RU2057199C1 - Steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: steel contains, % by weight: carbon 0.20-0.30; silicon 0.05-0.15; manganese 0.05-0.50; chromium 1.5-3.0; nickel 0.05-0.5; molybdenum 0.3-0.5; nitrogen 0.05-0.20; vanadium 0.15-0.30; calcium 0.05-0.15; iron the balance. Ratio of total content of nitrogen and carbon to vanadium content is 1-3. EFFECT: improved quality of steel product. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сталей для ответственных изделий в энергомашиностроении, например болтов, шпилек и роторов, обладающих высокой прочностью в сочетании с высокой пластичностью и ударной вязкостью. The invention relates to metallurgy, in particular to the production of steels for critical products in power engineering, for example, bolts, studs and rotors with high strength combined with high ductility and toughness.

Известна сталь марки 38ХНЗМФ (ГОСТ 4543-71), используемая для изготовления крепежа в энергомашиностроении, которая содержит, мас. углерод 0,33-0,40; марганец 0,05-0,50; кремний 0,17-0,37; хром 1,2-1,5; никель 3,0-3,5; молибден 0,35-0,40; ванадий 0,10-0,18; железо остальное. Known steel grade 38KHNZMF (GOST 4543-71) used for the manufacture of fasteners in power engineering, which contains, by weight. carbon 0.33-0.40; manganese 0.05-0.50; silicon 0.17-0.37; chrome 1.2-1.5; nickel 3.0-3.5; molybdenum 0.35-0.40; vanadium 0.10-0.18; iron the rest.

Недостатками ее являются пониженная прочность и ударная вязкость, что не позволяет использовать ее для крупногабаритных изделий ответственного назначения. Its disadvantages are reduced strength and toughness, which does not allow its use for large-sized products for critical purposes.

Наиболее близким к предлагаемому является сталь [1] содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий и кальций. Эта сталь, обладая достаточно хорошими прочностными свойствами, имеет недостаточную технологичность и в связи с высокой, постоянно растущей стоимостью никеля неэкономична. Closest to the proposed is steel [1] containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, nitrogen, vanadium and calcium. This steel, possessing sufficiently good strength properties, has insufficient manufacturability and, due to the high, constantly growing cost of nickel, is uneconomical.

Целью изобретения является повышение экономичности и технологичности за счет повышения ударной вязкости при сохранении прочностных свойств. The aim of the invention is to increase efficiency and manufacturability by increasing toughness while maintaining strength properties.

Цель достигается тем, что предлагаемая сталь содержит, мас. Углерод 0,20-0,30 Кремний 0,05-0,15 Марганец 0,05-0,50 Хром 1,5-3,0 Никель 0,05-0,5 Молибден 0,30-0,50 Азот 0,05-0,20 Ванадий 0,15-0,30 Кальций 0,05-0,15 Железо Остальное при условии, что отношение суммы содержаний углерода и азота к содержанию ванадия не превышает 3,0-1,5. The goal is achieved in that the proposed steel contains, by weight. Carbon 0.20-0.30 Silicon 0.05-0.15 Manganese 0.05-0.50 Chromium 1.5-3.0 Nickel 0.05-0.5 Molybdenum 0.30-0.50 Nitrogen 0 , 05-0.20 Vanadium 0.15-0.30 Calcium 0.05-0.15 Iron The rest, provided that the ratio of the sum of the contents of carbon and nitrogen to the content of vanadium does not exceed 3.0-1.5.

Сталь содержит кремний в количестве 0,05-0,15 мас. что в сочетании с ванадием, азотом и хромом обеспечивает достаточный уровень прочностных свойств и не ухудшает технологичности. Получение (Si) в металле кремния менее 0,05 мас. затруднено, так как все шихтовые материалы содержат кремний, использование бескремнистой шихты приводит к резкому возрастанию стоимости. Steel contains silicon in an amount of 0.05-0.15 wt. which in combination with vanadium, nitrogen and chromium provides a sufficient level of strength properties and does not impair manufacturability. Obtaining (Si) in a silicon metal less than 0.05 wt. it is difficult, since all charge materials contain silicon, the use of a silicon-free charge leads to a sharp increase in cost.

Введение марганца в количествах 0,05-0,5 мас. обеспечивает хороший уровень прокаливаемости. При содержаниях его более 0,5 мас. по границам зерен образуются сульфиды марганца. The introduction of manganese in amounts of 0.05-0.5 wt. provides a good level of hardenability. When its contents are more than 0.5 wt. Manganese sulfides are formed along grain boundaries.

