RU2001965C1

RU2001965C1 - Хладостойка лита сталь

Info

Publication number: RU2001965C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Порфирьевич Солнцев; Андрей Константинович Андреев; Рудольф Иванович Гречин
Original assignee: Научно-производственное объединение "Салма"
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1993-10-30
Also published as: WO1993016208A1

Abstract

Изобретение относитс к металлургии, в частности к хладостойкой литой стали, и может быть использовано дл изготовлени литых деталей машин , работающих при циклических нагрузках и низких температурах Цепь - повышение сопротивлени 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 алюмини и титана составл ет 0,04 - 0,08. а отношение суммарного содержани алюмини и титана к содержанию бора в пределах от 40 до 80. 2 табл

Description

Изобретение относитс к металлургии, в частности касаетс хладостойкой литой стали, и может быть использовано, например , дл изготовлени литых деталей машин , работающих при циклических нагрузках и низких температурах.

В насто щее врем очень остро стоит проблема разработки сталей дл изготовлени литых деталей, работающих в услови х циклического нагружени при низких тем- пературах.

Известна сталь, содержаща углерод, кремний, марганец, хром, медь, алюминий, барий, кальций, железо, титан, бор, а также магний, при следующем соотношении ком- понентов, мас.%;

Углерод0,15-50

Марганец0,60-1,50

Кремний0,170-0,60

Алюминий0.0050-0.10

Титан0,0050-0,050

Бор0,0008-0.004

Кальций0,0008-0,007

Хром0.20-0,80

Барий0,0008-0,006

Медь0.05-2,0

Магний0.0001-0,005

ЖелезоОстальное

Эта сталь имеет механические эксплуатационные свойства, позвол ющие приме- н ть ее дл бурильных труб и в машиностроении.

Так, абразивна износостойкость стали составл ет 16-22 х

(5 40-48 %;# 69-84%.

Однако, сталь имеет недостаточно высокую ударную в зкость, в частности, при

СП ° р

низких температурах, (KCV , 0,7 МДж/м2) и соответственно понижен- ную хладостойкость.

Указанные свойства не позвол ют изготовл ть из указанной стали литые детали дл работы в услови х циклического нагружени при низких температурах.

Наиболее близкой к за вл емой стали по технической сущности и достигаемому эффекту вл етс хладостойка лита сталь 1, содержаща компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод 0.0400-0,160 Марганец 0.7000-1,60 Кремний 0,2000-0,70 Хром 0,100-0,80 Никель 0,030-0,30 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

Барий0,001-0.010

Цирконий0,0005-0,030

ЖелезоОстальное

Эта сталь примен етс дл изготовлени литых деталей, работающих при низких температурах (порог хладноломкости (Tso) стали, определ емый по наличию в изломе ударных образцов 50% волокнистой составл ющей , достигает - 33°С).

Критический коэффициент интенсивности напр жений (Kic), определ ющий склонность стали к хрупкому разрушению и описывающий поле напр жений в вершине трещины в момент начала ее развити , дл этой стали достигает 42 МПа М .

Определ емые при испытани х стали на многоцикловую усталость эффективный коэффициент концентрации напр жений (К о) и коэффициент чувствительности к концентраторам напр жений (q) составл ют дл этой стали соответственно 1,84-1,90 и 0,38-0.42.

Энергоемкость разрушени (КСТ), определ ема на ударных образцах с предварительно нанесенной усталостной трещиной, у этой стали составл ет 93-105 Дж/см2.

Таким образом, механические свойства этой известной стали позвол ют примен ть ее дл изготовлени литых деталей, работающих при низких температурах и высоких нагрузках, но недостаточно эффективно. Это затрудн ет использование стали дл массового производства таких деталей.

В основу насто щего изобретени положена задача разработать такой состав стали , котора обладала бы повышенным сопротивлением хрупкому разрушению при циклических нагрузках и низких температурах. Задача решена тем, что хладостойка лита сталь, содержаща углерод, марганец , кремний, хром, никель, медь, алюминий , барий, кальций, железо, согласно изобретению, дополнительно содержит титан и бор при следующем соотношении компонентов , мас.%:

Углерод0,1000-0.160

Кремний0,3000-0,700

Марганец0.8000-Т.200

Хром0.1000-0,800

Никель0,1000-0.800

Медь0.1000-0.500

Алюминий0,0300-0.060

Барий0.0010-0,005

Титан0,0050-0.025

Бор0,0005-0.002

Кальций0,0010-0,020

ЖелезоОстальное,

при этом суммарное содержание алюмини и титана составл ет 0.04-0,08 мае. %, а отношение суммарного содержани алюмини 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, наход щимис в структуре стали в виде кэрбонит- ридов (титан), оксидов (алюминий) и в твердом растворе (алюминий и бор). Указанное нарушение равновеси приводит к образованию крупных нитридов бора, нитридои алюмини и сульфидов титана, располагающихс по границам зорен и снижающих пластические и в зкио свойства материала, а следовательно,сопротивление хрупкому разрушению и хладостойкое ь.

