Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к стали, обладающей увеличением срока службы изделий из нее при рабоних температурах 500-610°С, а также высокой пластичностью. Сталь дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово , висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,20; марганец 0,40-1,50; кремний 0,17-0,80; молибден 0,15-1,10; ванадий 0,15-0,45; хром 0,50-2,0; алюминий 0,002- 0,009; азот 0,002-0,012; сера 0,002-0,015; фосфор 0,002-0,015; цинк 0,0005-0,004; свинец 0,003-0,004; олово 0,0005-0,004; висмут 0,0001-0,003; сурьма 0,0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор 1 + цинк + олово + свинец + висмут + сурьму) 0,027; отношение ванадий/углерод 0,75-6,5; отношение алюминий/азот 0,2- 4,5. 1 табл. (Л С

(19) (I I) союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (я)з С 22 С 38/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4872763/02 . (22) 08.03.90 (46) 15.08.92, Бюл. № 30 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И,П.

Бардина и Оскольский электрометаллургический комбинат (72) Л.А. Куликова, В.А, Синельников, В.M.

Гаркуша, Б.Ю. Зеличенок, В.И. Столяров, E.Ô. Мазуров, В,Б, Киреев, В.Н. Филимонов, Т.Н. Попова, А.А. Чижик, Ю,К. Петреня, А.А, Кобус и В;Г. Шмачков (56) Заявка Японии ¹ 62-4854, кл. С 22 С

38/46, 1987; (54) СГАЛЬ (57) Изобретение относится к металлургии; конкретно к стали, обладающей увеличением срока службы изделий из нее при рабоИзобретение относится к металлургии, конкретнее к сплавам на железной основе, Известна низколегированная сталь, содержащая, мас.%. С 0,10-0,15; Мп 0,40-0,70;

S! 0,17 — 0,37; Cr 0,9 — 1,2, Мо 0,25 — 0,35; Ч

0,15-0,30; Я до 0,040; Р до 0,040(ГОСТ552079).

После термической обработки сталь рассчитана на срок службы 100.000 ч и имеет пределы длительной прочности за это speмя при температурах: 540 С вЂ” 100 МПА, 570 С вЂ” 80 МПа, 6100С вЂ”. 50 МПа, Основным недостатком этой стали является то. что она не может быть использована для работы свыше 100,000 ч.

Известна сталь, содержащая, мас. : С

0,25-0,35; Мп 0,8-1,6; Sl 0,4 — 0,9; Cr 0,3-0,6; них температурах 500-610 С, а также высокой пластичностью. Сталь дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при Следующем"соотношении компонентов, мас.%: углерод

0,07 — 0,20; марганец 0,40-1,50; кремний

0,17-0,80; молибден 0,15-1,10; ванадий

0,15-0,45; хром 0,50 — 2,0; алюминий 0,002—

0,009; азот 0,003-0,012; сера 0,002-0,015; фосфор 0,002 — 0,015; цинк 0,0005 — 0,004; свинец 0,003-0,004; олово 0,0005-0,004; висмут 0,0001 — 0,003; сурьма 0,0005-0,003; железо остальное при выполнении следующих соотношений: сумма (фосфор 1 + цинк

+ олово + свинец +. висмут + сурьму)

< 0,027; отношение ванадий/углерод =

0,75-6,5; отношение алюминий/азот = 0,2—

4,5. 1 табл.

V 0,04-0,15; N 0,008 — 0,020; AI 0;005-0,015;

Си 0,1 — 0,5; Ni 0,1-0,5; Са 0;001-0,01.

Сталь предназначена для труб нефтяного сортамента с повышенной прокаливаемостью и коррозионной стойкостью, обладающих высокой устойчивостью к трещинообразованию. Однако эта сталь не может применяться для изделий, работающих в течение длительного времени.

Известна также сталь, наиболее близкая по легированию к предлагаемой, взятая за прототип, содержащая, мас. : С 0,200.25; Si 0,15 — 0,35; Мп 0,60-0,85; Ni 0,5 — 0,7;

Cr 0,9-1,2; Мо 0,35-0,45; V 0,05-0,10; Al

0,01-0,06 (или) N 0,005-0,025.