Присутствие в составе кальция в количестве 0,05-0,15 мас. обеспечивает связывание кислорода, серы и других вредных примесей в тугоплавкие мелкодисперсные неметаллические включения, равномерно распределенные внутри зерен. Это способствует повышению пластичности, при сохранении прочностных свойств стали-прототипа. The presence of calcium in the amount of 0.05-0.15 wt. provides the binding of oxygen, sulfur and other harmful impurities to refractory finely dispersed non-metallic inclusions uniformly distributed inside the grains. This helps to increase ductility, while maintaining the strength properties of the steel prototype.

Введение никеля в количестве 0,05-0,5 мас. обеспечивает технологичность стали за счет улучшения прокаливаемости и устранения возможности образования в структуре феррита и крупногабаритных заготовок толщиной более 200 мм. Увеличение содержания никеля более 0,5 мас. является экономически не выгодным и способствует увеличению содержания аустенита в структуре, что снижает прочность, при уменьшении его содержания ниже 0,05 мас. не достигается эффект повышения технологичности. The introduction of Nickel in an amount of 0.05-0.5 wt. It ensures the manufacturability of steel by improving hardenability and eliminating the possibility of the formation of ferrite and large workpieces with a thickness of more than 200 mm in the structure The increase in the Nickel content of more than 0.5 wt. is economically unprofitable and contributes to an increase in the content of austenite in the structure, which reduces strength, while reducing its content below 0.05 wt. the effect of increasing manufacturability is not achieved.

Введение хрома в количестве 1,5-3,0 мас. повышает прочность и прокаливаемость стали, обеспечивая технологичность. The introduction of chromium in an amount of 1.5-3.0 wt. increases the strength and hardenability of steel, providing manufacturability.

Молибден в количестве 0,3-0,5 мас. устраняет отпускную хрупкость и повышает устойчивость стали к разупрочнению при отпуске. Molybdenum in an amount of 0.3-0.5 wt. eliminates temper brittleness and increases the resistance of steel to softening during tempering.

Введение в сталь ванадия в количестве 0,25-0,30 мас. способствует образованию дисперсных карбонитридов, что приводит к повышению прочности. При снижении ванадия ниже 0,15 мас. уменьшается количество карбонитридов и снижается прочность, при увеличении содержания ванадия более 0,30 мас. увеличивается количество крупных карбидов ванадия вдоль границ зерен, что приводит к снижению ударной вязкости и ухудшает технологичность. Introduction to steel vanadium in an amount of 0.25-0.30 wt. promotes the formation of dispersed carbonitrides, which leads to increased strength. With a decrease in vanadium below 0.15 wt. the amount of carbonitrides decreases and strength decreases, with an increase in the vanadium content of more than 0.30 wt. the amount of large vanadium carbides along grain boundaries increases, which leads to a decrease in toughness and degrades manufacturability.

Содержание азота в стали 0,05-0,20 мас. превышает предел растворимости азота в твердом растворе и способствует образованию большого количества мелкодисперсных карбидов в сочетании с вводимым углеродом в количестве 0,20-0,30 мас. и приводит к улучшению технологичности и служебных свойств за счет повышения прочности и пластичности. The nitrogen content in the steel is 0.05-0.20 wt. exceeds the solubility limit of nitrogen in solid solution and contributes to the formation of a large number of finely dispersed carbides in combination with introduced carbon in an amount of 0.20-0.30 wt. and leads to improved manufacturability and service properties by increasing strength and ductility.

Увеличение азота более 0,20 мас. приводит к увеличению в структуре доли аустенита и, следовательно, снижению прочности. При уменьшении содержания азота ниже 0,05 мас. не обеспечивается образования дисперсных карбонитридов, что приводит к снижению пластичности и ухудшению технологичности. The increase in nitrogen is more than 0.20 wt. leads to an increase in the structure of the share of austenite and, consequently, a decrease in strength. With a decrease in nitrogen content below 0.05 wt. the formation of dispersed carbonitrides is not ensured, which leads to a decrease in ductility and a decrease in manufacturability.

Отношение суммы содержаний углерода и азота к содержанию ванадия должно равняться 1,0-3,0, т.е. The ratio of the sum of the contents of carbon and nitrogen to the content of vanadium should be equal to 1.0-3.0, i.e.

1,0-3,0
При значении соотношения больше 3 по границам зерен появляется большое количество крупных карбидов; соблюдение отношения в интервале 1,0-3,0 обеспечивает образование мелкодисперсных карбонитридов внутри зерен мартенсита и аустенита и способствует повышению технологичности за счет повышения пластичности. При значении отношения менее 1,0 образуются по границам зерен крупные карбонитриды ванадия, что также приводит к ухудшению прочностных свойств и ударной вязкости.

