конструкционная сталь

Формула изобретения

КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,34 0,42

Кремний 0,17 0,37

Марганец 0,4 0,7

Хром 0,8 1,1

Молибден 0,2 0,3

Ванадий 0,10 0,18

Никель 0,4 0,7

Алюминий 0,005 0,020

Железо Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии железа, точнее к сплавам черных металлов, и предназначено для применения при непрерывной разливки стали для изготовления деталей буровых замков.

Известна сталь 40ХН, содержащая, в мас. углерода 0,36-0,44, кремния 0,17-0,37, марганца 0,5-0,8, хрома 0,45-0,75, никеля 1,0-1,4 (см.ГОСТ 4543-71).

Недостатком известной стали является недостаточная стойкость изготовленных из нее буровых замков при бурении на глубину 3-5 км и более из-за недостаточно высоких механических свойств (предел прочности 100 кгс/см², ударная вязкость а_ксv 7 кгс см/см²) и поэтому применяемой только при изготовлении буровых замков для бурения на глубину до 1000-1500 м.

Кроме того, при разливке на установках непрерывной разливки наблюдается появление осевой пористости, что ведет к браку слитков.

Известна другая сталь 40ХМФА, содержащая (в мас.): углерода 0,37-0,44, кремния 0,17-0,37, марганца 0,4-0,7, хрома 0,8-1,0, молибдена 0,2-0,3, ванадия 0,10-0,18 (см. ГОСТ 4543-71).

Эта сталь, принятая за прототип, обладает более высокими прочностными свойствами и ударной вязкостью ( 105 кгс/см², а_ксv 9 кгс см/см²), что позволяет повысить стойкость полученных из нее буровых замков и применять их для бурения на глубину 6-8 км.

Кроме того, по нормативной технической документации на буровые замки (ГОСТ 5286-75) а_ксv 6 кгс см/см².

Другим недостатком стали является ее низкая технологичность проявляющаяся в том, что при непрерывной отливки из нее слитков на последних образуется большое количество нитевидных разъеданий в осевой зоне, что объясняется низкой пластичностью стали при высокой температуре (1000-1300^оС). Например, количество слитков сечений 270х370 мм из стали с указанным дефектом достигает 8-20,5% который не устраняется и после прокатки и является браковочным признаком. Разливка же этой стали на канаве дает низкий выход годного (70-80% ) за счет обрези от низа и верха слитка. Таким образом, недостатком этой стали является ограниченность ее технических возможностей по причине низкой стойкости полученных из нее буровых замков.

Задачей изобретения является разработка стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден и ванадий и характеризующейся механическими свойствами, допускающими применение ее для изготовления буровых замков, используемых на глубине 6-8 км, но обладающей более высокой технологичностью за счет увеличения ударной вязкости при сохранении прочностных характеристик за счет исключения центральных трещин, что обеспечивает при непрерывной разливке более высокий выход годного.

Усовершенствование известного технического решения достигается тем, что стали, содержащую углерод, кремния, марганец, хром, молибден, ванадий и железо, понижено содержание углерода, при этом в нее дополнительно введены никель и алюминий при следующем соотношении ингредиентов, мас. Углерод 0,34-0,42 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,4-0,7 Хром 0,8-1,1 Молибден 0,2-0,3 Ванадий 0,10-0,18 Никель 0,4-0,7 Алюминий 0,005-0,020 Железо Остальное

Введение никеля в указанных пределах позволяет полностью исключить образование в осевой зоне слитка нитевидных "разъеданий" и мелкокристаллитных трещин за счет повышения пластических свойств стали при высоких температурах (1000-1300^оС).

Кроме того, введение никеля в сталь позволяет повысить при этом пластические свойства, сохраняя прочностные свойства, и снижая содержание углерода в стали.

Введение алюминия в пределах 0,005-0,020% позволяет повысить ударную вязкость за счет измельчения зерна.

Введение одного только никеля не позволяет сохранить ударную вязкость, а введение одного алюминия не позволяет исключить брак слитков по нитевидным разъеданиям.

Таким образом, только совместное введение никеля и алюминия позволяет решить поставленную задачу, т.е. сохранить необходимое сочетание требуемых прочностных свойств и ударной вязкости при одновременном повышении технологических свойств стали и исключить брак непрерывнолитых слитков по вышеуказанному дефекту.

Введение никеля менее 0,4% не дает положительного эффекта, т.к. при высоких температурах не достигается повышение пластических свойств и не исключается образование нитевидных разъеданий в непрерывном слитке.

При введении никеля более 0,7% в слитках образуются центральные паукообразные трещины, что недопустимо по ГОСТ 10243-62.

Введение алюминия менее 0,005% не обеспечивает сохранения показателя ударной вязкости, а более 0,020% приводит в условиях непрерывной отливки к повышенному браку слитков по подкорковым пузырям из-за необходимости применения кислорода для прожигания каналов стаканов сталеразливочного ковша и промежуточного устройства для подачи стали из ковша в кристаллизатор.

Отработка состава заявляемой стали была проведена на Пермском машиностроительном заводе им.В.И.Ленина при выплавке стали в 70-тонной мартеновской печи с последующей разливкой на трехручьевой установке непрерывной разливки стали вертикального типа в слитки сечением 270х370 мм. Полученные слитки катали на крупносортовом стане "710" на профиль диаметром 140 мм. Из полученного проката вырезали стандартные продольные образцы для механических испытаний (на расстоянии 1/3 радиус от поверхности). Образцы подвергали термической обработке (нормализация с 860^оС, закалка с 860^оС в масле, отпуск 550^оС в масле). Кроме того, на каждой плавке от трех слитков каждого ручья, соответствующих началу, середине и конце разливки, вырезали диски для контроля макроструктуры, которые травили в 50%-ном растворе соляной кислоты.

Результаты испытаний представлены в таблице, в которой приведены также результаты испытаний известных сталей (варианты N 12, 13).

Из таблицы видно, что применение заявляемой стали (варианты N 1-3) обеспечивает по сравнению с известными сталями (варианты N 12, 13) одновременное повышение ударной вязкости и предела прочности при повышении качества металла слитков.

Опробование показало также, что получение стали с выходящими за заявляемые пределы содержанием никеля и алюминия (варианты N 4-11) приводят либо к уменьшению ударной вязкости и предела прочности и появлению межкристаллитных трещин в осевой зоне (вариант N 6) или образованию паукообразных разъеданий в осевой зоне (варианты N 7, 10), что снижает качество металла слитков и уменьшает стойкость изготовленных из этой стали буровых замков или бракируются, либо приводит к образованию подкорковых пузырей и снижению механических свойств (варианты N 4, 9, 11), что ведет к браку слитков, либо к уменьшению предела прочности и ударной вязкости (варианты N 5, 8), что снижает стойкость изготовленных из стали буровых замков.

Предлагаемая сталь по сравнению со сталью-прототипом обладает более высокой ударной вязкостью (ударная вязкость возрастает с 6 кгс см/см² до 7,8-10,7 кгс см/см²), пределом прочности, который возрастает с 90-105 кгс/см² до 109-115 кгс/см², а также высоким качеством металла слитков, что повышает стойкость изготовленных из этой стали буровых замков.

Заявляемая сталь по сравнению с известными сталями за счет введения никеля и алюминия обладает более высокой ударной вязкостью за счет измельчения зерна с одновременным повышением предела прочности и более технологична при получении слитков, в которых, отсутствуют нитевидные разъедания в осевой зоне за счет повышения пластических свойств стали при высоких температурах, что позволяет получать из нее буровые замки для бурения сверхглубоких скважин.