Однако сталь не может работать длительное время в условиях высоких температур и напряжений, так как в ней в результате

1754790 образования нитридов алюминия AIN наступает преждевременное разрушение.

Цель изобретения — пОвышение пластичности и срока службы. изделий при рабочих температурах 500 — 610 С.

Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, азот. дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, олово, свинец, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%: :

Углерод . 0.07-0,20

Марганец 0,40 — 1,50

Кремний 0.17-0,80

Молибден 0,15-1,10

Ванадий 0,15 — 0,45

Хром 0,50 — 2,0

Алюминий 0,002 — 0,009

Азот 0 002 — 0,012

Сера: 0,002-0,015

Фосфор 0,002 — 0,015

Цинк 0,0005 — 0,004

Свинец 0,0003-0,004

Олово 0,0005-0,004

Висмут, . 0,0001 — 0,003

Сурьма . 0,0005-0,003 причем сумма элементов Р+ Zn+ Sn+

РЬ+ BI+ $Ь<.0,027%, à V:C- 0,75-6,5 и

Al: й=0,2-4,5.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием серы (0,0020,015%), фосфора (0,002-0,015%), цинка (0,0005-0,004%). свинца (0,0005-0,004%), олова (0,0005-0,004%), 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 V:C=0,75-6,5 и

А!:N-- 0,2-4,5.

Сущность изобретения состоит в том, что сталь-прототип содержит алюминий (0,002-0,009 ), азот (0,002-0,012%) т.е. в тех количествах, при которых наблюдается отсутствие нитридной фазы. Превышение содержания алюминия свыше 0,009% приводит к образованию нитридов алюминия (AlN), а также к иному перераспределению карбидных фаз, Такое влияние алюминия отрицательно скаэцвается на длительной прочности стали. Уменьшение содержания алюминия менее 0.002% способствует получению металла плохого качества вследствие его нераскисленности. Превышение верхнего содержания азота О,012% ведет к образованию нитридных фаэ -AIN, VN вместо карбидных -ЧС: получение азота ниже приведенного в промышленных условиях в

20 включений — силикатов марганца

Введение молибдена и ванадия является обязательным с точки зрения обеспечения требуемого уровня свойств в сталях, работающих длительное время при ловышенных температурах и давлениях. Молибден. и ванадий способствуют упрочнению твердого раствора и стабилизации упрочняющих фаз.

Введение ванадия в количестве 0,150,45% способствует получению требуемого

30 количества карбида ванадия в стали, который стабилизирует свойства стали в течение длительного времени.

Превышение содержания ванадия свыше 0,45% приводит к образованию избыточного количесгва карбида ванадия и аыделекию этой фазы в виде скоплений, что отрицательно сказывается на пластичности стали. Понижение ванадия ниже 0,15% приводит к уменьшению количества карбида ва40 надия, а следовательно, и к отсутствию требуемых свойств.

Наличие в стали молибдена ниже 0,15% недостаточно для легирования твердого раствора и карбида ванадия, при увеличе45 нии содержания молибдена более 1,10 дополнительно образуются нежелательные карбиды на основе молибдена, влияние которых отрицательно сказывается на свойствах.

При,содержании хрома менее 0,50% не обеспечиваются требования по окалиностойкости стали, превышение содержания хрома более 2,0% приводит к образованию неметаллических включений — карбонитри55 дов хрома.

Сера и фосфор отрицательно влияют на свойства сталей, особенно работающих длительное время в условиях высоких температур и напряжений. Эти элементы, оболегированных сталях практически не достигается, Превышение углерода сверх 0,20% приводит к образованию излишнего количества карбидных фаэ- в основном МзС, а также к, их коагуляции. Уменьшение содержания углерода за указанные пределы не обеспечивает получения достаточного количества упрочняющих карбидных фаэ, а следовательно, и требуемого уровня прочностных свойств.;.

