Сплав на основі заліза

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным хорошо свариваемым и хладостойким сталям, используемым в сварных конструкциях..к которым предъявляются повышенные требования, таких как грузовые автомобили, подъемно-транспортные и горные машины, резервуары, работающее под давленим, трубопроводы и др. Известна штамповая сталь [1] с карбонитридным упрочнением, обладающая хорошей износостойкостью, теплостойкостью, пластичностью и ударной вязкостью, следующего состава (масс. %): углерод 0,4-0,7 кремний 0,1-0,4 марганец 0,4-1,0 хром 0.4-1,2 никель 1,2-2,0 молибден 0,1-0,6 ванадий 0.1-0,7 алюминий 0,005-0,05 азот 0,02-0,1 кальций 0,005-0,02 железо и примеси остальное. После закалки 920° в масло и отпуска при 550° сталь имеет при температуре испытаний +20°С s т = 1530 МПа, s в = 1630 МПа, KCU = 39 Дж/см 2; при температуре испытаний 600°С s т = 640 МПа, s в = 720 МПа; KCU = 125 Дж/см 2. твердость НРС46. Высокий уровень пластичности и ударной вязкости обеспечивается введением кальция. Сталь используется для изготовления штампов без применения процесса сварки. Сталь принадлежит к классу трудносвариваемых сталей. Известна сталь для электродов, используемых при электрошлаковой сварке (ЭШС) деталей большого сечения из высокопрочных Cr-Nl-Mo-сталей, следующего состава (масс. %): углерод 0,05-0,5 кремний 0,01-0,5 марганец 0,2-0,8 хром 0,2-5 никель 0,2-8 молибден 0,1-0,8 ванадий 0,01-0,8 церий 0.06-3.7 железо и примеси остальное. Использование стали в виде электродной проволоки при ЭШС с применением флюса с СаО обеспечивает образование в металле шва сплошных оксисульфидных соединений. церия благоприятной глобулярной формы. Этот состав позволяет получить на высокопрочных сталях однородные по структуре и свойствам сварные соединения и существенно упростить технологию изготовления изделий большого сечения за счет снижения температуры подогрева при сварке и уменьшения степени укова заготовок. Недостатком стали является высокое содержание легирующих элементов хрома, никеля и молибдена, а также церия. При этом получение столь высокого содержания церия до 3,7%) в стали тр удно осуществимо, а сталь при прокатке нетехнологична. Известна Mn-Cr-Ni-Mo-сталь [3], содержащая (масс. %): углерод 0,15-0,25 кремний < 0,1 марганец 0,5-1,7 хром 0,15-0,45 никель 1,5-3,0 молибден 0,45-0,7 алюминий 15%; KCV-40 £ 27 Дж/см 2. Две последние известные стали и их сварные соединения обладают высокой хладостойкостью при испытании образцов с острым надрезом только до температуры испытаний минус 409C-минyc 50°С. Ударная вязкость при температуре минус 70°С составляет .15-20 Дж/см 2. Наиболее близким к предлагаемому сплаву по составу и 'достигаемому эффекту является вязкий и прочный Mn-Cr-Ni-Mo сплав с небольшим количеством азота и карбидообразующик элементов V и Аl [5 ] следующего состава: углерод 0,13-0,3 кремний < 0,1 марганец 0,6-2 фосфор < 0.01 хром 0,4-2 никель 0,2-2.5 молибден 0,1-0,5 ванадий 0,5-0,15 алюминий 0.005-0,04 азот 0,005-0,015 причем (N1 + 2Mn + 2Cr) = 4-8 В основу изобретения поставлена задача создания путем введения дополнительного компонента такого сплава, который обладал бы повышенной хладостойкостью до температуры - 70°С в исходном состоянии и в зоне термического влияния при сварке, а также повышенной стойкостью против образования в этой зоне горячих и холодных тре щин. Эта задача решается при помощи такого сплава, преимущественно свариваемого процессами с высокой погонной энергией, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий. азот, серу, фосфор и железо, который," согласно изобретению, дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод 0,14-0,18 кремний 0,20-0,40 марганец 0,70-1,00 хром 0,60-0.90 никель 2,10-2,40 молибден 0,40-0,60 ванадий 0,05-0,10 алюминий 0,045-0,08 азот 0,01-0,02 сера 0,004-0.011 фосфор 0.011-0,015 церий 0,003-0,030 железо остальное. При этом содержание церия зависит от содержания серы и никеля и определяется по формуле: Сплав, имеющий состав согласно изобретению, отличается высокой хладостойкостью до - 70°С, а после сварки, в том числе с высокими погонными энергиями, обладает высокими хладостойкостью до температуры 70°С и стойкостью против образования горячих и холодных трещин в зоне термического влияния при сварке. Содержание углерода в предлагаемом сплаве 0,14-0,18% способствует получению высокого комплекса свойств: пластичности, вязкости и свариваемости. При меньшем. чем 0,14%, содержании углерода не обеспечивается прокаливаемость сплава, при содержании более 0,18% ухудшается свариваемость. Достаточная прокаливаемость сплава обеспечивается одновременным легированием марганцем 