теплостойкая сталь для водоохлаждаемых изложниц

Формула изобретения

1. Теплостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, цирконий, церий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфор, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,16-0,25
кремний	0,10-0,60
марганец	0,60-1,20
хром	1,5-2,50
никель	0,60-1,50
молибден	0,18-0,75
ванадий	0,08-0,15
алюминий	0,001-0,008
медь	0,30
сера	0,006
фосфор	0,008
азот	0,005-0,02
цирконий	0,001-0,004
кальций	0,005-0,02
церий	0,005-0,03
железо	остальное

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание алюминия кальция и церия составляет 0,0110-0,05 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким сталям, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы при изготовлении водоохлаждаемых изложниц для центробежных высокоскоростных машин.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении водоохлаждаемых изложниц для производства центробежно-литых труб. Нагрев рабочей поверхности изложницы расплавленным металлом и спреерное охлаждение водой наружных поверхностей изложницы вызывает значительные напряжения. Изобретение может быть также использовано в других отраслях промышленности.

Изложницы, изготовленные из стали 30, имеют низкую стойкость 90-110 наливов при отливке нержавеющих и углеродистых сталей соответственно.

Для обеспечения высокой эксплуатационной стойкости изложниц сталь, применяемая для изложниц, должна иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и высокую трещиноустойчивость при циклических нагревах и охлаждениях.

Известна сталь, применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, мас.%:

Углерод	0,10-0,28
Кремний	0,05-0,37
Марганец	0,17-0,50
Хром	2,50-3,30
Молибден	0,60-0,80
Ванадий	0,20-0,40
Никель	0,05-0,40
Медь	0,03-0,30
Алюминий	0,01-0,10
Азот	0,005-0,02
Кальций	0,001-0,005
Сера	0,002-0,015
Фосфор	0,002-0,015
Олово	0,001-0,004
Мышьяк	0,002-0,005
Сурьма	0,001-0,005
Цирконий	0,003-0,010
Ниобий	0,001-0,030
Натрий	0,001-0,005
Железо	остальное

(см. патент РФ RU 2241061 С2, кл. С22С 38/60).

Недостатком данной стали являются плохие литейные характеристики и нестабильность ударной вязкости из-за разброса интервала легирования, особенно по содержанию углерода.

Известна также литейная сталь следующего состава, мас.%:

Углерод	0,11-0,13
Кремний	0,17-0,37
Марганец	0,90-1,40
Хром	0,80-2,50
Никель	0,20-0,60
Молибден	0,10-0,80
Ванадий	0,03-0,14
Окислы редкоземельных металлов	0,10-0,50
Ниобий	0,01-0,06
Железо	остальное

(см. патент РФ RU 2083716 С1, кл. С22С 38/48)

Недостатком данной литейной стали является отсутствие регламентации по примесям (S, P и др.), что существенно снижает качество отливок и разброс данных по механическим свойствам из-за большого интервала легирования по хрому и молибдену. Данная сталь обладает также пониженной трещиноустойчивостью в условиях работы изложницы центробежных машин (нагрев до высоких температур внутренней зоны изложницы - охлаждение водой наружной зоны), особенно, при содержании ингредиентов на нижнем уровне.

Наиболее близкой к предложенному сплаву по технической сущности и достигаемому результату является сталь (см. патент Великобритании 1558731, кл. С7А,) следующего состава, мас.%:

Углерод	0,05-0,20
Кремний	0,01-0,50
Марганец	0,60-2,00
Хром	0,80
Никель	0,10-0,60
Молибден	0,10-0,80
Ванадий	0,01-0,15
Ниобий	0,01-0,15
Цирконий	0,01-0.10
Титан	0,01-0,10
Бор	0,0005-0,005
Медь	0,20-0,60
Алюминий	0,01-0,10
Сера	0,002
РЗМ	0,008-0,03
Железо	остальное

Недостатками известной стали является низкая эксплуатационная стойкость водоохлаждаемых изложниц для центробежной машины, из-за низких прочностных свойств при разогреве изложницы и низкая трещиноустойчивость при термоциклировании.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной стойкости водоохлаждаемых изложниц за счет увеличения прочностных свойств при нагреве и трещиноустойчивости при термоциклировании.

