Патент на изобретение №2354739
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СТАЛЬ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к экономнолегированным сталям, используемым при изготовлении коленвалов сечением до 500 мм дизелей морских судов методом ЭШП. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, кальций, церий, серу, фосфор и железо при следующее соотношение компонентов, мас.%: углерод 0,051-0,10, кремний 0,10-0,40, марганец 4,55-5,25, никель 1,8-2,35, молибден 0,45-0,60, ванадий 0,11-0,20, ниобий 0,03-0,10, алюминий 0,003-0,025, титан 0,003-0,008, азот 0,011-0,025, кальций 0,001-0,025, церий 0,021-0,025, сера
Изобретение относится к области металлургии, а именно к экономнолегированным сталям, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для отливок крупногабаритных коленвалов дизелей морских судов. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении методом электрошлакового переплава (ЭШП) коленвалов сечением 500 мм с пределом текучести не менее 590 Н/мм2 для дизелей морских судов. Применяемая для этих целей сталь 34ХН1МА (ГОСТ 8479-70) хорошо себя зарекомендовала при производстве кованых коленвалов, однако при изготовлении литых коленвалов методом ЭШП эта сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства, и, кроме того, для получения высоких механических свойств в процессе термообработки коленвалов требуется охлаждение в масле, что требует дополнительных площадей для установления масляных баков. Известна сталь, применяемая для таких целей, состоящая из следующих компонентов, мас.%:
(см. авт. свид. Недостатком этой стали является склонность к росту зерна отливок коленвала в процессе их изготовления методом ЭШП, что приводит к снижению уровня механических свойств, вязкости и пластичности. Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому результату является сталь следующего состава, мас.%:
(см. JP 2005- 060795 А, С22С 38/14, 10.03.2005) Недостатком этой стали является нестабильность получаемых свойств, так как при колебании содержания углерода, марганца, никеля, молибдена и других элементов от нижнего уровня легирования к верхнему в пределах марочного состава происходит изменение структуры стали. При различном соотношении ингредиентов структура стали может быть перлитной, бейнитной и мартенситной. Наличие такого многообразия структур вызывает трудности в получении стабильных свойств с Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, кальций, церий, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием углерода 0,051-0,10 мас.%, против 0,05-0,15 мас.% в прототипе, что обеспечивает высокую технологичность в переплавных процессах и сварке. Вместе с тем такое содержание углерода для предлагаемой композиции обеспечивает высокую прочность. При содержании углерода ниже нижнего предела его воздействие на технологические служебные свойства стали малоэффективно, так как снижаются механические свойства за счет уменьшения содержания углерода в твердом растворе, кроме того, получение стали с содержанием углерода ниже 0,051 мас.% приводит к усложнению технологии выплавки и ее удорожанию, а при содержании углерода выше верхнего предела происходит повышение прочностных характеристик с одновременным резким снижением ударной вязкости за счет увеличения количества карбидов. Кроме того, при содержании углерода на верхнем уровне стали прототипа (0,15 мас.%) сталь склонна к образованию горячих трещин в процессе производства заготовок методом ЭШП. Предлагаемая сталь характеризуется оптимальным содержанием кремния 0,10-0,40 мас.%, против При содержании кремния ниже нижнего предела его воздействие на свойства стали малоэффективно, а при содержании кремния выше верхнего предела прочность повышается, но резко снижается ударная вязкость стали и технологичность в процессе ЭШП. Предлагаемая сталь отличается от известной большим содержанием никеля 1,80-2,35 мас.%, против При содержании никеля ниже нижнего предела прочностные характеристики для стали сечением 500 мм снижаются за счет уменьшения прокаливаемости. Повышение содержания никеля выше верхнего предела 2,35 мас.% нецелесообразно, так как требуемый уровень свойств уже обеспечен предлагаемым легированием. Предлагаемая сталь отличается от известной рациональным содержанием молибдена 0,45-0,60 мас.