Сталь

Сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, сірку, фосфор, хром, нікель та залізо, яка відрізняється тим, що додатково містить азот, алюміній та кальцій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,25-0,60 кремній 0,32-0,80 марганець 2,5-7,0 сірка ≤ 0,03 фосфор ≤ 0,03 хром 24,0-30,0 нікель ≤ 5,0 азот 0,045-0,35 алюміній 0,015-0,05 кальцій ≤ 0,015 залізо решта. UA (21) a201003269 (22) 22.03.2010 (24) 25.11.2011 (46) 25.11.2011, Бюл.№ 22, 2011 р. (72) КІРЧУ ІВАН ФЕДОРОВИЧ, СТЕПАНОВА ТЕТЯНА ВАСИЛІВНА, КИРИЛЬЧЕНКО ПЕТРО МИКОЛАЙОВИЧ, ВЛАСОВ ВАЛЕРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ (73) КІРЧУ ІВАН ФЕДОРОВИЧ, СТЕПАНОВА ТЕТЯНА ВАСИЛІВНА, КИРИЛЬЧЕНКО ПЕТРО МИКОЛАЙОВИЧ, ВЛАСОВ ВАЛЕРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "МАРІУПОЛЬСЬКИЙ МЕТАЛУРГІЙНИЙ КОМБІНАТ ІМ. ІЛЛІЧА" (56) UA, 7972, U, 15.07.2005 UA, 50979, A, 15.11.2002 RU, 2009107453, A, 10.09.2009 EP, 1645649, A1, 12.04.2006 EP, 1715073, A1, 25.10.2006 JP, 8319534, A, 03.12.1996 C2 2 (19) 1 3 максимальною температурою експлуатації виливків 1300 °C та температурою солідуса сталі, який визначає гарячу твердість сталі, а також через високий вміст нікелю. Відома сталь із змінною долею аустеніту в залежності від температури експлуатації, яка застосовується для виготовлення жаростійкого фасонного литва для термічних, нагрівальних та випалювальних печей, що експлуатується в середовищі агломераційної шихти та рідких металургійних шлаків з масовою часткою оксиду заліза до 80 % при температурах від 750 °C до 1250 °C, марки 30X24Г5АЮЛ, Патент деклараційний, Україна №7972, що містить, мас. %: вуглець 0,27-0,34 кремній 0,40-0,80 марганець 2,5-6,0 хром 20,0-27,0 азот 0,11-0,20 алюміній 0,03-0,05 кальцій 0,015-0,028 залізо решта. Недоліком цієї сталі є незадовільна зносостійкість та жаростійкість оснастки в умовах контактного тертя в середовищі оксиду заліза в інтервалі температур 1100-1300 °C через змінну величину об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі, який визначає гарячу твердість сталі, та через низький вміст хрому, що забезпечує її жаростійкість. Відома сталь аустенітного класу, яка застосовується для виготовлення сильно навантажених деталей пічних конвеєрів, що працюють при температурах до 1200 °C марки 35X18Н24С2Л, ДСТ 2176-77, яка містить, мас. %: вуглець 0,30-0,40 кремній 2,0-3,0 марганець ≤ 1,5 хром 17,0-20,0 нікель 23,0-25,0 сірку ≤ 0,030 фосфор ≤ 0,035 залізо решта. Недоліком цієї сталі є незадовільна жаростійкість оснастки в атмосфері продуктів згоряння з підвищеним вмістом сірки в середовищі оксиду заліза при 1300 °C та високий вміст в ній нікелю. Найбільш близькою до запропонованої сталі є сталь марки 50X29Н48В5Л, ОН48004/24-63 ВНИИЭТО (прийнята за найближчий аналог), яка містить, мас. %: вуглець 0,46-0,60 кремній 0,80-1,50 марганець 0,80-1,50 сірку ≤ 0,03 фосфор ≤ 0,03 хром 26,0-30,0 нікель 46,0-52,0 вольфрам 4,5-5,0 залізо решта. Недоліком цієї сталі є незадовільна жаростійкість та зносостійкість фасонного литва, оснастки в середовищі оксиду заліза в умовах контактного тертя в інтервалі температур 1200-1300 °C через інтенсивне окислення вольфраму, що веде до утворення пористої окалини, відсутність градієнту 96657 4 температур між температурою експлуатації оснастки – 1300 °C і температурою солідуса сталі – 1274 °C, що визначає гарячу твердість сталі, а також через високий вміст нікелю. В основу винаходу поставлено задачу - створити жаростійку і зносостійку при температурах експлуатації від 850 °C до 1300 °C сталь для фасонних виливків, оснастки високотемпературного обладнання аустеніто-феритного класу з регульованою об'ємною часткою аустеніту в мікроструктурі, що не містить, або містить в незначній кількості дефіцитні легуючі елементи - нікель, вольфрам, ніобій та інші, і за своїми експлуатаційними властивостями не поступається, або перевершує жаростійкі сталі марок (20-60)Х(17-30)Н(23-52)В(59)С2Л, що масово застосовуються. Така сталь задовольнить потреби підприємств в жаростійкій оснастці, фасонному литві для термічних, нагрівальних, випалювальних (агломераційних, цементних) печей. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в сталь, яка містить вуглець, кремній, марганець, сірку, фосфор, хром, нікель, та залізо, згідно з винаходом, додатково вводять азот, алюміній, крім того вона містить кальцій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,25-0,60 кремній 0,32-0,80 марганець 2,5-7,0 сірку ≤ 0,03 фосфор ≤ 0,03 хром 24,0-30,0 нікель ≤ 5,0 азот 0,045-0,35 алюміній 0,015-0,05 кальцій ≤ 0,015 залізо решта. Такий склад та співвідношення компонентів забезпечує комплексне підвищення жаростійкості та зносостійкості оснастки в середовищі агломераційної шихти, вапняку, рідких металургійних шлаків з масовою часткою оксиду заліза до 90 % при температурах від 850 °C до 1300 °C в умовах статичного навантаження та контактного тертя за рахунок зменшення масової частки нікелю, кремнію, усунення легування вольфрамом, а також оптимізації вмісту вуглецю, марганцю. Все це в комплексі сприяє отриманню сталі з регульованою об'ємною долею аустеніту в мікроструктурі, яка в залежності від умов експлуатації може змінюватись від 5 % до 96 % внаслідок розчинення (утворення) в твердому розчині карбідних і карбонітридних фаз, та підвищеним рівнем гарячої твердості в інтервалі температур 850-1300 °C внаслідок подрібнення та стабілізації ()-зерна більш термодинамічностійкою нітридоалюмінієвою фазою, що створює бар'єр для його зростання. Це дозволяє усунути легування сталі вольфрамом, знизити вміст нікелю. Межі вмісту аустенітоутворюючих легуючих елементів - вуглецю, марганцю, нікелю та азоту, феритоутворюючих - хрому, кремнію, алюмінію та кальцію вибрані таким чином, щоб при економному легуванні сталі, в залежності від температури та умов експлуатації жаростійкої оснастки (вилив 5 ків) забезпечити їх розподіл в твердому розчині та вторинних фазах-карбідах, нітридах та карбонітридах, в кількості, що дозволяє комплексно вирішувати питання формування необхідної кількості -фази в мікроструктурі сплава, стабілізації ()зерна вторинними фазами при температурі до 1300 °C, гарантованого розкислення сталі та модифікування неметалевих включень через вплив на їх морфологію, форму та розмір. Вуглець є елементом, який виявляє комплексний вплив як на структурний стан сталі - розширює межі аустенітної області, так і на рівень міцності, гарячої твердості, жаростійкості, термостійкості та інші. При масовій частці вуглецю менше 0,25 мас. % відмічається зниження об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі сталі, що приводить до зниження гарячої твердості в інтервалі температур 850-1300 °C. Підвищення масової частки вуглецю більше 0,6 мас. % веде до суттєвого зниження температури солідуса сталі та утворення карбідної неоднорідності в результаті зв'язування хрому і марганцю в складні карбіди типу (СrМn)хСу, які виділяються зерногранично, що веде до зниження гарячої твердості сталі при температурах від 1250 °C до 1300 °C, жаростійкості в інтервалі температур від 1100 °C до 1200 °C. Марганець розширює межі існування твердого розчину і водночас сприяє підвищенню міцності сталі. При масовій частці марганцю менше 2,5 % відмічається зниження об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі, що веде до зниження жароміцності та гарячої твердості при температурах експлуатації від 850 °C до1300 °C. При масовій частці марганцю більше 7 % відмічається зниження рівня термостійкості сталі в інтервалі температур 850-1050 °C, а при температурах від 1150 °C до 1300 °C - зниження жаростійкості в середовищі агломераційної шихти та рідких шлаків з масовою часткою оксиду заліза 80 % і більше. Крім того, з підвищенням вмісту марганцю знижується температура