Сталь

1754790 А ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКЕСПУБЛИК я)5 С 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЗОБРЕТЕЕТЕЛЬСТВУ А НИ АВТОРСКОМУ С 2 ельП, Синельников,нок, В.И, Столяр реев, В.Н. Фил ижик, Ю,К. Петре ков 62-4854, кл. С 2 ургиВ.М. и н ит к металлургии; щей увеличенинее при рабоиии/Изобретение относится к металлургии, Ч 0,04-0,15; й 0,008 - 0,020; А 0;005-0,015; конкретнее к сплавам на железной основе, СО 0,1 - 0,5; В 0,1-0,5; Са 0;001-0,01.Известна низколегированная сталь, со- Сталь предназначена для труб нефтянодержащая,мас.ф 6:С 0,10-0,15;Мп 0,40-0,70; го сортамента с повышенной прокаливае- Я 0,17 - 037; Сг 0,9 - 1,2, Мо 0,25 - 0,35; Ч мостью и коррозионной стойкостью, 0,15-0,30; Я до 0,040; Р до 0,040(ГОСТ 5520-. обладающих высокой устойчивостью к тре). щинообразованию. Однако эта сталь не моПосле термической обработки сталь жетприменятьсядля изделий, работающих рассчитана на срокслужбы 100.000 ч и име- в течение длительного времени.ет пределы длительной прочности за это вре- Известна также сталь; наиболее близмя при температурах: 540 С - 100 МПА, кая по легированию к предлагаемой, взятая 570 С - 80 МПа, 610 С - .50 МПа, за прототип, содержащая, мас.%: С 0,20 Основным недостатком этой стали явля,25; 8 0,15-0,35; Мп 0,60-0,85; й 0,5 - 0,7; етсято,чтоонанеможетбытьиспользована Сг 0,9-1,2; Мо 0,35-0,45; Ч 0;05-0,10; А для работы свыше 100,000 ч 0,01-0,06 (или) й 0,005-0,025.Известна сталь, содержащая, мас.6; С Однако сталь не может работать дли,25-0,35; Мп 0,8-1,6; 9 0,4 - 0,9; Сг 0,3-0,6; тельное время в условиях высоких температур и напряжений, так как в ней в результатеФ(71) Центральный науский институт чернойБардина и Оскольскийческий комбинат(57) Изобретение относконкретно к стали, облаем срока службы издел них температурах 500-610 С, а также высокой пластичностью. Сталь дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму приСледующем"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.образования нитридов алюминия АМ насту. пает 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 Молибден0,15-1,10 Ванадий 0,15 - 0,45 Хром 0,50 - 2,0 Алюминий 0,002 - 0,009 Азот 01002 - 0,012 СераО 002-0 015 Фосфор 0,002-0,015 Цинк0,0005 - 0,004 Свинец 0,0003-0,004 Олово0,0005-0,004 Висмут, 0,0001 - 0,003 Сурьма . 0,0005-0,003 причем сумма элементов Р+ Лп+ Зп+ РЬ+ В+ ЗЬ 0,027%, а Ч:С,75-6,5 и А:8=0,2-4,5.Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая сталь отличается от известной дополнительным содержанием серы (0,002- 0,015%), фосфора (0,002-0,015%), цинка (0,0005-0,004%), свинца (0,0005-0,004%), олова (0,0005-0,004%), висмута (0,0001- 0,003%), сурьмы (0,0005-0,003%), причем сумма элементов фосфора, цинка, свинца, олова, висмута, сурьмы не должна превышать 0,027%, а отношение Ч:С=0,75-6,5 и А:й= 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 (АМ), 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 0,012% ведет к образованию нитридных фаэ -АВ, Чй вместо карбидных -ЧС, получение азота ниже приведенного в промышленных условиях влегированных сталях практически не достигается,Превышение углерода сверх 0,20% приводит к образованию излишнего количествакарбидных фаэ- в основном МзС, а также к,их коагуляции, Уменьшение содержания углерода за указанные пределы не обеспечивает получения достаточного количестваупрочняющих карбидных фаэ, а следовательно, и требуемого уровня прочностныхсвойств.;.