Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к стали, обладающей увеличенным сроком службы изделий из нее при рабочих температурах до 520°С. Сталь дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,27; марганец 0,30-1,50; кремний 0,17-0,80; ванадий 0,002-0,10; алюминий 0,002-0,009; азот 0,002-0,012; сера 0.002-0,015; фосфор 6,005-0,015; цинк 0,0005-0,004; олово 0,0005-0,004; свинец 0,0003-0,004; висмут 0,0001-0,003; сурьма 0,0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор + цинк + олово + свинец + висмут + сурьма) 0,027; соотношение ванадий/углерод 0,007-1,5; соотношение алюминий/ азот 0,2-4,5. 1 табл. СО С

(l9) (ав) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 38/60

ГОСУДАРСТВЕ ННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Изобретение относится к металлургии, Однако эта сталь не может использоконкретнее к сплавам на железной основе. ваться для работы в течение длйтельного

Известна углеродистая сталь, содержа- . времени при высоких температурах вслед- (Л щая, мас. (: С 0,16-0;24; Sl 0,15 — 0,30; Mri ствие того, что она недостаточно легирова- ф„

0,35-0,65; S до 0,040, P до 0,040. на, а следовательно, имеет низкий уровень

После принятой термической обработ- требуемых свойств. ки, а именно нормализации с 920 — 950ОС, Известна сталь, наиболее близкая по охлаждения на воздухе и отпуска, она рас- легированию к предлагаемой, взятая за просчитана на срок службы 100.000 ч при тем- тетин, включающая, мас.ф С 0,28-0,6; SI пературах: 0,4-1,0; Мп 0,1 — 1,5; V 0,01 — 0;1; Nb 0,01-0,1;

450 C — 98 МПа S до 0,036; P до 0,036.. а

475ОС- 68 МПа Однако в этой стали высоко содержание

500 С вЂ” 49 МПа серы и фосфора, что приводит к преждевреНедостатком стали является то, что она менному разрушению. не может работать свыше 100.000 ч при за- Цель изобретения — повышение пладанных температурах. стичности и срока службы изделий при раИзвестна сталь, содержащая, мас. : С бочих температурах 400-520ОС, 0,02-0,25; Мп 0,2-0,4; Sl до 0,03; S до 0,03; . Поставленная цель.достйгаетсятем,что

P до 0,03; А! 0,1-0,019. сталь, содержащая углерод, кремний, мар(21) 4872446/02 (22) 08,08.90 (46) 15.08.92, Бюл. N- 30 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. Й.П.

Бардина и Оскольский электрометаллургический комбинат (72) Л.В. Куликова, В,M. Гаркуша, Б.Ю. Зеличенок, В.И." Столяров, Е.Ф. Мазуров, В.Б, Киреев, B.Н, Филимонов, А,М. Корешкова, Т,Н. Попова, А.А. Чижик, Ю,К. Петреня, А.А.

Кобус и В.Г, Шмачков (56) Авторское свидетельство СССР М

331111, кл. С 22 С 38/12, 1972. (54) СТАЛ Ь (57) Изобретение относится к металлургии, конкретно к стали, обладающей увеличенным сроком службы изделий из нее при рабочих температурах до 520 С. Сталь дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, свинец, олово, висмут; сурьму npvi ñëåäóþщем соотношении компонентов, мас. j,: углерод 0,07-0,27; марганец 0,30-1,50; крем н и и 0,17-0,80; ва над ий 0,002-0,10; алюминий 0,002-0,009; азот 0,002 — 0,012; сера 0.002-0,015; фосфор 0,005 — 0,015; цинк

0,0005-0,004; олово 0,0005 — 0,004; свинец

0,0003 — 0,004; висмут 0,0001-0,003; сурьма

О;0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор+ цинк+ олово+ свинец+ висмут+ сурьма) 0,027; соотношение ванадий/углерод = 0,007-1,5; соотношение алюминий/ азот = 0,2-4,5, 1 табл.