Предлагаемая теплостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, серу, церий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит фосфор, азот и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,16-0,25
Кремний	0,10-0,60
Марганец	0,60-1,20
Хром	1,5-2,50
Никель	0,60-1,50
Молибден	0,18-0,75
Ванадий	0,08-0,15
Алюминий	0,001-0,008
Медь	0,30
Сера	0,006
Фосфор	0,008
Азот	0,005-0,02
Цирконий	0,001-0,004
Кальций	0,005-0,02
Церий	0,005-0,03
Железо	остальное

При этом суммарное содержание остаточного алюминия, кальция и церия составляет 0,011-0,05 мас.%.

Необходимость совместного введения циркония, церия и кальция обусловлена характером их воздействия на свойства стали. Церий улучшает форму неметаллических включений, снижает в стали содержание кислорода и серы, уменьшает количество сульфидных включений, очищает границы зерен и измельчает структуру, что повышает прочность стали и увеличивает трещиноустойчивость стали. Введение циркония усиливает воздействие церия на свойства стали: дендритные и пленочные включения становятся компактными, более мелкими и равномерно расположенными в объеме отливки. Дополнительными факторами повышения трещиноустойчивости являются дальнейшее измельчение первичной структуры, уменьшение в растворе содержания кислорода и повышение прочностных и пластических свойств в рабочем интервале температур.

Совместное введение в сталь циркония, церия и кальция увеличивает стойкость к окислению в условиях циклических изменений температуры, что также увеличивает трещиностойкость стали. Образующиеся совместные окислы имеют более близкие коэффициенты теплового расширения с основным металлом, что способствует увеличению стойкости окалины к отслоению в стадии остывания, за счет повышенной пластичности окислов, позволяя им расширяться и сжиматься вместе с основным металлом. Все это приводит к повышению трещиноустойчивости стали и ее эксплуатационной стойкости.

Таким образом, совместное введение циркония, церия и кальция обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости за счет высокой прочности при рабочих температурах и трещиноустойчивости.

При содержании циркония, церия и кальция ниже нижнего предела их воздействие на прочность и трещиноустойчивость стали не эффективно, а при содержании их верхнего предела снижается трещиноустойчивость и прочность стали, что связано с избыточным обогащением бывших границ зерен крупными неметаллическими включениями.

Предлагаемая сталь отличается от известной тем, что суммарное содержание алюминия, кальция и церия составляет 0,011-0,05 мас.%. Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании со сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает пластичность, ударную вязкость и окалиностойкость, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указанных пределах повышается окалиностойкость предложенной стали, что повышает трещиноустойчивость стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела суммарного содержания их воздействие на теплостойкость (трещиноустойчивость) мало эффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания снижается стойкость к окислению и уменьшается теплостойкость предложенной стали.

Остаточное содержание алюминия в стали составляет 0,001-0,008 мас.%. При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению количества оксидных включений и снижению прочностных свойств стали. При увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики теплостойкости и ударной вязкости стали, что обусловлено дополнительным выделением на границе зерен нитридов алюминия.

Введение в состав стали лимитированного содержания активных элементов кальция и церия в сочетании со сбалансированным содержанием остаточного алюминия благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает пластичность, ударную вязкость и окалиностойкость, что приводит к повышению служебных и технологических свойств стали.

Церий в присутствии кальция улучшает стойкость против окисления. При суммарном введении церия и кальция в указанных пределах повышается окалиностойкость предложенной стали, что повышает трещиноустойчивость стали.

При содержании кальция и церия ниже нижнего предела суммарного содержания их воздействие на теплостойкость мало эффективно, а при содержании их выше верхнего предела суммарного содержания снижается стойкость к окислению и уменьшается теплостойкость предложенной стали.

Предлагаемая сталь характеризуется. оптимальным содержанием углерода 0,16-0,25 мас.%, против 0,05-0,20 мас.% в прототипе, что обеспечивает высокую технологичность при центробежном литье. Вместе с тем такое содержание углерода для предлагаемой стали обеспечивает необходимую прочность и трещиноустойчивость.