Введение марганца и кремния обусловлено необходимостью раскисления стали.

При содержании в стали марганца и кремния менее 0,40 и 0,17 соответственно сталь оказывается недостаточно раскисленной, при превышении содержания марганца выше 1,50 и кремния 0,80% резко повышается содержание в стали неметаллических

1754790 гащая приграничные объемы металла, при- торых понижает ка и к рочность, так и плаводят к ослаблению связей на границах зе- стичность стали, рен, что особенно важно учитывать для Предлагаемое соотношение элемейтов

ыло найдено экспериментальным сталей данного назначения, в стали было найдено э

Нижний предел содержания серы и фос- 5 путем и является оптимальным, посколькуфорз установлен исходя из возможностей позволяет получить ко л чить комплексный техничепромышленного оборудования, так как пол- ский эффект указа, указанныи в целевой части

0,002 каж учение содержания серы и фосфора менее формулы изобре . П тения. ри нарушении со (каждого) возможно лишь при про- отношения элементов „худша" т я ве ении с е и д и циальных экспериментов, что 10 стали,наблюдаетсяихнестабильностьиэфзначительно удорожает сталь, фект не достигается, О 015

Наличие в стали серы и фосфора свыше и иведены варианты осуществи о ретения, не иск/ (каждого) нежелательно, так как ленил использования йзоб приводит к ухудшению свойств. лючающие другие а б

П им угие варианты в объеме ния (см. та лицу), где римеси цветных металлов — свинец, 15 формулы изобретения (см. б ), цинк, олово, висмут, сурьма —. оказывают приведены дайные по длительной прочноотрицательное влияние на длительную сти при средней рабочей температуре 570, прочность стали, выделяясь на границах зе- а также при 610 С . рен в виде легкоплавкой эвтектики.. П р и ь е 1. М р и м е р . еталл состава 1 (cM, Получение каждого из этих элементов 20 таблицу) получают следующим об азам. (Zn ниже 00005 PO 0 (,;,0003; Sn 0,0005; Bi В сталеплавильной печи выплавляют щим о разом.

0,0001; Sb 0,0005) невозможно в прамыш- полупродукт из чистой по в т у виях, граничение верхнего сям (цинку, свинцу, олову, висмуту, сурьме)

Bi 0 003% ЯЬ 0 003/ предела Zn 0,004/o, Pb 0,004/, Sn 0,004/, шихты, полученной спец а и специальными метода- . д м прямого восста, Sb 0,003/,, вызвана крайне труд- 25 ми, например метода ной технологией «х получения — специаль- новленил же ез . С леза. одержание углерода в най и длительной обработкой шихты, полупродукте 0,07/,. Металл легируют мо,,э . процессе выпуска например, методом прямого восстанавле- либденом на 0,15,. В и о нил железа, рудно-термическим процессом проводят прямое легирование металла марии. В мет л или другими еще более сложными метода- 30 ганцем на 0,40 из оксидных ксидных MGTGpHBlloL c ми. металле обычной выплавки содержа- восстановлением кремния на 0,17 . Зта ние этих элементов находится HQ урсвне обеспечивает ар .т гарантированно низкое сосотых долей процента (каждога); такое вы- держа: ие фосфора и алюминия, особенно сокаесодержаниепримесейцветныхметал- при легиравании ма ган ем в и лав отрицательно сказывается на 35 0,7 — 1,5%. В отличие от ферромарганца окпластических характеристиках стали. сидные марганецсодержащи граничение содержания примесей имеюточень небольшоесодержаниефосфоцветных металлов — фосфора, цинка, свин- ра. Затем металл выпускают в ко ц, о а, висмута, сурьмы 0,027/ вызвано легируют хромом на 0 50о . По вш, где пол чением мет . осле выпуска талла с высокои прочностью 40 замеряют температуру металла и вакуумии пластичностью, так как в этом случае на- рушат его циркуляционным способом втечелюда атся чистые границы зерен от эвтек- ние 20 мин при остаточном давлении о15 " тических выделений, н м давлении до