солідуса сталі, що веде до зниження гарячої твердості. Нікель, як і марганець є елементом, що розширює межі існування аустеніту, стабілізує і водночас підвищує його міцність і гарячу твердість. Межі вмісту нікелю вибрані таким чином, що в залежності від температури і умов експлуатації відливок можна було б змінювати об'ємну долю аустеніту в мікроструктурі сталі з 55 % до 95 %. При масовій частці нікелю більше ніж 5 % знижується жаростійкість сталі в середовищі залізної окалини при температурах від 1150 °C до 1300 °C та температура солідуса сталі, що веде до зниження рівня гарячої твердості. Азот є основним легуючим елементом, що комплексно вирішує питання стабілізації ()-зерна нітридами алюмінію при температурі до 1300 °C та формування необхідної кількості -фази в мікроструктурі сталі в залежності від температури нагрівання. При масовій частці азоту менше 0,045 % і регламентованій масовій частці алюмінію для запропонованої марки сталі із-за зменшення кількості нітридів алюмінію в металевій матриці відмічається зниження температури початку зростання ()-зерна до 1000 °C. 96657 6 Підвищення масової частки азоту більше ніж 0,35 % веде до утворення газової (азотної) пористості в тонких перерізах відливки. Хром є основним легуючим елементом, що забезпечує жаростійкість сталі. При масовій частці хрому менше ніж 24 % сталь виявляє жаростійкі властивості при температурах до 1100 °C. Підвищення масової частки хрому більше ніж 29 % веде до зменшення об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі сталі в інтервалі температур 850-1300 °C, що призводить до зниження термостійкості та гарячої твердості сталі. Кремній є елементом, який водночас підвищує жаростійкість, розширює межі існування -фази (фериту) і виконує функцію розкислювача сталі при її виплавці. При масовій частці кремнію менше 0,32 % в складі неметалевих фаз зростає об'ємна частка оксидів хрому та марганцю, що є наслідком недостатнього розкислення сталі. Підвищення масової частки кремнію більше 0,8 % знижує температуру солідусу сталі та сприяє розширенню меж утворення фериту та -фази в мікроструктурі сталі в область більш високих температур та низького вмісту хрому, що веде до зниження термостійкості, жаростійкості, гарячої твердості сталі та зварюваності. Алюміній є елементом, який водночас виконує функцію нітридоутворюючого елемента та розкислювача сталі. Межі вмісту алюмінію вибрані таким чином, щоб забезпечити гарантоване розкислення сталі, а також стабілізацію ()-зерна нітридами алюмінію в інтервалі температур 1150-1300 °C. При масовій частці алюмінію менше ніж 0,01 % відбувається зниження рівноважної температури розчинення (виділення) нітридів алюмінію в твердому розчині та температури зростання ()-зерна до 1100 °C. Це веде до зниження термостійкості та зносостійкості при контактному терті в інтервалі температур 1100-1300 °C. Крім того при залишковій масовій частці алюмінію в сталі менше ніж 0,01 % відмічається підвищення масової частки оксидів хрому та марганцю в металевій матриці, що веде до зниження жаростійкості сталі через зменшення вмісту хрому в твердому розчині. Підвищення масової частки алюмінію більше ніж 0,05 % веде до зменшення об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі сталі в інтервалі температур 11001300 °C і формування грубої нітридної неоднорідності по границях первинного зерна через підвищення рівноважної температури утворення (розчинення) нітридів алюмінію в область двохфазного (твердо-рідкого) стану сталі. Це веде до зниження зносостійкості при контактному терті в інтервалі температур 1100-1300 °C. Кальцій, як і алюміній, є активним розкислювачем і водночас модифікатором неметалевих включень, що сприяє зниженню забрудненості ними за рахунок впливу на їх морфологію, розмір, кількість та розташування в об'ємі металевої матриці, а також підвищенню жаростійкості сталі через очищення