1754789 ганец, ванадий;серу, фосфор, дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, олово, свинец, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,07 — 0,27

Марганец . 0,30 — 1,5

Кремний 0,17-0,80

Ванадий 0,002-0,10

Алюминий 0,002 — 0,009

Азот 0,002 — 0,012

Сера 0,002 — 0,015

Фосфор 0,005-0,015

Цинк 0,0005-0,004

Олова - . 0,0005-0,004

Свинец 0,0003-0,004

Висмут 0,0001 — 0,003

Сурьма 0,0005-0,003 причем сумма элементов P + 2n + Sn +

Pb + Bi + $Ь = 0,027%, а Ч:C= 0,007-1,50 и

AI: И=0,.".— 4,5.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, чта заявляемая сталь отличается от известной дапблнительным содержанием алюминия (0,002-(1 009%), а от (Э,002 — 0 01 2 %), рi, tка (0,0005 — 0,004%), олова (0,0005-0,004%), свинца (0,0003-0,004%), висмута (0,00010,003%), сурьмы (0„0005 — 0,003%), причем сумма элементов фосфора, цинка, свинца, олова, висмута, сурьмы не должна превышать 0,027%, а отношение Ч:С=0,007-1,50 и

АЩ=0,2 — 4,5.

Сущность изобретения состоит в том, что сталь содержит алюминий в количестве

0,002-0,009%, азот 0,002-0,012%, т.е. в тех количествах, при которых не образуется нитридная фаза AIN. Превышение содержания алюминия свыше 0,009% приводит к образованию вторичных нитридов, наличие которых в стали снижает ее длительную прочность. Уменьшение содержания алюминия менее 0,002% характеризует нераскисленность металла, а следовательна, его плохое качество. Превышение верхнего содержания азота ведет к образованию карбонитридных фаз (или нитридных) вместо карбидных, получение азота ниже приведенного в промышленных условиях практически не достигается.

Превышение содержания углерода сверх 0,27% приводит к образованию излишнего количества карбидных фаз, а также к их коагуляции. Уменьшение содержания углерода за указанные пределы не обеспе чивает получения достаточного количества упрочняющих фаз, а следовательно, требуемого уровня прочностных свойств.

Введение марганца и кремния необходимо для раскисления стали. При"содержании марганца и кремния менее 0,30 и 0,17%, соответственно сталь оказывается недостаточно раскисленной, при превышении содержания марганца выше 1,50 и кремния

0,80% резко повышается в стали содержа5 ние неметаллических включений — силикатов марганца.

Введение ванадия в количестве 0,0020,10% способствует образованию карбида ванадия VC, стабилизирующего свойства

10 стали в течение длительного времени.

Превышение содержания ванадия свыше 0,10% приводит к образованию избыточного количества карбида ванадия, а следовательно, к иному перераспределе15 нию углерода в фазах. Понижение ванадия ниже 0,002% приводит практически к отсутствию карбида ванадия, что также нежелательно при получении требуемых свайс в.

Сера и фосфор отрицательно влияют на

20 свойства стали, особенно работающих длительное время в условиях высоких температур и напряжений. Эти элементы, обогащая приграничные объемы металла, приводят к ослаблению связей на границах зерен, то

25 аг-з,и;на ва хна уч::"..-; ывать для сталей даннага назначения, Нижний предел содержания серы и фосфсра установлен исходя из возможностей прамышленнага оборудования, так как пол30 учение .значений серы и фосфора менее

0,002% (каждаго) возможно лишь при проведении специальных экспериментов, что значительна удорожает сталь, Увеличение содержания в стали серы и

35 фосфора свыше 0,015% (каждого) нежелательно, так как это приводит к ухудшению свойств.

Примеси цветных металлов — свинца, цинка, олова, висмута, сурьмы — оказывают

40 отрицательное влияние на длительную прочность стали, выделяясь на границах зерен в виде легкоплавкой эвтектики.