Мбар. Десульфурацию стали проводят в

При нарушении соотношения Ч:С=0,75 — процессе внепечной обработки известковыконце вакуумиро6,5 изменяется структура стали; при содер- 45 ми шлаками на 0,002/. В жании менее 0,75 набл адается вания присаживают вайадий на 0,15 . недолегированность основной упрочняю- После вакуумирования металл разливают. В щей фазой — карбидом ванадия; в случае процессе выпуска и внепечной обработки соотношения более 6,5 в стали присутству- при необходимос ют г бые вы еления к х димости проводится корректиют гру ые выделения карбидных фаз, Такие 50 равка состава путем ввода добавок треб есл чалх нарушенил как в первом, так и ва втором мых элементов. При достижении за а у отрицательносказываютслнасвай- состава и соотношения V:C=0,75 — 6,5 и д нного ствах стали, в первую очередь длительных. Al:N=0,2 — 4,5, а также требуемой температуПри нарушении соотношения АЮ ме- ры ковш с металлам передают на разливку, и м е р . еталл состава 3 (см. нее 0,20 азот саединяетсл с ванадием, тем 55 Пример 2. M т 3 ( самым резко уменьшая количество основ- таблицу) выплавляют таким же:,способом. ной упрачняюЩей фазы — карбидов вана- Содержание углерода в полупродукте дия, при отношении более 4,5 образуются 0,20/. Металл легируют молибденом на скопления нитридов алюминия, наличие ко- 1,10/, затем проводят прямое легирование марга н цем на 1,50 о/ из аксидных материа1754790

7 лов с восстановлением кремния на 0,80%.

Металл во время выпуска в ковш легируют хромом на 2,0 . После вакуумирования присаживают ванадий на 0,45%, Далее как в первом варианте.

Формула изобретения

Молибден 0,15-1,10

Ванадий 0,15 — 0,45

Хром 0.50 — 2,0

Алюминий 0,002-0,009

5 . Азот 0,002-0,012

Сера 0,002-0,015

Фосфор 0,002-0,015

Цинк 0,0005-0,004

Свинец 0,0003-0,004

10 Олово 0,0005-0,004

Висмут 0,0001-0,003

Сурьма 0,0005-0,003

Железо Остальное при выполнении следующих соотноше15 ний: сумма (фосфор + цинк+ олово+ свинец

+ висмут+ сурьма). 0,027; отношение ванадий/углерод = 0,75-6,5; отношение алюминий/азот = 0,2-4,5, Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, азот, железо. отличающаяся тем, что, с целью повышения пластичности и срока службы изделий при рабочих температурах 500-6100С; она дополнител ьно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотношении компонентов, мас, :

Углерод 0,0?-0,20

Марганец 0,40 — 1,50

Кремний 0,17-0,80

Содержание элементов в стали, мас. 0

Пример, Si

Ио V Cr Al.

1,20

2,00

2,00

0,90

0,70

0,80

l,7О

2,20

0,90

3

5 б

8

10

Выходящая за заявляемые пределы .