Введение в за вл емую сталь титана и бора при одновременном концентрационном ограничении алюмини , титана и бора обусловлено следующим.

Бор, вл сь поверхностно-активным элементом, подавл ет ликвацию серы и позвол ет удалить ее с границ зерен и, благодар этому, повысить межзеренную прочность, что обуславливает повышение технологических (снижение гор чих трещин ) и механических свойств. Кроме того. бор в количестве 0.0005-0,002 мас.% значительно повышает прокаливаемость стали и уменьшает величину зерна. Этот эффект усиливают легирующие элементы, вход щие в состав предлагаемой стали в указанных пределах.

Легирование бором выше 0.002 мас.% приводит к образованию крупных нитридов бора, а ниже 0.0005 мас.% неэффективно.

Титан необходим в стали дл предотвращени образовани нитридов бора, наличие которых снижает прокаливаемость и хладостойкость стали. Использование только алюмини с той же целью недостаточно. так как нитриды алюмини образуютс при температуре ниже 1250°С. а нитриды титана образуютс в жидкой стали. Наличие титана в стали при соблюдении указанных концентрационных соотношений повышает прочность, уменьшает величину зерна и соответственно хладостойкость и ударную в зкость, улучшает свариваемость. Кальций совместно с барием 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 в зкие свойства.

Наиболее высокий уровень сопротивлени хрупкому разрушению и хладостойкосги стали достигаетс в случае если суммарна концентраци алюмини и титана составл ет 0,04-0,08 %, а ее отношение к концентрации бора находитс в пределах 40-80 При этом содержание кальци должно быть 0.001-0,020 %. При концентрации кальци менее 0,001 % заметно снижаетс сопротивление хрупкому разрушению и хладостойкость , а увеличение содержани 0 кальци более 0,020 % не приводит к дальнейшему увеличению указанных параметров .

Изменение содержани в стали хрома и меди, при оптимальном соотношении кон- 5 центрации других легирующих элементов (и однгпремегмсм искпючении из состава стали молибдена и ванади ) также способствует решению поставленной задачи, обеспечива повышение долговечности и 0 жсплуатационнои надежности литых деталей из предлагаемого материала, в частности , при работе в услови х циклических нагрузок и низких температур.

Таким образом, введение в сталь титана 5 и бора при за вл емом соотношении компонентов и одновременных ограничени х по соотношению концентраций титана, алюмини и бора позвол ет повысить надежность и долговечность изготавливаемых из нее де- 0 галей за счет более высокого уровн сопро- тивлени хрупкому разрушению и хладостойкости, что св зано с образованием мелкодисперсных карбонигридов титана , измельчением зерна при 5 одновременном рафинировании границ зерен и благопри тном изменении морфологии неметаллических включений. При невыполнении услооий, указанных выше, не будет достигнута поставленна цель. 0Из источников информации известно,

что титан и бор уже нашли применение при разработке новых сталей. Например, титан использован при создании хладостойкой стали, обладающей повышенной стойко- 5 стью против возникновени трещин при сварке (сталь содержит 0,08-0,13 % С. 1,0- 1,6 % Мп. 0,2-1,0% SI, 0,03-0,1 °/ AI, 0,002- 0,01 % Са. О 02-0.08 % It)

Известна также сталь, содержаща ком- 0 поненты. в том числе титан и бор. при следующем соотношении, мас.%

Углерод0.70 0,90

КремнийС, 350- ).9Г

МарганецО.ПО 1,20

5Никель1 0 1 50

Хром1,80 2.40

Молибден0.60 0,90

Ванадий0,000-0,120

Алюминий0.0 0.0°О

Кальций0015 О 080

0,002-0,010

0,002-0.004

0,100-0,180

0,070-0,120

0,050-0,120

Остальное

Сталь рекомендуетс использовать дл изготовлени валков-оправок станов поперечно-винтовой холодной прокатки, то есть в деформированном виде, и она имеет низкую ударную в зкость KCV б° с 0,406- 0,435 кДж/м2.

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

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

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что за вл ема сталь обладает новизной и кроме того, предлагаемое изобретение удовлетвор ет критерию Изобретательский уровень, так как предлагаемое решение задачи дл специалиста не следует вным образом на уровне техники .

Предлагаема по изобретению сталь выплавлена в электродуговых печах емкостью 12 т с основной футеровкой. В качестве шихтовой заготовки использовали армко- желедо и отходы низкоуглеродистых 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 осуществл ли из расчета остаточного их содержани на верхнем, среднем и нижнем уровн х химического состава, Ограничени по содержанию каждого из элементов св заны с комплексным вли нием на свойства стали легирующей системы в целом и каждого элемента в отдельности, экономическими соображени ми и были установлены экспериментальным путем.