Получение каждого из этих элементов (2n ниже 0,0005, Pb 0,0003, Sn 0,0005, Bi

45 0,0001, Sb 0,0005) невозможно в промышленных условиях. Ограничение верхнего предела (2n 0,004, Pb 0,004, Sn 0,004, Bi

0,003, Sb 0,003) возможно только в случаях применения крайне трудной технологии для

50 получения таких количеств — специальной и длительной обработки шахты, например, методом прямого восстановления железа или еще более сложные методы. В металле обычной выплавки содержание этих эле55 ментов находится на уровне сотых долей процента (каждого). Такое высокое содержание примесей цветных металлов отрицательно сказывается на пластических характеристиках стали.

1754789

Ограничение содержания примесей цветных металлов фосфора, цинка, свинца, олова, сурьмы, висмута 0,027 связано с чистотой границ зерен от эвтектических выделений, что способствует получению ме- 5 талла с высокими прочностью и пластичностью, При нарушении соотношения

V:С=0,007 — 1,50 изменяется структура стали: при соотношении менее 0,007 наблюдаются 10 грубые, в основном пограничные, выделения карбидных фаз, в случае соотношения более 1,50 присутствуют скопления грубых выделений этих фаз. Такие нарушения как в первом, так и во втором случаях отрицатель- 15 но сказываются на свойствах стали, в первую очередь длительных.

При нарушении соотношения Al:N менее 0,20 азот соединяется с ванадием, тем самым резко уменьшая количество основ- 20 ной упрочняющей фазы — карбида ванадия (VC); при содержании более 4,5 образуются скопления нитридов алюминия; наличие которых понижает как прочность, так и пластичность. 25

Предлагаемое соотношение элементов в стали было найдено экспериментальным путем и является оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект, указанный в це- 30 левой части формулы изобретения. При нарушении соотношгэния элементов ухудшаются свойства, стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается.

Ниже приведены варианты осуществ- 35 ления и использования изобретения, не исключающие другие варианты в объеме формулы изобретения (см. таблицу), где значения длительной прочности приведены в основном для средней рабочей тем- 40 пературы 450 и для 520 С, Пример 1. Металл состава 1 (см. таблицу) получают следующим образом, В сталеплавильной печи выплавляют полупродукт из чистой по цветным примесям 45 (цинку, свинцу, олову, висмуту, сурьме) шихты, полученной специальными методами, например методом "прямого" восстановления железа. Содержание углерода в полупродукте 0,07 . В процессе выпуска 50 проводят прямое легирование металла марганцем на 0,30% из оксидных материалов с восстановлением кремния ча 0,17о . Это способствует получению гарантированно низкого содержания фосфора и алюминия, 55, особенно при легировании марганцем в интервале 0,7-1,5 В отличие от ферромарганца оксидные марганецсодержаЩИе материалы имеют очень небольшое содержя..ие фосфора. Затем металл выпускают в

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний. марганец, ванадий, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что, с целью повйшения пластичности, срока службы изделий при рабочих температурах 400— о

520 С, она дополнительно содержит алюминий, азот, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас. :

Углерод

Марганец

Кремний

Ванадий

Алюминий

Азот

Сера

Фосфор

Цинк

Олово

Свинец

Висмут

Сурьма

Железо

0,07 —,0,27

0,30 — 1,50

0,17 — 0,80

0,002-0,10

0,002-0,009

0,002 — 0,012

0,002-0,015

0,005-0,015

0,0005-0,004

0,0005-0,004

0,0003-0,004

0,0001-0.003

0,0005-0,003

Остальное ковш, После выпуска замеряют температуру металла и вакуумируют его циркуляционным способом в течение 20 мин при остаточномдавлении до 1 Мбар.Десульфурацию стали проводят в процессе внепечной обработки известковыми шлаками на 0,002, В конце вакуумирования присаживают ванадий на 0,01 . После вакуумирования металл разливают. В процессе выпуска и внепечной обработки при необходимости проводится корректировка состава путем ввода добавок требуемых элементов. При достижении заданного состава и соотношения V:С=0,007-1,50 и Al:N=0,2 — 4;5, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

Пример 2. Металл состава 3 (см. таблицу) выплавляют этим же способом, содержание углерода в полупродукте

0,27%. В процессе выпуска проводят прямое легирование металла марганцем на

1,50 из оксидных материалов с восстановлением кремйия на К80%. После выпуска металла замеряют температуру. Затем металл вакуумируют,, В конце вакуумирования приса>кивают ванадий на 0,10 . После вакуумирования металл разливают. В процессе выпуска и внепечной обработки корректируют химический состав стали путем ввода добавок требуемых элементов.

