ленинградский технологический институт холодильной промышленности
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1992-04-07

Abstract

Изобретение относитс к металлургии, в частности к составу стали, примен емой дл отливок. Цель изобретени - снижение стоимости при сохранении уровн механических свойств и повышение трещиностой- кости в диапазоне температур 20-550&deg;С. Сталь дополнительно содержит цирконий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мае. %: углерод 0,14-0,20; марганец 0,6-0,9; кремний 0,2-0,4; хром 1,2-1,4; молибден 0,3-0,5; ванадий 0,25- 0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005- 0,010; железо остальное. Применение предложенной стали позвол ет повысить надежность и долговечность изделий и снизить стоимость продукции. 4 табл.

Description

ё

Изобретение относитс к металлургии, а именно к стал м дл отливок, обладающим при экономном легировании молибденом высокими механическими свойствами, повышенной трещиностойкостью в диапазоне температур 20 550°С и пониженной стоимостью , и может использоватьс в энергетическом и т желом машиностроении, где примен ютс стали, содержащие, мас.%: хром 1-1,5; молибден 0,5-1,5; ванадий 0,2- 0,4.

Известны хромомолибденованадиевые стали обладающие хорошей жидкотекуче- стью, удовлетворительными механическими и эксплуатационными свойствами в диапазоне температур 20-550°С.

Однако в ходе длительной эксплуатации , достигающей в издели х энергетического машиностроени сотен тыс ч часов, в стал х этого класса протекают процессы, значительно снижающие кратковременные механические свойства, а также длительные

прочность и пластичность материалов. Главным из этих процессов вл етс карбидна реакци МезС- Ме7Сз Ме2зСб. Образование крупных глобулей карбидов типа(Ре, Сг, Мо, VJ23C6, а также специальных карбидов молибдена М02С и интерметаллидов типа FeaMo обезлегирует и разупрочн ет твердый раствор, усиливает за счет резкого уменьшени содержани легирующих элементов в матрице, диффузионную подвижность адсорбционно-активных примесей (фосфора, сурьмы и др.). Снижение всего комплекса механических и эксплуатационных свойств стали при образовании значительных сегрегации примесных элементов на границах зерен и присутствии в матрице крупнодисперсных карбидов, выступающих в роли концентратов напр жений, приводит к необходимости снижени параметров (температуры и давлени ) пара в энергоблоке . Это вызывает перерасход топлива, повышение стоимости киловатт-часа

XI

ю N XI

ю

электроэнергии. Интенсивность образовани сегрегации и карбидных включений в стали св зано с содержанием в ней, главным образом, молибдена и хрома. Превышение концентрации молибдена (более 0,7 мас.%) приводит к по влению специальных карбидов типа МоаС и интерметаллидов. Увеличение совместного содержани хрома и молибдена интенсифицирует процесс образовани и роста частиц карбида МеазСе. Кроме того, высокое (дл стали 15Х1М1ФЛ - 1,2%) содержание молибдена приводит к перерасходу дефицитного элемента и повышению стоимости материала.

Известна хромомолибденованадиева сталь, котора содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний 0,20-0,40; хром 1,20-1,40; молибден 0,90-1,20; ванадий 0,25-0,40; железо остальное.

В табл.1 приведены механические свойства известной стали после термической обработки , приведенной по следующему режиму: отжиг при 1050°С, нормализаци 980-1000°С, отпуск 710-740°С.

Известна сталь обладает удовлетворительным комплексом механических характеристик (7о,2, оь , 5g , Vй KCU), однако содержание в ней дефицитного легирующего элемента - молибдена высоко (0,5-1,2 мас.%). Така концентраци молибдена не только повышает стоимость стали, но и-в значительной степени вли ет на одно из основных свойств материала - трещино- стойкость.

Трещиностойкость - характеристика стали, определ юща его возможность не тер ть работоспособности в услови х образовани и роста трещины. От этой способности зависит ресурс одного из наиболее материало-и трудоемких узлов турбоагрегатов - корпусов цилиндров высокого давлени . Образующийс в стали 15Х1М1ФЛ специальный карбид молибдена (Мо2С) обладает игольчатой или пластинчатой формой и представл ет собой концентратор типа острого надреза, приводит к перераспределению молибдена между матрицей стали и вновь образующейс карбидной фазой и значительному снижению ее трещино- стойкости в интервале температур 20-550°С. Кроме того, перераспределение молибдена в карбидную фазу усиливает чувствительность стали к сегрегационному ох- рупчиванию примес ми замещени (в частности фосфора).