Введение марганца и кремния обусловлено необходимостью раскисления стали.При содержании в стали марганца и кремния менее 0,40 и 0,17% соответственносталь оказывается недостаточно раскисленной, при превышении содержания марганцавыше 1,50 и кремния 0,80% резко повышается содержание в стали неметаллических 10 15 20 включений - силикатов марганца Введение молибдена и ванадия является обязательным с точки зрения обеспечения требуемого уровня свойств в сталях, работающих длительное время при повышенных температурах и давлениях. Мои,бден. и ванадий способствуют упрочнению твердого раствора и стабилизации упрочняющих фаз.Введение ванадия в количестве 0,15- 0,45% способствует получению требуемого . количества карбида ванадия в стали, который стабилизирует свойства стали в течение длительного времени,Превышение содержания ванадия свыше 0,45% приводит к образованию избыточ 30 35 торых 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 - карбонитри 50 55 до в хрома. Сера и фосфор отрицательно влияют на свойства сталей, особенно работающихдлительное время в условиях высоких температур и напряжений. Эти элементы, обоного количесгва карбида ванадия и выделекию этой фазы в виде скоплений, что отрицательно сказывается на пластичностистали. Понижение ванадия ниже 0,15% при водиткуменьшениюколичествакарбидаванадия, а следовательно, и к отсутствию требуемых свойств.Наличие в стали молибдена ниже 0,15%недостаточно для легирования твердого 45 раствора и карбида ванадия, при увеличении содержания молибдена более 1,10% дополнительно образуются нежелательные карбиды на основе молибдена, влияние ко1754790гащая приграничные объемы металла, при- торых понижает как прочность, так и плаводят к ослаблению связей на границах зе- стичнасть стали,рен, что особенно важно учитывать для Предлагаемое соотношение элемейтовсталей данного назначения,в стали было найдено э сйдено экспериментальнымНижний предел содержания серы и фос путем и является оптимальнйм, посколькуфорз установлен исходя из возможностей позволяет получить комплексный техничепромышленного оборудования, так как пол- ский эффект, указанный в целевой частиучение содержания серы и фосфора менее формулы изобретения, При нар е,00(каждого) возможно лишь при про- отношения элементов ухудшаютсясвойстваведении специальных экспериментов, что 10 стали, наблюдается их нестабильность и эфзначительно удорожает сталь, фект не достигается,Наличие в стали серы и фосфора свыше Ниже приведены варианты осуществ 0,0150(каждого) нежелательно, так как ления использованияЙзоби о ретения, не искприводиткухудшениюсвойств. лючающие другие варианты в объемеПримеси цветных металлов - свинец, 15 формулы изобретения (см. таблицу), гдецинк, 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 м е р 1. Ме аеталл состава 1 (см,Получение каждого из этих элементов 20 таблицу) получают следующим образом.