При содержании углерода ниже нижнего предела его воздействие на служебные свойства стали мало эффективно, так как при содержании углерода 0,05 мас.% (как у прототипа) снижаются механические свойства и усложняется технология при центробежном литье.Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием кремния 0,10-0,60 мас.%,

против 0,01-0,50 мас.% в известной стали, что вполне достаточно для хорошо раскисленных сталей.

При содержании кремния ниже нижнего предела его воздействие на свойства стали малоэффективно, а при содержании кремния выше верхнего предела прочность и окалиностойкость повышаются, но снижается ударная вязкость.

Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием хрома 1,50-2,50 мас.%, против не более 0,80 мас.%, что обеспечивает высокую прокаливаемость и более высокую окалиностойкость.

При содержании хрома ниже нижнего предела его действие на прокаливаемость менее эффективно, а при содержании хрома выше верхнего предела прокаливаемость и окалиностойкость несколько увеличивается.

Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора до 0,008 мас.%, против нет ограничений в стали-прототипе, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости. При повышении содержания легкоплавких примесей серы и фосфора выше заявленных пределов резко увеличивается неоднородность структуры стали, что в свою очередь снижает теплостойкость стали и соответственно трещиноустойчивость.

Предлагаемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием азота 0,005-0,02 мас.%, что способствует увеличению прочности за счет образования нитридов и карбонитридов ванадия и хрома. Высокодисперсные нитриды и карбонитриды этих элементов тормозят рост зерен при нагревании, что способствует сохранению высокой ударной вязкости и высокой трещиноустойчивости.

При содержании азота ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость и трещиноустойчивость данной стали мало эффективно, а при содержании азота выше верхнего предела несколько повышается прочность, но снижается ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами и соответственно снижается трещиноустойчивость.

В таблице 1 приведены химический состав предлагаемой стали трех плавок (1, 2, 3), а также состав стали прототипа (4).

Выплавку проводили в 150-кг индукционной печи, с разливкой металла на центробежнолитые заготовки на лабораторной установке, из которых изготавливались образцы для определения механических свойств и трещиноустойчивости.

В таблице 2 приведены данные о трещиноустойчивости и прочности предлагаемой стали при нагреве до рабочих температур в интервале 20-700 °C.

Трещиноустойчивость определялась путем скоростного нагрева на установке ТВЧ до температуры 700 °C, выдержке при этой температуре 15 сек и спреерном охлаждении водой образцов диаметром 15 мм, длиной 20 мм.

Характеристики прочности при комнатной температуре определяли при испытании на растяжение на цилиндрических образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Для определения работоспособности стали при температуре 700 °C проводили определение предела прочности на образцах пятикратной длины с диаметром расчетной части 6 мм по ГОСТ 9651-73 (см. таблицу 2).

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь имеет более высокую трещиноустойчивость и прочность при нагреве, чем сталь-прототип.

Использование предложенной стали в качестве материала для водоохлаждаемых изложниц центробежных машин по сравнению с прототипом позволит повысить эксплуатационную стойкость этих изложниц на 55%.

Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО «Тяжпрессмаш», г.Рязань.

	Таблица 1
	Химический состав стали
Состав стали	Содержание компонентов, мас.%
	C	Si	Mn	S	Р	Cr	Ni	Mo	Cu	V	Zr	Nb	N	Al	Ce	Ca	В
1	0,16	0,10	0,60	0,002	0,003	1,50	0,60	0,18	0,10	0,08	0,001	-	0,005	0,001	0,005	0,005	-
2	0,10	0,30	0,90	0,004	0,002	2,00	0,80	0,50	0,25	0,10	0,002	-	0,06	0,002	0,010	0,010	-
3	0.25	0,60	1,20	0,006	0,007	2,50	1,50	0,75	0,30	0,15	0,004	-	0,02	0,008	0,03	0,020	-
4	0,07	0,10	0,30	0.025	0.03	0,80	0,20	0,10	0,60	0,12	0,08	0,13	0,01	0,10	0,004	0,003	0,003

Таблица 2
Механические свойства и трещиноустойчивость стали при нагреве до 700 °C и охлаждении до 20 °C
Состав стали	Предел прочности b, Н/мм2 при температурах испытания, °C		Число циклов до появления первой трещины
	20	700
1	750	210	745
2	790	220	750
3	810	230	780
4	560	185	580