Целью изобретени вл етс снижение себестоимости при сохранении уровн механических свойств и повышение трещиностойкости в диапазоне температур 20- 550°С.

Цель достигаетс тем, что в сталь, в состав которой вход т углерод, марганец, хром, мо- 5 либден, ванадий, железо, дополнительно ввод т кальций, барий, цирконий, причем содержани указанных ингредиентов должно быть в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60-0,90; кремний

0 0,20-0,40,- хром 1,20-1,40; молибден 0,30- 0,40; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0.16; кальций 0,005-0,010; барий 0,005-0,010; железо остальное.

Ограничени по содержанию каждого

5 из элементов св заны с вли нием всего легирующего комплекса на структуры и свойства стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействи каждого элемента и легирующего

0 комплекса в целом. Вновь введенные в сталь элементы цирконий, кальций, барий в определенной концентрации, в сочетании с легирующим комплексом позвол ют сохранить механические свойства стали на преж5 нем уровне, повысить ее трещиностойкость и снизить ее себестоимость. Эти элементы позвол ют сдерживать диффузию фосфора в границы зерен, за счет сфероидизации сульфидных включений и рафинировани

0 стали от кислорода, улучшают пластичность, в зкость, высокотемпературные характеристики стали и надежность ее эксплуатации. Цирконий имеет высокую энергию вза5 имодействи с фосфором и другими примес ми внедрени и замещени . Атомы циркони , наход щиес в твердом растворе , удерживают атомы фосфора вблизи себ , подавл их диффузию в границы.

0 Содержание циркони менее 0,1 мас.% не оказывает должного эффекта подавлени диффузии, содержание его более 0,15 мас.% приводит к резкому обезуглероживанию и разупрочнению матрицы стали из-за обра5 зовани значительного количества специальных карбидов.

Кальций вл етс поверхностно-активным элементом и, адсорбиру сь на границах растущих кристаллов, уже в количествах

0 более 0,005 мас.% вызывает модифицировани первичной структуры и способствует образованию глобул рных сульфидов. Меньша его концентраци неэффективна, а превышение его содержани (более 0,010

5 мас.%) технологически затруднено.

Барий снижает упругость паров и тем самым повышает термодинамическую активность кальци , способству более эффективному модифицированию и рафинированию стали. Содержание его ме- нее 0,005 мас.% неэффективно, а более

0,010 мэс.% требует специальных методов введени его в сталь.

Известно легирование стали кальцием, который вводитс дл десульфурации в конструкционные и высокопрочные стали в ко- личествах 0,0005-0,0050 мае.%. Кальций входит в состав аустенитных нержавеющих сталей, улучша их обработку резанием (0,002-0,006 мас.%). Кальций повышает стойкость материалов против сульфидного и водородного охрупчивани , улучшает коррозионную стойкость материалов. Концентраци его в этом случае находитс в пределах 0,009-0,5 мас.%.

Совместное введение кальци и бари имеет применение в литейных материалах дл повышени гидроплотности отливок (кальций 0,005-0,080 мас.%, барий 0,005- 0,050 мас.%), конструкционных стал х (Ва 0,01-0,05 мас.%, Са 0,01-0,05 мас.%). цир- конием легируют высокопрочные стали дл труб нефт ных скважин в количестве менее 1 мас.%, высокомарганцевые стали (Zr 2 мас.%).

Известно и совместное введение цирко- ни и кальци в стали с содержанием каждого из элементов, мас.%: Zr 0,01-0,10; Са 0,001-0,010. Ввод т элементы в высокопрочные в зкие стали дл труб (Zr 0,01-0,1 мас.%, Са 0,001-0,008 мас.%). и конструк- ционные стали (Са 0,001-0,03 мас.%, Zr 0.01-0,15 мас.%).

Металл опытных плавок выплавл ют в индукционной печи с основным тиглем.

Химический состав полученных сталей приведен в табл.2.

Температуры разливки стали 1540± 10°С. Полученные отливки термически обрабатывают по следующему режиму: гомогенизаци 1050°С 3 ч, нормализаци 1000°С 3 ч и отпуск 700°С в течение 5 ч.

Ограничени по содержанию каждого из указанных выше легирующих элементов св заны с вли нием всего легирующего комплекса на структуру и свойства стали и установлены экспериментальным путем при анализе воздействи на свойства сталей каждого легирующего элемента и всего легирующего комплекса в целом.