(Ъч ниже 0,0005; РО 0,0003; Яп 0,0005; В В сталеплавильной печи выплавляют0,0001; ЯЬ 0,0005) невозможно в прамыш- полупродукт из чистой по цветным приме-,ленных условиях, Ограничение верхнего сям (цинку, свинцу оло )и е ела 7 п 0004/ р О О/ 0предела и Ра 0,004 , Яп 0,0040 , шихты, полученной специальными мета0тода- .Ы 0,003, ЯЬ 0,003, вызвана крайне труд ми, например методом "прямого" восстад ржание углерода вной технологией их получения - специаль- навления железа. Содержа у р днай и длительной обработкой шихты, полупродукте 0,070 . Металл легируют монапример, методом прямого восстанавле- либденам на 0 1" . В процессе выпускания железа, рудно-термическим процессом проводят прямое легирование металла мар.или другими еще более сложными метода ганцем на 0,40 из оксидных материалов сми, В металле обычной выплавки содержа- восстановлением кремнияна 0,17%. Этание этих элементов находится нэ урсвне обеспечивает гарантированно низкое сосотых долей процента (каждого); такое вы- держа: ие фосфора и алюминия, особенносокае содержание примесей цветных метал- при легиравании марганцем в интервалелав отрицательно сказывается на 35 0,7 - 1,50 . В отличие от ферромарганца акр щие материалыпластических характеристиках стали. сидные марганецсодержацвОграничение содержания примесей имеюточеньнебольшоесодержаниефо ф:; етных металлов - фосфора, цинка, свин- рэ. Затем металл выпусф сфо, т лл выпускают в ковш, гдеца, олова, висмута, сурьмы 0,027 вызвано легируют хромом на 0,50 . После выпускаполучением металла с высокой прочностью 40 замеряют температуру металла и вакуумии пластичностью, так кэк в этом случае на- . рушат его циркуляционным способом втечен м давлении до 1людаатся чистые границы зерен от эвтек- ние 20 мин при остаточном а15тических выделений, Мбар. Десульфурацию стали проводят вПри нарушении соотношения Ч:С=0,75 - процессе внепечной обработки известковы 6,5 изменяется структура стали; при содер ми шлаками на 0,0020 . В конце вакуумирожании менее 0,75 набладается вания присаживают вайа ий нэ 0,150 ,недолегированность основной упрочняю- После вакуумирования металл разливают. Вщей фазой - карбидом ванадия; в случаепроцессе выпуска и внепечной обработкисоотношения более 6,5 в стали присутству- при необходимости проводится корректиют грубые выделения карбидных фаз, Такие 50 равка состава путем ввода добавок треб енарушения как в первом, так и ва втором мыхэлементов. При достижениизаданногослучэяхотрицательносказываютсянасвой- состава и соотношения Ч:С=0,75 - 6,5 иствах стали, в первую очередь длительных, А 1:И=0,2 - 4,5, а также требуемой темперар ру ении соотношения АЯ ме- ры ковш с металлом передают на разливку,нее 0,20 азот соединяется с ванадием, тем 55 П р и м е р 2. Металл состава 3 (см.самым резко уменьшая количество основ- таблицу) выплавляют таким же.,способом.ной упрачняющей фазы - карбидов вана- Содержание углерода в полупродуктедия, при отношении более 4,5 образуются 0,200 , Металл легируют молибденом наскопления нитридов алюминия, наличие ко,100 , затем проводят прямое легированиемарганцем на 1,500 из аксидных мэтериэ1754790 7лов с восстановлением кремния на 0,80%. Металл во время выпуска в ковш легируют хромом на 2,0 ф. После вакуумирования присаживают ванадий на 0,45%, Далее как в первом варианте.