При достижении заданного состава и соблюдении соотношений, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

1754789 отношение ванадий / углерод = 0,007-1,5; отношение алюминий / азот = 0,2 — 4,5. при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор + цинк + олово + свинец + висмут+ сурьма) 0.027;

Содержание элементов в стали, мас.ь

Пример, М

Zn Sn ч А!

Предлагаемая сталь0,005 0,0005 0,0005 .

0,010 о,0015 0,0025

0,015 0,002 0,002

0,014 0,004

0,008 0,001 0,004

0,015 0,002 О>002

0,010 0,003 0,002

О,0О2 0,006

0,002

0,010

0,007

0,002

О 012

0,17 0,01

0,45 0,06 о,8о

0,30 0,10

0,40 0,002

0,80 0,10

0,55 0,05

Выходящая за заявляемые пределы

0,025 0,023 0,020 0,018

О 017 О 016 0,009 О 009

0,08 0,001

0,95 0,20

0,20 0,15

0,10 0,20

0,28 О,to

0,10 0,22

0,010

0,023

0„015

0,035

0,006

0,035

0,016

0,019

0,020

0,017 О,О!О 0,О1О

0 021 0 008 О 009

0,009 0,002 0,003

O,О21 rJ,0O8 0,009

О, 019

Прототип

14 028 010 040 001

15 о,4о 0,90 о,70 0,06

16 0 60 1,5 1>0 0 10

17 0,40 0,90 0,70 0,06

0,020

О, 035

0,030

О, 020

0,030

0,035

Продолжение таблицы

Содержание элементов в стали, мас.3

Время до разрушения,, ч, 6=180, ИПа

Плас" тичность, температура испытания, С

Соотношение

Пример, У

P+Zn+Sn+ V/С Al/N

Pb+Bi+Sb

Pb Bi Sb

Предлагаемая сталь

0,0001 0,0005 0,0069 0,14 1,0

0,0010 0,0012 0,018 0,35 0,66

0,003 0,003 О 027 0,37 4,5

0,002 0,002 0,027 1,48 0,20

0,002 0,0015 0,0205 0,007 0,28

0,001 0,002 0,024 0,37 4,5

0,002 0,002 0,022 0,25 0,41

Выходящая за заявляемые пределы

1650 25,5 450 .

1880 25,8 450

1720 23,4 450

1700 26,1 450

1690 25,0 450

1500 26,0 520

1710 25,7 450

12,1 4 0

11,6 450

13,0 450

12,2 450

11,0 450

12,5 520

0,004 0,9

0,57 0,1С

0,51 1,33

1,54 0,14

0,35 5,0

t,7 0,14

8 0,022

9 0,010

10 0,020

11 0,015

12 0,003

13 0,015

Прототип! 4

15 .

16

600 21,О 450

560 16,3 450

405 13,0 450

350 14,5 520

1 0,07

2 0,17

3 0,27

4 0,07

5 0,27

6 0,27

7 0,20

8 0,28

9 0,35

10 0,29

11 0,13

12 0,28

13 0,13

0,30

0,90

1,50

0>60

0,70

1,50

O,SO

0,17

2,0

0, 10

0,80

9Р5

0,80

0,0003

0,0018

0,002

0,003

О >004

0,002 0,003

0,005

0,007

0,006

0,008

О,С05

0,008

0,004

0,008

O,СО9

0,007

0,006

0,007

0„002

0,004

0,009

0,002

0,002

0,009

0,005 о,oo9

0,003

О, 020

0,005

0,030

0,005

0,092

0,059

0,072

0,068

0,028

0,068

0,002

0,008

0,015

0,012

0,010

0,015

0,007

450

> 1 ф

0,01

O,ОЗ

0,10

0,а8