Феррито-перлитная литейная сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу феррито-перлитной литейной стали, используемой в судостроении, в частности, при производстве комплектующих элементов якорных цепей - вертлюгов, скоб, соединительных звеньев, и в других отраслях промышленности при изготовлении литых деталей сложной конфигурации, эксплуатирующих в морской воде и при пониженных температурах под воздействием значительных статических и циклических нагрузок. Технический результат изобретения выражается в повышении вязкости и пластичности, трещиноустойчивости при затвердевании отливок и сопротивляемости коррозионному растрескиванию поднапряжением. Конструкционная феррито-перлитная литейная сталь имеет компоненты при следующем соотношении масс. %: углерод 0,10 - 0,20, кремний 0,12 - 0,40, марганец 0,6 - 0,8, никель0,8 - 1,2, медь0,6 - 0,9 молибден 0,15- 0,20, церий 0,002 - 0,01,хром 0,04 - 0,3, железо - остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии литейных сталей, содержащих углерод, марганец, кремний, никель, мед, молибден и используемых в судостроении, в частности для комплектующих элементов якорных цепей (вертлюгов, скоб), эксплуатирующихся в морской воде под воздействием значительных статических и циклических нагрузок.

В настоящее время для изготовления указанных комплектующих элементов цепей применяются конструкционные стали перлитного класса марки 20 ГСНДМЛ и 16ГДНМЛ (авт.св. N 516578, N 492588, кл. C 2 C 38/15).

Указанные стали, обладая высокой прочностью, не обеспечивают требований по пластичности и вязкости в случае их использования, например, для комплектующих элементов судовых цепей. Уровень сопротивляемости усталостному разрушению сталей не позволяет обеспечивать требуемый ресурс работы изделий и надежность в эксплуатации при экстремальных условиях.

Одним из способов повышения пластичности и вязкости литейной стали перлитного класса является обеспечение мелкозернистой равномерной феррито-перлитной структуры, гарантирующей значительное повышение вязкости и пластичности материала, что достигается комплексным легированием марганцовистых сталей никелем, медью, церием.

Наиболее близкой по составу и технической сущности к заявляемой стали является сталь марки 16ГДНМЛ (авт.св. N 492588) прототип, содержащая в мас.

Углерод 0,15 0,22 Марганец 1,1 1,4 Кремний 0,5 0,9 Никель 0,8 1,15 Медь 0,6 1,25 Молибден 0,2 0,3 Кальций 0,05 0,1 Церий 0,05 0,1 Иттрий 0,05 0,1 Железо Остальное.

Сталь-прототип обладает достаточно высокими характеристиками прочности
σ_0,2≥ 550МПа, σ_в≥ 70 МПа
и сопротивляемостью коррозионному растрескиванию
,
где σ_м.в. напряжение разрушений образца в морской воде;
σ_в напряжение разрушения образца на воздухе.

Однако эта сталь имеет ряд недостатков:
недостаточно высокие характеристики вязкости и пластичности (δ≥15% kv^o≥50 Дж), что приводит к снижению долговечности изделий, эксплуатирующихся в условиях статических и циклических нагрузок в коррозионной среде;
невысокая трещиноустойчивость в процессе изготовления отливок, склонная к образованию горячих и холодных трещин, которые требуют значительных затрат на ремонт и могут являться концентраторами напряжений, вызывающих разрушение деталей при эксплуатации;
повышенная линейная и разветвленная объемная усадка.

Техническим результатом изобретения является создание литейной стали, обладающей повышенной пластичностью и вязкостью, высокой трещиноустойчивостью при затвердевании отливок, низкой линейной и объемнйой усадкой, а также высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению при пониженных температурах и коррозионному растрескиванию под напряжением. Сталь предназначена для изготовления литых деталей сложной конфигурации, работающих в морской воде в условиях повторно-статического нагружения.

На основании проведенных работ установлено, что поставленная цель достигается за счет снижения в марганце-никелевой стали содержания углерода кремния, меди, ограничения содержания марганца, молибдена и дополнительного введения хрома.

Предлагается сталь, содержащая мас.

Углерод 0,10 0,20
Кремний 0,12 0,40
Марганец 0,6 0,8
Никель 0,8 1,2
Медь 0,6 0,9
Молибден 0,15 0,20
Церий 0,002 0,01
Хром 0,04 -03
Железо Остальное.

