Сталь

Сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, ванадій, сірку, фосфор, яка відрізняється тим, що додатково містить азот, алюміній, кальцій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,22 - 0,29 кремній 0,17 - 0,37 марганець 1,10 - 1,30 хром 1,60 - 2,20 сірка ≤ 0,03 фосфор ≤ 0,03 азот 0,014 - 0,018 ванадій 0,09 - 0,15 алюміній 0,015 - 0,025 кальцій 0,017 - 0,020 залізо решта. UA (21) a200608695 (22) 03.08.2006 (24) 25.07.2007 (46) 25.07.2007, Бюл. №11, 2007р. (72) Кірчу Іван Федорович, Шипицин Сергій Якович, Степанова Тетяна Василівна, Кліманчук Владислав Владиславович, Кирильченко Петро Миколайович, Ларіонов Олександр Олексійович, Фомицький Євген Іванович (73) Кірчу Іван Федорович, Шипицин Сергій Якович, Степанова Тетяна Василівна, Кліманчук Владислав Владиславович, Кирильченко Петро Миколайович, Ларіонов Олександр Олексійович, Фомицький Євген Іванович, ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "МАРІУПОЛЬСЬКИЙ МЕТАЛУРГІЙНИЙ КОМБІНАТ ІМ. ІЛЛІЧА" (56) UA 50979 A, 15.11.2002 SU 771180 A1, 15.10.1980 SU 905314 A1, 15.02.1982 C2 2 (19) 1 3 79916 гована молібденом і ванадієм, яка містить, мас.частка, %: вуглець 0,12-0,23 кремній £0,50 марганець £0,70 хром 10-12,5 сірка 0,025 фосфор 0,03 молібден 0,50-0,80 ванадій 0,25-0,40 залізо решта. Недоліком цієї сталі є її висока вартість та недостатня теплостійкість і термостійкість в інтервалі температур 500-550°С при експлуатації на протязі більше 100 годин внаслідок коагуляції карбідних фаз та їх зернограничного виділення, а також відносно низька жаростійкість в середовищі оксидів заліза з температурою від 750оС до 1150°С внаслідок утворення легкоплавких оксидів Мо 2О5 та V2 O5 , які сприяють розчиненню захисного шару з оксидних плівок - Сr2О5, на поверхні ролика. Відома сталь перлітного класу, яка застосовується для виготовлення теплостійких деталей, що експлуатуються при температурах до 550oС в умовах тривалого статичного навантаження, марки 34CrNiMo6, DIN 17007, ФРГ, яка містить, мас.частка, %: вуглець 0,34 кремній 0,30 марганець 0,50 сірка £0,035 фосфор £0,035 хром 1,60 нікель 1,60 молібден 0,25 залізо решта. Недоліком цієї сталі є недостатня її теплостійкість, і жаростійкість в середовищі оксидів заліза з температурою від 750°С до 1150oС внаслідок коагуляції карбідних фаз і збіднення твердого розчину на хром, а також необхідність легування дефіцитним нікелем і молібденом. Найбільш близькою до запропонованої - прототип - є сталь марки 25Х1М1Ф, ДСТ20072-74, що містить мас. частка, %: вуглець 0,22-0,29 кремній 0,17-0,37 марганець 0,25-0,80 хром 1,50-1,80 сірку £0,03 фосфор £0,03 молібден 0,90-1,10 ванадій 0,15-0,30 залізо решта. Недоліком цієї сталі є незадовільна теплостійкість, втомлювана довговічність і жаростійкість валків МБЛЗ і те хнологічної оснастки при експлуатації в середовищі оксидів заліза з температурою від 750°С до 1150°С та термоциклічному режимі нагрівання поверхні металовиробів в умовах тривалого статичного навантаження, що з умовлено як коагуляцією карбідних фаз та їх переважно зернограничним виділенням, так і збідненням твердого розчину на хром, а також утворенням на поверхні металовиробів (валка), дифузійно-прониклевої для 4 атмосферного кисню оксидної плівки внаслідок їх розчинення легкоплавкими оксидами - Мо2О5 та V2 O5 . В основу винаходу закладено задачу - створення теплостійкої при температурах експлуатації до 550-600°С сталі з підвищеною втомлюваною довговічністю та жаростійкістю в середовищі оксидів заліза з температурою від 750oС до 1150oС, що не містить дефіцитних легуючих елементів нікелю, молібдену, вольфраму та інших і за своїми експлуатаційними властивостями не поступається, або перевершує теплостійкі сталі типу 25X(l,512)Ni1Mo(0,4-l,l)V(0,25-0,8), що масово застосовуються. Така сталь дозволить задовольнити потреби підприємств в валках МБЛЗ, технологічної оснастки (дорн-штанга) для пільгер-стану. Поставлена технічна задача вирішується за рахунок того, що в сталь яка містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій, згідно винаходу, додатково вводять азот, кальцій при наступному співвідношенні компонентів, мас.