Формула изобретения Молибден 0,15-1,10Ванадий 0,15 - 0,45Хром 0,50 - 2,0Алюминий 0,002-0,0095 . Азот 0,002-0,012Сера 0,002-0,015Фосфор 0,002-0,015Цинк 0,0005-0,004Свинец 0,0003-0,0041 О Олово 0,0005-0,004Висмут 0,0001-0,003Сурьма0,0005-0,003Железо Остальноепри выполнении следующих соотноше 15 ний: сумма (фосфор + цинк+ олово+ свинец+ висмут+ сурьма), с 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. о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения пластичности и срока службы изделий при рабочих температурах 500-610 С; она дополнительно содержит серу, фосфор, цинк, свинец, олово, висмут, сурьму при следующем соотно шении компонентов, мас,:Углерод 0,0-0,20 Марганец0,40 - 1,50 Кремний 0,17-0,80йСодержание элементов в стали, мас.З При- мер,Еп Ио 7 Сг А 1 редда аль 0,009 0,009 0002 0,010 О 015 0.15 0)15 О 50 0,70 0,30 1,20 1,10 0,45 2,00 11 О 0)45 200 0,40 0,35 0,90 0,80 О, 15 0,70 0,70 0,20 0,80 0,90 о,4 о 1,7 о 1,00 0,30 1,20 0,40 0,35 0,90 0,012 0,010 0,011 0,010 вляемы ящая за за 0,001 0,003 0,030 0,005 0,06 0,05 0,025 0,05 О, 1 О О,О 5 0,4 О1,20 0,14 1,801,50 О, 05 2,50О 12 О 60 О 321,80 0,70 0,472,05 0,04 2,35195 0,73 2,42,05 0,04 2,35 0,002 0,020 0,018 0 026 0,002 0,020 о,а 7 0,021 0,018 О 019 0,025 0,011 0,20 0,10 1)60 0,90 2,00 0,95 1,80 0,15 0,30 1,002,20 0,12 1,70 0,932)20 О) 12 0,05 0,20 0,27 о,о 85 0,06 0,29 0,05 0,29 0,022 0,018 а,оа 0,015 0,018 0,015 0 О 9 0,015 0,009 0,020 0,002 0,010 0,012 0,017 .0,014 О, 017 13 14 15 0,012 0,007 0,022 0,007Про 17 18 19 20 о Их 0,5 0,6 0,7 0,50,01 0,20 0,22 0,25 0,20 0,60 0,15 0,70 0,20 0,85 0,35 0,60 0,15 0,35 0,05 09 0,40 0,08 1,0 0,45 О,О 1,2 0,35 005 0,9 0,005 0,015 0,025 0,0050,0 22 О,1 0,07 0,40 0,17 г о,3 о,90 0,45 3 0,20 1,50 0,80о,о 7 1,50 о,зо 5 0,15 1,20 0,406 0,20 0,60 0,70 7 0,10 0,70 0,75 8 0,17 1,00 0,50 9 0,16 1,30 0,40 1 О 0,15 1,20 0,40 О, 0020,0050,0090,0030,0020,0090,0030,0050,0070,025 0,002 0,005 0,012 0,007 0,012 0,002 0,010 0,010 о,оо 7 0,012 Выход гаемая с 0,002 0,009 0,015 0,015 0,010 0,012 0,008 0,010 0,015 0,010 0000,0010,0030,0020,00090,00130,0040,0030,004а,ооо 9 .пределы,1754790 Продолжение таблицы Содержание элементов в стали, мас,Соотношение Времядоразрущения6 =180МПа Температура ПласПримерУ тичР+2 п+Бп+ РЪ+В.+ЗЬ Ч(С А 1/ Ъ Зп ностьо, 3 Предлагаемая ст5 0,0001 0,0005 0,00390,00 . Оуоо 2 0,0152О;002 . 0,002 0,0230,001 0,001 0,0100,002 0,00 0,0210,001 Ь,002 0,0270,002 0,001 0,0240,003 0,003 0,0250,002 0,003 0,0260,002 0,001 0,021Выходящая эа эаявля ль2,4 1,О .1700 2,30 1,О 1900 2 э 25 Оэ 75 1780 6,43 О,43 850 2,33 0,20 2010 0,75 4,5 1870 2;00 0,30 790 .2,35 0,50 1810 187 1 О 1800 2,33 0,20 1710. емые пределы 32,031,30 1 0,0003 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 ,) 0,002 0,0020,003 0,0040,004 0,004 0,003 0,002 0,003 0,003 0004 0002 . 0,003 0,004 3 7 8 9 1,0 О 0,70 0 0,18 1 7,0 0 1,б 5 0.13 7 14,6 1 О,3 7 ототип 550 10,6 570460 8,5570440 2,8 570380 12,7 610.I 19 20 2.1 22 ктор А.Осауленко Составитель Л.КуликовТехред М,Моргентал едактор А.Миковская Заказ 2870 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035; Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 П