%, против При содержании молибдена ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость менее эффективно, а при содержании молибдена выше верхнего предела некоторое повышение прочности и ударной вязкости и пластичности вступает в противоречие с экономической целесообразностью. Предлагаемая сталь отличается от известной повышенным содержанием ванадия 0,11-0,20 мас.%, против При содержании ванадия ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании ванадия выше верхнего предела снижается прочность и ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами ванадия. Предлагаемая сталь отличается от известной меньшим содержанием остаточного алюминия 0,003-0,025 мас.%, против При содержании остаточного алюминия ниже нижнего предела в условиях ограничения по содержанию кремния не обеспечивается эффективное раскисление стали, что приводит к увеличению оксидных включений и снижению прочности, пластичности и ударной вязкости, а при увеличении содержания остаточного алюминия выше верхнего предела снижаются характеристики прочности и ударной вязкости стали, что связано с дополнительным выделением на границах зерен нитридов алюминия. Предлагаемая сталь отличается от известной более высоким содержанием азота 0,011-0,025 мас.%, против При содержании азота ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании азота выше верхнего предела несколько повышается прочность, но снижается ударная вязкость, что связано с обогащением границ зерен карбидами и карбонитридами. Предлагаемая сталь отличается от известной более высоким содержанием церия 0,021-0,025 мас.%, против При содержании церия ниже нижнего предела его воздействие на прочность и ударную вязкость данной стали малоэффективно, а при содержании церия выше верхнего предела снижается прочность и ударная вязкость за счет межзеренного разрушения литой стали, что связано с избыточным обогащением бывших границ аустенитных зерен крупными неметаллическими включениями. Микролегирование одновременно азотом, ниобием, ванадием и титаном повышает прочность, пластичность и ударную вязкость термообработанной стали за счет измельчения действительного зерна, снижения содержания углерода в мартенсите и повышения сил межатомных связей и величины сопротивления отрыву. После оптимальной термообработки сталей происходит их сильное упрочнение с сохранением высокой ударной вязкости за счет компенсирующего влияния измельчения зерна. Карбиды и нитриды ванадия, ниобия и титана имеют близкие параметры кристаллической решетки и обладают неограниченной взаимной растворимостью и образуют карбонитриды. Предлагаемая сталь отличается от известной ограничением содержания примесей фосфора до 0,01 мас.%, против В табл.1 приведен, мас.%, химический состав предлагаемой стали 3-х плавок (1, 2, 3), а также состав плавок, имеющих концентрацию компонентов ниже нижнего и выше верхнего пределов заявленного состава стали (4, 5), а также состав стали прототипа (6, 7). Выплавку проводили в 150 кг индукционной печи с разливкой на литые электроды с последующим переплавом на отливки В табл.2 приведены механические свойства указанных плавок после оптимального режима термической обработки. Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на цилиндрических образцах с диаметром расчетной части 6 мм. Испытания на ударную вязкость проводили по ГОСТ 9454-78 на образцах типа 11. Как видно из табл.2, предлагаемая сталь имеет более высокие механические свойства по сравнению с прототипом. Использование предложенной стали в качестве материала для литых коленвалов ЭШП сечением до 500 мм позволяет получить высокую эксплуатационную стойкость за счет равномерности свойств по сечению, а также упростить технологию производства при выплавке и термообработке (так как для получения высоких механических свойств не требуется интенсивного охлаждения в масле). Предлагаемая сталь прошла широкие лабораторные испытания и рекомендована к промышленному опробованию в условиях ОАО «Брянский машиностроительный завод».
Формула изобретения
Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, титан, азот, кальций, церий, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,01, фосфор 
1217913 А, С22С 38/14)
0,2
590 Н/мм2. Кроме того, из-за такого разброса легирования при изготовлении отливок коленвалов сечением до 500 мм методом электрошлакового переплава (ЭШП) наблюдается резкое снижение уровня прочности, особенно при содержании ингредиентов на нижнем уровне, и снижение пластичности и ударной вязкости при содержании ингредиентов на верхнем уровне.
160 мм, длиной 300 мм.
, %
, %