Введение в сталь углерода в количестве 0,14-0,20 мас.% обусловлено тем, что при меньшем его содержании не обеспечиваетс необходимый уровень прочности стали, а превышение его содержани (более 0,20 мас.%) вызывает интенсивное выделение специальных карбидов (Ме2зСе), охрупчива- ющих сталь в процессе длительной эксплуатации , т.е. снижает уровень ее трещиностойкости и механических характеристик .

Минимальное содержание марганца (0,60 мас.%) обусловлено технологическим процессом выплавки стали и составом примен емых в промышленности шихтовых материалов . Превышение концентрации марганца (более 0,90 мас.%) вызывает его интенсивную сегрегацию в границы зерен, образование зон упор доченного твердого раствора, обогащенного марганцем, привод щего к охрупчиванию стали.

Минимальное содержание кремни (0,20 мас.%) также обусловлено технологией выплавки стали, в частности процессами ее раскислени . Превышение его концентрации (более 0,40 мае. %) способствует образованию карбида Ме2зСб за счет перераспределени углерода в кремнийсо- держащем твердом растворе и способствует , тем самым, обезлегированию и разупрочнению матрицы и снижению всего комплекса механических свойств, особенно в зоне высоких температур.

Содержание хрома в стали менее 1,20 мас.% не обеспечивает требуемого уровн прочностных свойств материала, а превышение его концентрации (более 1,70 мас.%) интенсифицирует (при заданном содержании молибдена, углерода и ванади ) процесс карбидного превращени - Мв2зСб на базе карбида СггзСе, снижа весь комплекс механических свойств.

Молибден повышает одновременно прочностные и в зкие свойства стали, что св зано с его воздействием на содержащиес в стал х вредные примеси внедрени и замещени . Наход сь в твердом растворе, молибден преп тствует сегрегационному перераспределению вредных примесей и их охрупчивающему и разупрочн ющему вли нию . При содержании молибдена менее 0,30 мас.% не достигаетс необходимого эффекта подавлени вли ни примесей, а при превышении его содержани (более 0,50 мас.%) возникает опасность выхода его из твердого раствора при протекании карбидной реакции и интенсификации образовани (при заданной конструкции всех карбидообразующих элементов) карбидов МеазСб и Мо2С.

Ванадий, как и другие карбидообразую- щие элементы, повышает температуру АС1 стали, увеличивает ее жаропрочность за счет образовани мелкодисперсного, когерентного с матрицей карбида VC. Ванадий в данной системе легировани в основном св зан в карбиды VC, практически не измен ющиес по составу в течение длительного срока эксплуатации. Эти частицы, образующиес за счетдиффузии внедренных атомов

углерода и азота к атомам ванади с вытеснением из зоны их вли ни более слабых карбидообразующих элементов (железа, хрома, марганца, молибдена и т.д.), позвол ет регулировать количество в структуре других карбидов, значительно измельчать их. Кроме того, ванадий наход сь в твердом растворе, уменьшает совместно с молибденом вредное вли ние примесных атомов внедрени и замещени . Концентраци ванади менее 0,25 мас.% неэффективна, а превышение его содержани (более 0,40 мас.%) приводит к значительному увеличению количества и размеров частиц VC, обедн , тем самым, матрицу стали по углероду и разупрочн ее.

Механические свойства опытных сталей приведены в табл.3 (результаты испытаний вл ютс средним значением 6 измерений). Трещиностойкость сталей приведена в табл.4 (результаты вл ютс средними значени ми 5 измерений).

Из приведенных в табл.3 и 4 данных видно, что у предлагаемой стали в диапазоне температур 20-550°С механические

свойства сопоставимы с известной сталью, а Трещиностойкость во всем диапазоне температур выше, чем у стали 15X1М1ФЛ.

Кроме того, предлагаема сталь значи- тельно экономичнее, чем известна , так как содержит на 0,6-0,7 мас.% молибдена меньше , чем корпусна сталь паровых турбин и котлоагрегатов 15Х1М1ФЛ.

Claims

Формула изобретени

Сталь дл отливок, содержаща углерод , марганец, кремний, хром, ванадий, молибден , железо, отличающа с тем,

что, с целью снижени стоимости при сохранении уровн механических свойств и повы- шени трещиностойкости в диапазоне температур от 20 до 550°С, она дополнительно содержит цирконий, кальций и барий

при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,60- 0,90; кремний 0,20-0,40; хром 1,20-1,40; молибден 0,30-0,50; ванадий 0,25-0,40; цирконий 0,10-0,16; кальций 0,005-0,010;

барий 0,005-0,010; железо остальное.

Таблица 1

30

Таблица 2

Та бл и цаЗ

Таблица 4