частка, %: вуглець 0,22-0,29 кремній 0,17-0,37 марганець 1,10-1,30 хром 1,60-2,20 сірка £0,025 фосфор £0,030 ванадій 0,09-0,15 азот 0,014-0,018 алюміній 0,015-0,025 кальцій 0,017-0,020 залізо решта. Такий склад та співвідношення компонентів забезпечує комплексне підвищення теплостійкості, втомлюваної довговічності та жаростійкості сталі в інтервалі температур від 550oС до 600oС при експлуатації виробів в окислювальній атмосфері та в контакті з оксидами заліза з температурою від 750oС до 1150°С в умовах термоциклічного режиму нагрівання та статичного навантаження за рахунок підвищення мас. частки хрому, марганцю, усунення легування молібденом, оптимізації вмісту ванадію, а також додаткового легування азотом, алюмінієм та кальцієм. Все це в комплексі сприяє· зниженню хімічної та стр уктурної неоднорідності в сталі, яка при її кристалізації внаслідок зниження розчиненим азотом швидкості зростання стовпчастих дендритів та їх подрібнення, так і при подальшому металургійному переділу сталі, термічній обробці металовиробів внаслідок підвищення стійкості до переохолодження аустеніту твердорозчинним азотом і реалізації механізму дисперсійного зміцнення сталі нітрид-ванадієвою фазою, що створює бар'єр росту зерна та гальмує процес коагуляції та зернограничного виділення карбідних фаз. Це дозволяє усун ути додаткове легування сталі молібденом, нікелем, вольфрамом, знизити вміст ванадію. Межі вмісту азоту та ванадію вибрані таким чином, щоб комплексно забезпечити ефективне диспергування дендритної структури, аустенітного зерна при аустенізації та дисперсійне зміцнення сталі при відпуску. 5 79916 При масових частках азоту та ванадію менше ніж 0,014% та 0,09% відповідно знижується ефективність впливу розчиненого азоту на подрібнення дендритної структури та нітридванадієвої фази, яка виділяється з твердого розчину при відпуску термічнозміцненої сталі, на дисперсійне зміцнення та на швидкість коагуляції карбідних фаз. Це веде до неоднорідності механічних і пластичних властивостей сталі в різних перерізах деталі, зниження втомлюваної довговічності та жаростійкості. Підвищення масової частки азоту та ванадію більше ніж 0,018% та 0,15% відповідно веде до формування грубої нітридної неоднорідності по границям аустенітного зерна, що викликано підвищенням рівноважної температури розчинення (утворення) нітридів ванадію в область підвищених температур - 1100°С. Це веде до зниження теплостійкості, втомлюваної довговічності і жаростійкості сталі. Марганець, як і азот підвищує стійкість аустеніту до переохолодження при термічній обробці (гартуванні та нормалізації) сприяє підвищенню характеристик міцності та пластичних властивостей сталі. При масовій частці марганцю менше 1,10% відмічається зниження міцності сталі, втомлюваної довговічності і жаростійкості в середовищі оксидів заліза, що пов'язано зі збідненням твердого розчину на хром внаслідок утворення карбідів хрому. При масовій частці марганцю більше 1,30% відмічається зниження ударної в'язкості пластичних властивостей, втомлюваної довговічності сталі. Хром є основним легуючим елементом, що забезпечує жаростійкість сталі. При масові й частці хрому менше 1,6% відбувається зниження жаростійкості сталі в середовищі оксидів заліза. Підвищення масової частки хрому більше 2,2% веде до зниження в'язкості ударної, пластичних властивостей сталі та термостійкості. Алюміній є елементом, який водночас виконує функцію розкислювача сталі та нітридоутворюючого елемента. Межі вмісту алюмінію вибрані таким чином, щоб забезпечити гарантоване розкислення сталі при випуску плавки в ковш, а також стабілізацію γ-зерна нітридами алюмінію при температурі нагрівання під гартування (нормалізацію). При масовій частці алюмінію менше 0,015% відбувається зменшення кількості нітридів алюмінію, що веде до зростання γ-зерна при нагріванні сталі до температури гартування (нормалізації). Це веде до зниження в'язкості ударної, втомлюваної міцності та довговічності сталі. При масовій частці алюмінію більше 0,025% внаслідок зростання коефіцієнту активності алюмінію до азоту в твердому розчині в першу чергу замість нітридів ванадію утворюються нітриди алюмінію, що веде до зниження ефективності методу дисперсійного зміцнення сталі нітридами ванадію та утворення нітридами алюмінію нітридної неоднорідності. Це веде до зниження міцності, в'язкості ударної, термостійкості та втомлюваної довговічності сталі. Кальцій, як і алюміній, є активним розкислювачем і водночас модифікатором неметалевих