0,7-1,0%; хромом 0,6-0,9%,молибденом 0.4-0,6% и никелем 2.1-2,4%. Разупрочнение сплава при высоком отпуске эффективно задерживают 0,4-0,6% молибдена и 0,07-0,11 % ванадия. Азот в количестве 0,01-0,02% при содержании ванадия 0.05-0,10% и алюминия 0,045-0,08% образуют мелкодисперсные трудно растворимые нитриды, способствующие измельчению зерна сплава и участка перегрев.? при сварке, что особенно важно для свариваемых сталей. В результате формируется мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую хладостойкость сплава и зоны термического влияния при сварке. Содержание церия 0,003-0.030% обеспечивает торможение роста зерна в сплаве и на участке перегрева зоны термического влияния, улучшает вид, форму и распределение неметаллических включений. При введении церия в указанных пределах образуются микро- и субмикроскопические оксисульфидные включения церия овальной или глобулярной формы, формируется упорядоченная дислокационная структура, благоприятно перераспределяются практически все примеси, границы зерен очищаются. резко уменьшается загрязненность металла пленочными сульфидными включениями. что способствует повышению ударной вязкости сплава и зоны термического влияния при сварке. При содержании церия менее 0.003% торможения роста зерна не происходит, наблюдается недопустимая загрязненность границ пленочными сульфидными включениями, что обусловливает снижение ударной вязкости сплава и зоны термического влияния при сварке. При введении церия в количестве более 0,030% сплав загрязняется скоплениями оксисульфидов церия, что снижает качество листа, ведет к его расслоению при прокатке и образованию трещин при сварке. При этом церий оказывает оптимальное воздействие, если его количество взято в зависимости от содержания серы и никеля по формуле: Например, при S = 0.0075% и Ni = 2,25, содержание Се = 0.0055%. Вследствие микролегирования церием сплав может содержать по сравнению с прототипом повышенное количество кремния в пределах 0,2-0,4% без ухудшения хладостойкости. Указанные пределы содержания кремния обычные для низколегированных сплавов. Такой сплав более технологичен при выплавке, чем сплав с более низким содержанием кремния. Сплавы опытных составов выплавляли в индукционной печи емкостью 50 кг. Слитки прокатывали на листы толщиной 20 и 50 мм. Листы толщиной 20 мм подвергали закалке э от 920°С и отпуску 610-615°С и сваривали дуговым способом в защитном газе (80% Ач + 20% СО2). Время охлаждения зоны термического влияния сварных соединений в интервале температур от 800 до 500°С составляло при дуговой сварке 20 секунд. Листы толщиной 50 мм сваривали электрошлаковым способом в состоянии после прокатки, затем сварные соединения подвергали закалке от 920°С и отпуску 610-615°С. Испытывали сплав на растяжение при +20°С и ударный изгиб при температурах минус 40°С и минус 70°С. Участок перегрева зоны термического влияния испытывали на ударный изгиб при температурах минус 40 и минус 70°С. Ударные образцы имели острый надрез (Шарли). Изучали сварные соединения на наличие холодных трещин и горячих трещин-надрывов в зоне термического влияния методами ультразвуковой дефектоскопии; металлографических исследований макроструктуры сварных соединений в нескольких сечениях. Примеры исполнения сплавов приведены в табл.1 и 2. Выплавляли и испытывали 3 плавки сплавов в соответствии с предлагаемым изобретением (табл. 1, составы 1,2 и 3). а также известный сплав-прототип (табл.1, составы 4 и 5). Результаты испытаний механических свойств и ударной вязкости сплавов, выплавленных в соответствии с табл.1 и прокатанных на толщину 20 и 50 м, а также ударной вязкости зоны термического влияния сварных соединений этих сплавов, выполненных двумя способами сварки, приведены в табл.2. Как видно из табл.2, предлагаемый сплав в соответствии с изобретением и сварные соединения обладают высокой ударной вязкостью при испытании образцов с острым надрезом (Шарли) до температуры -70°С. Трещины горячие и холодные наблюдались только в сплавах запредельного состава ив стали-прототипе (составы 4 и 5). При сварке остальных составов сплавов какие-либо трещины отсутствовали. Результаты испытаний позволяют сделать вывод о правильности выбранных пределов содержания компонентов сплава и предложенной зависимости. Предлагаемый сплав найдет применение при производстве сварных конструкций ответственного назначения, эксплуатирующи хся при низких температурах и неограниченном давлении (сосуды высокого давления, краны большой грузоподъемности и т.д.), а также при создании новых видов оборудования, работающего при весьма низких (до -70°С) температурах, повысит его надежность и долговечность.