міжзеренних границь від поверхнево активних елементів - сірки, фосфору. При цьому модифікуючий ефект досягається при додержанні співвідношення масових часток кальцію до сірки в межах від 0,5 до 0,6, що сприяє утворенню тугоп 7 96657 лавких неметалевих включень кулькоподібної форми та їх внутрішньозеренному виділенню. При масовій частці кальцію більше ніж 0,015 % підвищується вірогідність затягування розливного стакану неметалевими включеннями при розливанні сталі. Хімічний склад досліджених марок сталей (2-6) і відомої (1) приведені в таблиці 1. Сталі 2 і 3 містять легуючі елементи за межами заявлених формулою винаходу, сталі 4 і 5 містять легуючі елементи згідно складу формули винаходу, сталь 6 із середнім значенням вмісту елементів, який визначений формулою винаходу. Згідно з наведеними в таблиці 2 результатами випробувань видно, що сталь запропонованого складу має більш високі показники за рахунок додаткового легування азотом, алюмінієм, кальцієм, підвищення вмісту марганцю, оптимізації вмісту вуглецю, кремнію, хрому, нікелю та усунення легування вольфрамом. Приведені сталі виплавляли в лабораторній індукційній печі. З одержаних виливків виготовляли зразки для дослідження мікроструктури, жаростійкості, гарячої твердості. Сталь оптимального хімічного складу виплавляли на ВАТ "ММК ім. Ілліча" з наступним виготовленням жаростійкого литва для нагрівальних печей - сопло центрального пальника, жолоб для зливу шлаку, який містить масову частку оксиду заліза до 80 %, рейтера для 8 томильної зони слябових методичних печей, що випробовувались в промислових умовах металургійного комбінату. Результати промислових випробувань показали, що стійкість виробів із запропонованої сталі в 2-2,5 разу вище, ніж із сталей 40X24Н12С2Л і 50X29Н48В5Л, які зараз використовує ВАТ "ММК ім. Ілліча". Таким чином за рахунок легування азотом, алюмінієм та кальцієм, оптимізації вмісту вуглецю, кремнію, марганцю та нікелю, усунення легування вольфрамом підвищується температура солідуса сталі від 1333 °C до 1374 °C, забезпечується відповідно до умов експлуатації жаростійкої оснастки та виливків можливість регулювання об'ємної долі аустеніту в мікроструктурі сталі від 5 % до 96 % порівняно з Cr-Ni аустенітними сталями марки 40X24Н12С2Л і 50X29Н48В5Л, які використовує в теперішній час ВАТ "ММК ім. Ілліча". В результаті, за рахунок легування азотом, алюмінієм, оптимізації вмісту вуглецю, кремнію, марганцю та нікелю, усунення легування вольфрамом підвищується жаростійкість, гаряча твердість, термостійкість при температурах від 1100 °C до 1300 °C, що дозволяє подовжити строк експлуатації жаростійкої оснастки та відливок термічних, нагрівальних і випалювальних печей, а зниження вмісту нікелю, усунення легування вольфрамом приводить до зниження собівартості литих виробів. Таблиця 1 № п/п 1 2 3 4 5 6 Сталь (плавка) Найближчий аналог С 0,46 0,60 0,20 0,65 Запропонована 0,25 0,60 0,42 Si 0,80 1,50 0,27 0,85 0,32 0,80 0,56 Mn 0,80 1,50 1,5 9,0 2,5 7,0 4,7 Масова частка елементів, % Сг Ni W N 26,0 46,0 4,50 30,0 52,0 5,0 22,0 0,035 32,0 6,0 0,40 24,0 0,045 30,0 5,0 0,035 27,0 2,5 0,20 Аl Са Fe решта 0,01 0,06 0,015 0,05 0,032 0,025 0,015 0,007 решта решта решта решта решта Таблиця 2 Назва Температура солідуса, °C Об'ємна частка фази (%) при: 900 °C 1000 °C 1300 °C Гаряча твердість, 2 HV (кг/мм ) при: 800 °C 900 °C 1000 °C 1300 °C Жаростійкість, 2 (г/м год.) при: 1000 °C 1200 °C 1300 °C 1 1285,6 1264 2 Сталь (плавка) 3 4 5 6 1376 1305 1374 1333 1353 96 98 98 0 20 48 82 89 97 0 22 48 81 88 96 79,7 85 91 92 46 26 0 38 28 11 2 80 50 30 0,6 38 28 11 2 88 58 31 4 Примітка 90 60 34 5,5 1,54 1,7 6 12 0,6 2,8 4,0 1,5 5,2 11 0,55 1,7 3,4 0,5 1,53 3,1 За втратою маси зразка при окисленні на повітрі протягом 210 год. 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 96657 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601