0,001

O,0О3

0,030

0,005

0,06

0,05

0,025

0,05

11 0,05 0,20

12 0,20 1,60

13 0,27 2,00

14 О,OS5 1,80

15 0,06 0,30

16 0,29 2,20

17 0,05 1,70 18 0,29 2,20

0,009

0,020

0,002

0,010

0,012

0,027 .. а,а14

О, 017

О,2О 0,10 0,05

0,90 1,20 О, 14

0,95 1,50 0,05

0,15 0,22 0,60

1,00 1,80 0,70

0,12 2,05 0,04

0,93 1,95 0,73

0,12 2 ° 05 0,04

0,40

1,80

2,50

0,32

0,47

2,35

2,4

2,35

0,002

0,020

0,018

0,026

0,012

О,С07

0,022

0,007

0,002

0,020

0,017

0,021

Oi028

0,019

О,025

0,019

О, 022

0,028 а,а20

0,015

0,018

0,015

0,019

0,015

Прототип

Ю У. Ъ

19 0,20 0,60

20 0,22 0,70

21 0,25 0,85

22 0,20 0,60

0,01

0,04

0,06

О,С2

Ni

0,005 0,5

0,015 0,6

0,025 0,7

0,005 0,5

0,15 0,35 О, 05

0,20 0,40 0,08

0,35 0,45 0,10

0,15 0,35 0,05

О,9

1,0

1,2

0,9

0,07 0,40

0,13 0,90

0,20 1,50

0,07 1,50

0,15 1,20

0,20 0,60

0,10 0,70

0,17 1,00

0,16 1,30

О, 15 1,20

0,27

0,45

0,80

O,S0

0,40

0,70

0,75

0,50

0,40

0,40

0,.25 0,15

0,70 0,30

1,20 0,45

1,10 0,45

0,40 0,35

0,80 0,25

0,70 0,20

0,90 0,40

li00 0,30

0,40 0,35

О, 002

0,005

0,009

0,003

0,0025

0,009

0,003

0,005

0,007

0,025

Пр"длагаемая

0,002 0,002

О, 005 0 009

0,012 0,015

0,007 0,015

0,012 0 010

0,002 0,012

0,010 0,008

0,010 0,010

0,007 0,015

01022 0,010 сталь

0,002

О,009

0,009

0,002

0,010

0,015

0,012, 0,010

0,011

0,010

0,001

0,003

0,002

0,0009

0,0013

0,004

0,003

0,004

0,0009

1754790

Продолжение таблицы

Содержание элементов в стали, мас.

Соотношение

Температура исп., ФС

Пла сПример, 11 тичность

Ч!С Al/N

P+Zn+Sn+

Pb+Bi+Sb

Sn Bi

Предлагаемая сталь

1 0,0005 0,0039 2,14

0,0012 0,0152 2,30. 0,002 0,023 2,25

o,ool о,010 6,43

0 001 0,021 2,33

b,002 0,027 0,75

0,001 0,024 2;00

0,003 0,025 2,35

0,003 0,026 1,87

0 001 0 021 2,33

1,0 1700

1,0 1900

0,75 1780 о,43 185о

0,20 2010

4,5 1870

0,30 1790

0,50 1810

1,0 1800

0,20 1710

Выходящая эа эаявляемые пределы

1,0 0,5

0,70 О, 15

0,18 1,66

7,0 0,19

11,6 5,0

0,13 7,14

14,6 1, 14

0,13 7,14

Прототип

550 10,6 570

460 8,5 570

44о 2,8 57о

380 12,7 610 .I:

19

2.1

Составитель Л. Куликова

Редактор А.Миковская Техред М.Моргентал Корректор А.Осауленко

Заказ 2870 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035; Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1 0,0003

2 0,001

3 0,003

4 0 002

5 0,003

6 0,00<

7 0,003

8 0,003

9 0,004

10 . 0,003

11 0,02

12 0,01

13 0«005

14 0,010

15 0,013

16 0,013

l7 о о16

18 0,013

0,0005

0,002 .

0,004

0,002

0,004

0,004 .

0,002

0,003

0,002

0,004

0,008

0 Ol

0,005

0,008

0,015

0,007

O,Oll

0,007

0,000

0,001

0;002

0,001

0,002

0,001

0,002

0,003

0,002

0,002

0,01

0,005

0,001

0,008

0,016

0,009

O«010

0,009

0,007

0,02

0,005

0,01

0,006

0,008 . 0,012

О, 008

О,ojá

0,083

0,028

0,061

0„080

0,069

0,082 о,069

Время до раэрушения

6 =180, МПа

290

32,0 570

31,8 570

30,1 570

29,9- 570

30,3 570

30,0 570

30,2 570

30,1 570

30,0 570

32«5 F10

12,2 570

8,0 570

8,2 570

8.0 570

7,0 570

9,1 570

4«9 570

1о,1 61о