ТЕПЛОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ИЗЛОЖНИЦ
HEAT-RESISTANT STEEL FOR WATER-COOLED MOLDS

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 σ<sub>b</sub>, Н/мм<sup>2</sup> 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