1.0-3.0
When the ratio is greater than 3, a large number of large carbides appear along the grain boundaries; observing the ratio in the range of 1.0-3.0 ensures the formation of finely dispersed carbonitrides inside the martensite and austenite grains and helps to improve manufacturability by increasing ductility. When the ratio is less than 1.0, large vanadium carbonitrides are formed along the grain boundaries, which also leads to a deterioration in strength and toughness.

Таким образом соблюдение соотношения

1,0-3,0 при указанном выше соотношении компонентов обеспечивает снижение себестоимости и повышение технологичности при сохранении высокого уровня прочностных свойств.Therefore, compliance with the ratio

1,0-3,0 at the above ratio of components provides a reduction in cost and improved manufacturability while maintaining a high level of strength properties.

Предлагаемую сталь выплавляли в НПО ЦНИИТМАШ на установке ЭШП под давлением. С введением азота в металл в процессе переплава подачей в шлак азотосодержащих легирующих компонентов. Давление азота в плавильной камере в процессе плавления и кристаллизации до 2,0 МПа. The proposed steel was smelted at NPO TsNIITMASH using an ESR unit under pressure. With the introduction of nitrogen into the metal during the remelting process, nitrogen-containing alloying components are introduced into the slag. Nitrogen pressure in the melting chamber during melting and crystallization up to 2.0 MPa.

Металл подвергали ковке и термической обработке по следующему режиму: закалка 950^оС, 2 ч, охлаждение в масло и отпуск 500-600^оС, 6 ч, охлаждение на воздухе.Metal forging and subjected to thermal treatment according to the following regime: hardening 950 ^{° C,} 2 h, cooling in oil and tempering to 500-600 ^{° C,} 6 h, cooling in air.

Химический состав исследованных сталей приведен в табл. 1. The chemical composition of the studied steels is given in table. 1.

Механические свойства исследованных плавок представлены в табл. 2. The mechanical properties of the studied heats are presented in table. 2.

В табл. 1 приведены три состава предлагаемой стали (1-3). Состав 4 выходящий за пределы состава предлагаемого технического решения и состав 5 прототип. В табл. 2 приведены механические свойства указанных плавок после термической обработки. In the table. 1 shows three compositions of the proposed steel (1-3). Composition 4 is beyond the composition of the proposed technical solution and composition 5 is a prototype. In the table. 2 shows the mechanical properties of these melts after heat treatment.

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что сталь предлагаемого состава (1-3) обладает в сравнении со сталью-прототипом лучшей технологичностью за счет повышения пластичности и вязкости при одинаковой прочности. From the above table. 2 of the data it follows that the steel of the proposed composition (1-3) has, in comparison with the prototype steel, better processability by increasing ductility and toughness with the same strength.

При отклонении состава стали и ударная вязкость ниже, таким образом ниже технологичность и служебные свойства. When the composition of the steel is deviated, the toughness is lower, thus the processability and service properties are lower.

Предлагаемая сталь рекомендуется для изготовления крупногабаритных деталей с размерами сечений более 200 мм, например для шпилек атомных реакторов и паровых турбин диаметром 230 мм. Предлагаемая сталь находится в стадии промышленного опробования. The proposed steel is recommended for the manufacture of large-sized parts with cross-sectional dimensions of more than 200 mm, for example, for studs of nuclear reactors and steam turbines with a diameter of 230 mm. The proposed steel is in the process of industrial testing.

Claims (1)

СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, азот, ванадий, кальций, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,2 - 0,3
Кремний - 0,05 - 0,15
Марганец - 0,05 - 0,5
Хром - 1,5 - 3,0
Никель - 0,05 - 0,5
Молибден - 0,3 - 0,5
Азот - 0,05 - 0,2
Ванадий - 0,15 - 0,3
Кальций - 0,05 - 0,15
Железо - Остальное
при условии, что отношение суммы содержаний азота и углерода к содержанию ванадия составляет 1 - 3.STEEL containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, nitrogen, vanadium, calcium, iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.2 - 0.3
Silicon - 0.05 - 0.15
Manganese - 0.05 - 0.5
Chrome - 1.5 - 3.0
Nickel - 0.05 - 0.5
Molybdenum - 0.3 - 0.5
Nitrogen - 0.05 - 0.2
Vanadium - 0.15 - 0.3
Calcium - 0.05 - 0.15
Iron - Else
provided that the ratio of the sum of the nitrogen and carbon contents to the vanadium content is 1-3.

Images