включень, що сприяє зниженню забрудненості сталі неметалевими включеннями за рахунок впливу на їх морфологію, розмір, форму, кількість та розта 6 шування в об'ємі металевої матриці. При масовій частці кальцію менше 0,017% і регламентованій ДСТ 20072-74 для теплостійкої сталі 25Х1Μ1Φ масовій частці сірки не більше 0,03% в складі неметалевих включень, разом з хімічно складними оксидами, що мають гострокутову форму, будуть присутні пластинчасті сульфіди марганцю, які виділяються переважно по границях зерна. Це веде до зниження ударної в'язкості, межі подовження, подовженої міцності і термостійкості сталі. При масовій частці кальцію більше 0,02% незважаючи на те, що неметалеві включення, в тому числі сульфідні, виділяються в кулястій формі і підвищується робота руйнування при ударному вигині , та при цьому підвищується вірогідність затягування каналу розливного стакану при розливі сталі. Хімічний склад досліджених марок сталей (2-6) і відомої (1) приведений в таблиці 1. Сталі 2 і 3 містять легуючі елементи за межами заявлених формулою винаходу, сталі 4 і 5 містять елементи згідно складу формули винаходу, сталь 6 із середнім значенням вмісту елементів, який визначений формулою винаходу. Згідно наведених в табл. 2 результатів випробувань видно, що сталь запропонованого складу має більш високі показники за рахунок підвищення вмісту хрому, марганцю, додаткового легування азотом, алюмінієм, кальцієм, а також оптимізації вмісту ванадію. Приведені сталі виплавляли в лабораторній індукційній печі. З одержаних виливків виготовляли зразки для дослідження мікроструктури та фізико-механічних властивостей сталі. С таль оптимального хімічного складу виплавляли на ΒΑΤ «ММК ім. Ілліча» з наступним виготовленням валків роликової проводки МБЛЗ, що випробовувались в промислових умовах на металургійному комбінаті. Результати випробувань розробленої· марки сталі показали, що по жаростійкості в середовищі оксидів заліза в 1,5-1,8 рази, теплостійкості при 600оС в 3 рази вона перевищує сталь марки 25Х1М1Ф, яку використовують ММК «ім. Ілліча» та інші металургійні комбінати України, близького та далекого зарубіжжя в теперішній час для виготовлення валків роликової проводки МБЛЗ, технологічної оснастки пільгер-станів. Таким чином, за рахунок легування азотом, алюмінієм, кальцієм, усунення легування молібденом, а також оптимізації вмісту хрому, марганцю ванадію підвищується жаростійкість, теплостійкість, втомлювана міцність сталі при температурах від 550оС до 600оС порівняно зі сталлю марки 25Х1М1Ф, яку використовує в теперішній час ММК «ім. Ілліча». В результаті, за рахунок легування сталі азотом, алюмінієм, кальцієм, усунення легування молібденом, оптимізації вмісту хрому, марганцю ванадію підвищується жаростійкість, теплостійкість, втомлювала міцність при температурах від 550оС до 600оС, що дозволяє подовжити термін служби валків роликової проводки МБЛЗ, технологічної оснастки пільгер-станів, а зниження вмісту ванадію, усунення легування молібденом приводни, до зниження собівартості виробів. 7 79916 8 Таблиця 1 Хімічний склад сталей № пп Сталь (плавка) 1 Прототип 2 3 4 5 6 Запропонована С 0,22 0.29 0,16 0,34 0.22 0,29 0,26 Si 0,17 0.37 0,10 0,47 0,17 0,37 0,27 Μn 0,25 0,80 0,80 1,50 1.10 1.30 1,20 Cr 1,50 1,80 1,20 2,80 1,60 2,20 1,90 Масова частка елементів, % V Mo N Аl 0,15 0,90 0,30 1,10 0,06 0,007 0,010 0,30 0,025 0,04 0,09 0,014 0,015 0,15 0,018 0,025 0,12 0,016 0,020 Са Fe решта 0,007 0,025 0,017 0,020 0,019 решта Решта решта решта решта Таблиця 2 Жаростійкість, теплостійкість і механічні властивості сталей Назва і температура, °С Жаростійкість, (г/м 2. год) при: 550 650 Теплостійкість, (годин) при: 450 550 620 Границя міцності на розтяг, Мпа Границя плинності, Мпа Ударна в'язкість, Дж/см 2 1 2 3 Сталь (плавка) 4 5 6 1,57 3,93 1,87 4,04 0,91 2,08 1,08 2,25 0,98 2,11 1,03 2,18 310 85 50 800 680 180 880 >700 350 1130 >700 298 270 900 >700 350 310 1060 >700 324 290 970 680 750 1055 800 980 855 60 110 60 80 70 75 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін Підписне Примітка По втраті ваги зразка при витримці в оксидах заліза на протязі 187 годин Час до зниження твердості зразка на 2 HRC при заданій температурі Ме ханічні властивості сталей після гартування з відпуском Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601