Сталь может содержать примеси, мас.

Сера не более 0,03
Фосфор не более 0,035.

Условное обозначение стали 16ДНМЛ.

Предлагаемая сталь исследовалась на металле лабораторных и промышленных плавок по следующим характеристикам:
механические свойства проверены на 20 лабораторных и 3 промышленных плавках;
оценка сопротивляемости коррозионному растрескиванию под напряжением и хрупкому разрушению при пониженных температурах проводилась на 5 лабораторных и 3 промышленных плавках;
определение трещиноустойчивости при затвердевании и склонности к линейной и разветвленной объемной усадке проводилось на 5 лабораторных и 3 промышленных плавках.

Для сравнения исследовались механические свойства, сопротивляемость коррозионному расстрескиванию, хрупкому разрушению при пониженных температурах и литейные характеристики известной стали прототипа (таблица).

Определение механических свойств и сопротивляемости хрупкому разрушению при пониженной температуре (T_k) проводилась по ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, сопротивляемость коррозионному растрескиванию по методике ЦНИИКМ "Прометей", литейные свойства по методике Санкт-Петербургского государственного технического университета.

По сравнению с известной сталью-прототипом предлагаемая сталь обладает следующими преимуществами.

1. Более высокими характеристиками пластичности и вязкости, повышенной сопротивляемость коррозионному растрескиванию за счет снижения стали кремния (до 0,12 0,40%), углерода (до 0,10 0,20%), меди (до 0,6 0,9%).

Снижение содержания молибдена в стали до указанных пределов при уменьшении содержания углерода значительно замедляют скорость процессов карбидообразования и гарантирует отсутствие в структуре специальных карбидов, охрупчивающих сталь. Ограничение и снижение в стали содержания меди, снижает склонность стали к дисперсионному твердению, что способствует повышению вязкости металла.

Суммарное уменьшение количества углерода, кремния и молибдена, снижающих скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, позволяет получить в структуре стали увеличенное количество ферритной составляющей, обеспечивающей повышенную пластичность материала.

2. Более высокой трещиноустойчивостью в процессе затвердевания, благодаря снижению в стали содержания углерода, марганца и кремния, что снижает температурный интервал образования горячих трещин и значительно уменьшает фазовые напряжения в температурном интервале образования холодных трещин.

3. Более равномерной мелкозернистой структурой в различных сечениях отливки, высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению при пониженных температурах, благодаря введению сталь церия в количестве 0,002 0,01% по массе, измельчающего первичное зерно.

Указанные преимущества позволяют использовать предлагаемую сталь для изделий ответственного назначения, имеющих сложную конфигурацию, работающих в морской воде под воздействием ударных и циклических нагрузок, также в условиях крайнего севера при пониженных температурах.

Для получения требуемых механических свойств отливки из предлагаемой стали подвергаются нормализации при температуре 980^o C, закалке при 950^o C и отпуску при 630 660^o C с охлаждением в воде.

В термически обработанном состоянии структура стали представляет мелкодисперсную феррито-перлитную смесь (отпущенний нижний бейнит).

Приведенный выше режим термической обработки обеспечивает следующий уровень механических свойств стали:

Критическая температура перехода от вязкого в хрупкое состояние при динамическом нагружении (T_k) составляет 30^o C.

Предлагаема сталь обладает хорошей технологичностью при литье и может быть использована для отливок сечением до 130 мм, в том числе комплектующих элементов якорных цепей (вертлюгов и скоб) калибром (максимальным сечением до 107 мм).

При использовании предлагаемой стали для изготовления вертлюгов и скоб (взамен применяемых в настоящее время стали марок 16ГДНМЛ и 207СНДМЛ) может быть получен значительный экономический эффект за счет повышения срока службы деталей в 1,5 2 раза.

Формула изобретения

Феррито-перлитная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, медь, молибден, церий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,1 0,2
Кремний 0,12 0,40
Марганец 0,6 0,8
Никель 0,8 1,2
Медь 0,6 0,9
Молибден 0,15 0,20
Церий 0,002 0,01
Хром 0,04 0,3
Железо Остальное
при этом суммарное содержание углерода, кремния и молибдена не выше 0,78.

РИСУНКИ

Рисунок 1