СТАЛЬ
STEEL

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.
2
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано при изготовлении методом электрошлакового переплава (ЭШП) коленвалов сечением 500 мм с пределом текучести не менее 590 Н/мм 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.%:
Углерод
0,02-0,05
Кремний
0,10-0,50
Марганец
3,20-3,70
Никель
0,70-1,20
Молибден
0,20-0,40
Ванадий
0,085-0,15
Титан
0,005-0,04
Алюминий
0,005-0,08
Кальций
0,005-0,08
Железо и примеси
остальное
(см. авт. свид. №1217913 А, С22С 38/14)
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.%:
Углерод
0,05-0,15
Кремний
≤2,0
Марганец
2,0-5,0
Никель
≤1,0
Молибден
≤1,0
Ванадий
≤0,1
Ниобий
≤0,1
Алюминий
≤0,1
Титан
≤0,1
Азот
≤0,01
Кальций
≤0,02
Рзм
≤0,02
Сера
≤0,01
Фосфор
≤0,05
Железо
остальное
(см. JP 2005- 060795 А, С22С 38/14, 10.03.2005)
0,2
2
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 σ≥590 Н/мм. 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.
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.%:
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
≤0,01
Фосфор
≤0,01
Железо
остальное
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 ≤2,0 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 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 ≤1,0 мас.%, что способствует увеличению прочности за счет повышения прокаливаемости и увеличения легированности твердого раствора при сохранении высокого уровня пластичности и ударной вязкости.
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 ≤1,0 мас.%, так как, повышая прочность стали, молибден мало понижает ее пластичность и препятствует развитию отпускной хрупкости.
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 ≤01 мас.%. Ванадий способствует измельчению зерна, уменьшает склонность стали к перегреву и увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска. Ванадий в выбранном интервале легирования благоприятно влияет на прочность и ударную вязкость за счет лучшей раскисляемости стали и измельчения зерна.
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 ≤0,1 мас.%.
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 ≤0,01 мас.%, что способствует увеличению прочности за счет образования нитридов и карбонитридов ванадия, ниобия и титана. Высокодисперсные нитриды и карбонитриды этих элементов тормозят рост зерен при нагревании, что способствует сохранению высокой ударной вязкости и пластичности.
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 ≤0,02 мас.%, что способствует улучшению формы неметаллических включений, снижению в стали кислорода и серы, уменьшению количества сульфидных включений, очищению границ зерен и измельчению структуры, что повышает прочность, пластичность и ударную вязкость. Особенно эффективно церий действует совместно с кальцием, так как при этом полнее реализуется рафинирующее действие кальция и модифицирующее действие церия. Кроме того, кальций и церий благоприятно воздействуют и на характер нитридных включений, способствуют переходу пленочных включений нитридов алюминия в глобулярные комплексы оксисульфонитридных образований. Вследствие совместного воздействия алюминия, кальция и церия открываются дополнительные возможности в управлении структурой и свойствами литой стали.
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 ≤0,05 мас.% в прототипе, что способствует получению более высоких значений пластичности и ударной вязкости. При увеличении содержания углерода в стали происходит более интенсивное образование сегрегации фосфора, которые объединяются и образуют сетку по границам первичных аустенитных зерен, что приводит к ослаблению межкристаллических связей. Марганец также способен усиливать охрупчивающее действие фосфора, поэтому при производстве сталей, содержащих марганец, необходимо стремиться к обеспечению в стали минимальных концентраций фосфора. Наличие в составе предлагаемой стали никеля и молибдена значительно ослабляет вредное влияние фосфора на свойства стали.
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 ⌀160 мм, длиной 300 мм.
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».
Таблица 1Химический состав сталей
Состав стали
Содержание компонентов, мас.%
С
Si
Mn
S
P
Ni
Mo
V
Nb
Al
Ti
N
Ca
Се
Fe
1
0,051
0,10
4,55
0,006
0,007
1,80
0,45
0,11
0,03
0,003
0,003
0,011
0,001
0,021
Ост.
2
0,065
0,27
4,95
0,008
0,005
2,00
0,52
0,15
0,08
0,010
0,005
0,08
0,010
0,023
Ост.
3
0,10
0,40
5,25
0,010
0,009
2,35
0,60
0,20
0,10
0,025
0,008
0,025
0,025
0,025
Ост.
4
0,04
0,08
4,20
0,010
0,005
1,70
0,40
0,08
0,02
0,002
0,002
0,001
0,001
0,001
Ост.
5
0,12
0,50
5,30
0,010
0,008
2,40
0,65
0,25
0,15
0,03
0,01
0,03
0,026
0,03
Ост.
6
0,05
0,50
2,00
0,010
0,03
0,40
0,70
0,06
0,05
0,03
0,008
0,007
0,016
0,015
Ост.
7
0,15
2,00
5,00
0,010
0,05
1,00
1,00
0,10
0,10
0,10
0,10
0,01
0,02
0,020
Ост.
Таблица 2Механические свойства сталей
Состав
Режим термообработки
σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σb, Н/мм<sup>2</sup>
δ, %
ψ, %
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
1
Отпуск при 650°С, нормализация 950°С, 4 ч, отпуск при 630°С, 12 ч
712
830
21,5
69,0
220
2
715
835
21,5
69,5
210
3
735
845
22,0
68,0
210
4
600
715
22,0
69,0
150
5
630
760
21,0
67,0
130
6
515
627
21,0
68,0
180
7
630
760
19,5
55,5
60