Механические свойства вариантов предлагаемой стали, химический состав которых приведен в табл.1, определ ли на образцах , вырезанных из треф по ГОСТ 977-88. Режим термической обработки - нормализаци при 930°С с выдержкой 1 час.

Дл определени эффективности коэффициента концентрации напр жений (Ко) и коэффициента чувствительности к концентраторам напр жений (q) проводили испыта- ни на многоцикловую усталость. Испытани проводили на образцах круглого профил по ГОСТ 2860-65 по схеме чистого

изгиба симметриичным циклом на машине МУИ-6000 на базе 107 циклов с частотой 2700 цикл-мин.

Энергоемкость разрушени (КСТ) определ ли на ударных образцах с предварительно нанесенной усталостной трещиной по ГОСТ 9454-78. Порог хладноломкости (Tso) определ ли по наличию в изломе ударных образцов 50 % в зкой составл ющей.

0 Дл вы влени склонности стали к хрупкому разрушению определ ли критический коэффициент интенсивности напр жений, характеризующей работоспособность детали с трещиной (например, с трещиной уста5 лости).

Испытани дл определени критического коэффициента интенсивности напр жений проводили на испытательной машине Истрон согласно ГОСТ 7855-68 и

0 9651-73. Испытывались образцы на внецен- тренное раст жение с усталостной трещиной

Как видно из табл. 2, у предлагаемой стали по сравнению с известной на 20-40 %

5 повышаетс критический коэффициент концентрации напр жений (К|С), на 10- 20% снижаетс эффективный коэффициент концентрации напр жений (Ку), на 14-23%

уменьшаетс коэффициент чувствительно- 0 Сти к концентраторам напр жений (q). По сравнению со сталью-прототипом у предлагаемой стали на 15-20% увеличиваетс энергоемкость разрушени образца с усталостной трещиной (КСТ). Порог хладнолом- 5 кости (Tso) снижаетс от минус 30°С (у известной) до минус 47°С (у стали предлагаемого состава).

Такое улучшение свойств стали достигаетс за счет уменьшени величины зерна до 0 9-ю баллов (сталь-прототип 7-8 баллов), повышени дисперсности карбонитридов в 3-4 раза, снижени количества неметаллических включений на границах зерен с 71.6% (сталь по прототипу) до 24,3 %.

Предлагаема сталь имеет следующие механические свойства:

f/e 580-630 МПа. Ob2 470-540 МПа, 6 25-32 %,

0 V 55-65 %, К 40-60 Дж/см2.

Технико-экономическа эффективность предлагаемого изобретени состоит в следующем:

5

1) использование за вл емой стали дл т желонагруженных деталей, работающих при низких климатических температурах, взамен известной стали позволит на 10- 15% снизить металлоемкость деталей ма5

шин, повысить их надежность и долговечность;

2) более высокий уровень сопротивлени хрупкому разрушению и хладостойко- сти предлагаемой стали по сравнению с примен емыми позвол ет решить проблему материалов дл новых машин с повышенным комплексом технических характеристик,

За вл ема хладостойка сталь в промышленных услови х может быть получена в электродуговых печах. При этом должны быть обеспечены оптимальные услови разливки жидкой стали.

Основной экономический эффект ожидаетс при внедрении стали в серийное про

изводство, Экономический эффект может быть получен за счет снижени металлоемкости литых деталей, а также за счет повышени эксплуатационной надежности и долговечности изделий.

Кроме того, использование за вл емой стали позволит экономить дефицитные и дорогосто щие ванадий и молибден, что обеспечит дополнительный экономический эффект.

(56) Авторское свидетельство СССР № 998573.кл. С 22 С 38/50. 1983.

15

Химический состав сталей

Т а б л и ц а 1

Примечание:

+ выполнение условий, - невыполнение условий.

Продолжение табл. 1

Результаты испытаний предлагаемой cfann

Приведены средние значени четырех измерений + выполнение условий;

-невыполнение условий.

Таблиц а 2

Claims

Формула изобретени

ХЛАДОСТОЙКАЯ ЛИТАЯ СТАЛЬ. содержаща углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, алюминий, барий, кальций, железо, отличающа с тем, что она дополнительно содержит титан и бор при следующем соотношении компонентов , мае. %:

Углерод0,1000-0,160

Кремний0,3000 - 0,700

Марганец0,8000-1,200

Хром0,1000-0,800

Никель0,1000-0,800

Медь

Алюминий

Барий

Титан

Бор

Кальций

Железо

0.1000-0.500 0,0300 - 0.060 0,0010 - 0.005 0.0050 - 0,025 0,0005 - 0,002 0.0010 - 0.020 Остальное.

при этом суммарное содержание алюмини и титана составл ет 0,04 - 0,08, а отношение суммарного содержани алюмини и титана к содержанию бора находитс в пределах 40 - 80.