Жаростойкая литейная сталь

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Горецкий Георгий Прокопьевич Горецкий Вадим Георгиевич Бенеш Андрей Михайлович Лобанов Эдуард Геннадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Жаростойкая литейная сталь, содержащая углерод, никель, хром, кремний, марганец,алюминий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит селен при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,35-0,45 никель 16,0-18,0 хром 22,0-25,0 кремний 2,5-3,5 марганец 0,3-0,6 алюминий 0,1-0,3 селен 0,03-0,04 железо остальное,14508 1 2011.06.30 при условии, что никелевый эквивалент экв превышает хромовый эквивалент экв на величину от 0,7 до 1,5,где экв 0,530,экв 2,5. Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составу аустенитной хромоникелевой стали, обладающей высоким сопротивлением к науглероживанию, повышенной эксплуатационной стойкостью при температурах до 1000 С и может быть использована при изготовлении оснастки термических печей. Известны жаростойкие литейные стали следующего состава углерод 0,2-0,4 титан 0,015-0,05 1 никель 27-37 ниобий 0,002-0,2 хром 22-28 бор 0,0045-0,0085 кремний 0,4-1,0 ванадий 0,05-0,15 марганец 0,8-1,5 молибден 0,15-0,3 алюминий 0,088-0,3 железо остальное. Недостатком данной стали является неоправданно завышенное содержание дорогостоящего и дефицитного никеля, значительно удорожающее стоимость жаростойких сталей. Никель практически не влияет на науглероживание жаростойких сталей, работающих в термических агрегатах, содержащих науглероживающую атмосферу (печи цементации). Поэтому в подобной стали можно сократить концентрацию никеля до пределов, обеспечивающих создание аустенитной структуры или аустенитной основы, но без образования феррита, который может снизить жаропрочность сталей. Наиболее близким по технической сущности является жаростойкая сталь 2 следующего состава, мас.углерод 0,1-0,3 титан 0,3-0,5 2 хром 24,0-28,0 иттрий 0,1-0,2 никель 16,0-20,0 магний 0,01-0,02 кремний 1,0-1,5 медь 0,5-1,0 марганец 1,0-1,5 алюминий 0,1-0,3 цирконий 0,6-1,0 железо остальное. ниобий 1,0-2,0 Сталь имеет удовлетворительную жаростойкость и износостойкость при температуре до 950 С, но обладает низкой эксплуатационной стойкостью, обусловленной образованием трещин. Задачей настоящего изобретения является повышение трещиностойкости и соответственно эксплуатационной стойкости жаростойкой стали. Поставленная задача решается тем, что жаростойкая литейная сталь, содержащая углерод, никель, хром, кремний, марганец, алюминий и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит селен при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,35-0,45 никель 16,0-18,0 хром 22,0-25,0 кремний 2,5-3,5 марганец 0,3-0,6 алюминий 0,1-0,3 селен 0,03-0,04 железо остальное,при условии, что никелевый эквивалент экв превышает хромовый эквивалент экв на величину от 0,7 до 1,5,2 14508 1 2011.06.30 где экв 0,530(С) экв 21,5. Основной причиной охрупчивания жаростойкой стали для оснастки термических печей, работающей в науглероживающей атмосфере - диффузия углерода и соответственно увеличение прочности и снижение пластичности. Поэтому сущность изобретения заключается в комплексном подборе ингредиентов,который ограничивает диффузию углерода в жаростойкую сталь и образует такую структуру, которая обладает удовлетворительной пластичностью и сохраняет высокие прочностные свойства во всем температурном интервале эксплуатации. Концентрацию углерода принимаем в пределах 0,35-0,45 . Для того чтобы снизить содержание дорогостоящего никеля, углерода должно быть не менее 0,35 . Содержание углерода более 0,45 даже опасно, т.к. способствует образованию крупных конгломератов первичных карбидов хрома типа 236. Углерод является одним из самых сильных аустенизаторов, но образует метастабильный аустенит. Поэтому для полной реализации аустенитообразующей способности его необходимо вводить в состав сталей элементы, стабилизирующие аустенит. В данных сталях таким элементом в первую очередь является никель и частично марганец. С тем чтобы получить достаточно высокую жаропрочность и пластичность жаростойкой стали, она должна иметь аустенитную структуру или хотя бы аустенитную основу. Это решается в основном за счет введения определенного содержания никеля и углерода. Для получения стабильной аустенитной основы жаростойкой стали, обладающей высокой жаростойкостью и достаточной пластичностью, необходимо не менее 16,0 никеля. Верхний предел его можно ограничить 18,0 , т.к. выше этого содержания свойства стали не повышаются. Для придания стали высоких жаростойких свойств при температурах до 1000 С необходимо вводить хрома не менее 22,0 , а при содержании более 25,0 он также может привести к появлению ферритной составляющей, снижающей жаропрочные свойства стали. Чтобы снизить диффузию углерода предполагается повысить концентрацию кремния до 2,5-3,5 , который снижает диффузию углерода и повышает жидкотекучесть стали. При концентрации кремния менее 2,5 его недостаточно для эффективного предотвращения диффузии углерода, при содержании более 3,5 он может вызвать появление феррита в структуре стали. Марганец в стали необходим при проведении плавки для раскисления расплава. Содержание его для этой цели должно быть не менее 0,3 . При содержании марганца более 0,6 он не эффективен. Алюминий, образуя при высоких температурах окисел 23, является поверхностным барьером для предотвращения проникновения углерода во внутренние слои деталей печной оснастки. Менее 0,1 является недостаточным, а более 0,3 алюминия, при сильной ферритообразующей способности, может вызвать образование феррита. Для получения однородного химического состава стали, снижения дендритной ликвации предполагается обрабатывать расплав сталей поверхностно-активными элементамимодификаторами, а именно - селеном . Кроме того, этот модификатор очищает границы зерен и увеличивает количество центров кристаллизации. Оптимальным количеством является 0,03-0,04 по массе. Высокая эксплуатационная стойкость (трещиностойкость) определяется прочностью и пластичностью во всем температурном интервале до 1000 С и зависит от концентрации аустенитообразующих и ферритообразующих элементов. Как показывают испытания, никелевый эквивалент (экв) должен быть несколько больше хромового эквивалента (экв) с тем, чтобы отсутствовал феррит в структуре стали. Они определяются по следующим эмпирическим формулам 14508 1 2011.06.30 экв 0,530(С) 3 экв 21,5. В качестве образцов для испытания эксплуатационной стойкости сталей были использованы разработанные образцы-фрагменты. Они представляют из себя аналог поддона для термической обработки деталей в миниатюре с 12 бобышками, которые отрезаются через определенное время эксплуатации (30, 60, 90 суток и т.д.) для исследования микроструктуры. На образцах-фрагментах оценивалось образование трещин в углах образцов около бобышек. На шлифах, изготовленных из бобышек, определялась кинетика структурных превращений. На фиг. 1 показан образец-фрагмент, где 1 - питатель образца, 2 - бобышки. Образцы-фрагменты отливались в сухие стержневые формы. Вес образцов - 1 кг. С тем чтобы более точно получить химический состав опытных сталей, выплавка стали проводилась на индукционной вакуумной электропечи ИСВ 0,004-П 4-М в тигле из диоксида циркония. Заливка проводилась в атмосфере аргона. Селен вводился в последнюю очередь в виде лигатуры 50. Были проведены опытные плавки заявляемой стали (составы 2-4) и известной (прототип). Предлагаемая сталь имела состав, соответствующий минимальному (2), среднему (3) и максимальному (4) заявляемому содержанию основных компонентов, а также ниже минимального (1) и выше максимального (5). Химический состав опытных плавок стали представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав опытных плавок стали, мас.образца углерод хром никель марганец алюминий селен кремний цирконий ниобий титан иттрий магний медь экв - экв Испытание образцов-фрагментов производилось на производственном безмуфельном агрегате для проведения цементации по следующему режиму процесс цементации при температуре 900-910 С, 12 часов с подстуживанием до 550 С, повторный нагрев под закалку до 850 С и закалка в масле при 120 С. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Таблица 2 Трещиностойкость поддоновобразца Время до появления трещин в процессе эксплуатации по режиму полного цикла цементации, месяц 14508 1 2011.06.30 Из анализа результатов, приведенных в табл. 1 и 2, следует, что наилучшим сочетанием свойств (трещиностойкости) и наиболее высокой эксплуатационной стойкостью обладают стали с химическим составом, соответствующим мас.2, 3, 4. Результаты сравнительных испытаний показывают, что предлагаемая сталь по сравнению с прототипом обладает повышенной трещиностойкостью, и надо полагать, печная оснастка из нее имеет более высокую эксплуатационную стойкость, что отвечает поставленной при разработке стали задаче. Источники информации 1. А.с. СССР 1356512 А. Литая жаростойкая сталь / И.Б.Гилевич, В.И.Вавилин. 2. А.с. СССР 2308533 С 1. Сталь / Ю.А.Щепочкина // Бюл.29. - 20.10.2007 (прототип). 3. Гольштейн М.М., Грачев С.В., Векслер Ю.Т. Специальные стали. - Москва Металлургиздат, 1985. - С. 408. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5