Углеродистые стали для фасонного литья

Стальное фасонное литье широко используется для из­готовления деталей оборудования и аппаратов нефтехими­ческих и нефтеперерабатывающих заводов, а также дета­лей газо- и нефтепромыслового оборудования и инстру­мента.

Стальные отливки являются основными полуфабрика­тами для изготовления большой группы таких деталей нефтезаводского оборудования, как корпуса паровых и центробежных насосов весьма сложной конфигурации. Из стали изготавливают печное оборудование термических крекингов, фитинги, задвижки, предохранительные редук­ционные клапаны, дросселирующую и запорную арматуру

и др.

Наибольшее количество фасонного литья получают в пес­чаных формах. Однако ряд деталей отливают в металличе­ские формы и получают методами точного литья.

По качественным показателям отливки из углеродистой стали делят на три группы: I — отливки нормального качест­ва; II — отливки повышенного качества; III — отливки осо­бого качества.

Разница между этими группами заключается в способах выплавки стали и содержании вредных примесей.

Для исправления литой структуры, устранения ликваци-онной неоднородности и уменьшения остаточных напряже­ний стальные отливки подвергают термообработке (отжигу, нормализации, закалке, отпуску).

Закалку с отпуском применяют при изготовлении ответ­ственных деталей, это дает наилучшее сочетание механиче­ских свойств. Отливки из углеродистой стали несложной формы обычно закаливают в воде. Для предотвращения об­разования трещин отливки необходимо сразу после закалки подвергать отпуску при 600—650 °С.

Стальное фасонное литье из углеродистой стали широко используют также для изготовления деталей газо- и нефте­промыслового оборудования.

Из стали марок 15Л и 25Л изготавливают кулачковые и зубчатые муфты буровых установок.

Из стали марок 45Л и 55Л изготавливают звездочки бу­ровых установок при больших нагрузках и скоростях пере­дачи.

Сталь 35Л применяется для изготовления дисков стато­ра турбины турбобура, тормозных шкивов, корпусов под­шипников и ступиц лебедок, станин и клапанных коробок

Легированные конструкционные стали

Влияние легирующих элементов на свойства конструкционных сталей

Легированные стали (ЛС) обладают лучшими механически­ми свойствами после термообработки (закалки и отпуска). Осо­бенно сильно повышаются предел текучести и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закатки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термообработки они имеют бо­лее мелкое зерно и более дисперсные структуры. Замена углеро­дистой стали легированной из-за большей прокаливаемое по­следней позволяет проводить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изде­лий и опасность образования трещин. Поэтому ЛС применяют для изготовления не только крупных изделий, но и изделий не­большого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость. Улучшение механических свойств обусловлено влия­нием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, размер зерна.

К важнейшим факторам, способствующим повышению конструкционной прочности, относятся снижение при ле­гировании критической скорости закалки и увеличение прокаливаемости. Наиболее эффективно повышает про­каливаемое введение элементов (Cr + Mo), (Cr + Ni), (Сг + Ni + Mo).

Большинство легирующих элементов измельчают зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости.

Для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть ра­циональным. После достижения необходимой прокалива­емости избыточное легирование снижает запас вязкости и об­легчает хрупкое разрушение.

Хром — повышает твердость и прочность, сохраняет вяз­кость, увеличивает сопротивляемость стали коррозии. Вво­дят до 2 %. Он растворяется в феррите и цементите, оказы­вая благоприятное влияние на механические свойства ста­ли. К тому же хром не дефицитный легирующий элемент, что определяет его широкое применение в конструкцион­ных сталях.

Никель — повышает прочность, ударную вязкость, корро­зионную стойкость, прокаливаемое стали. Наиболее цен­ный и в то же время дефицитный легирующий элемент. Вво­дят от 1 до 5 %.

Марганец — дешевый легирующий элемент; растворяясь в феррите, повышает прочностные свойства стали, уменьшает склонность к хладноломкости. Вводят до 1,5 %. Он заметно повышает предел текучести стали, однако такая сталь чувст­вительна к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с ним вводят карбидообразующие элементы.

Кремний — дешевый некарбидообразующий элемент, ко­личество которого ограничивают 2 %. Сильно повышает пре­дел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске, снижает вязкость и повышает порог хладнолом­кости при содержании свыше 1 %.

Молибден — повышает упругость, прочность, красностой­кость, коррозионную стойкость, окалнностойкость стали. Доро­гой дефицитный карбидообразующий элемент, который раство­ряется в цементите. Основная цель введения 0,2—0,4 % Мо — уменьшение вероятности к отпускной хрупкости 11 рода, улучшение свойств легированных сталей за счет измельчения зерна, повышение стойкости к отпуску, увеличение прокали­ваемое™.

Вольфрам — образует очень твердые карбиды, резко уве­личивающие твердость и красностойкость стали. Вводят в ко­личестве 0,8—1,2 %. Влияние — как у молибдена.

Ванадий — увеличивает плотность стали, измельчает зер­но и повышает твердость и прочность. Сильный карбидообразователь. Вводят до 0,3 %. Повышение содержания недо­пустимо (так же как молибдена и вольфрама), так как при­водит к образованию специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды снижают прокаливаемость и, располагаясь по зернам, способствуют хрупкому разрушению.

Бор — вводят в микродозах (0,002—0,005 %) для увеличе­ния прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалент­но 1 % Ni; 0,5 % Сг, 0,2 % Мо.

Кобальт — увеличивает ударную вязкость, жаропрочность и магнитные свойства.

Медь — усиливает антикоррозионные свойства стали.

Титан — увеличивает прочность стали, повышает обраба­тываемость и сопротивление коррозии (так же как ванадий).

Ниобий — повышает сопротивление коррозии.

Алюминий — повышает жаростойкость (совместно с крем­нием улучшает коррозионную стойкость).

Цирконий — позволяет получать мелкозернистую сталь.

Легирующие элементы сильно влияют на фазовые превра­щения в сталях при нагревании и охлаждении, поэтому воз­действуют на структуру и свойства сталей после различной термической обработки. В сталях с небольшим и средним со­держанием углерода (до 0,6 %) во многих структурных состояниях имеется большое количество феррита. Поэтому свойства стали существенно зависят от свойств феррита. Прочность и твердость феррита повышаются в большей сте­пени при увеличении содержания в нем марганца и кремния и в меньшей степени — никеля. Наиболее слабо на твердость феррита влияют Мо, W и Сг.

Хром в небольших количествах немного повышает удар­ную вязкость, а при дальнейшем увеличении содержания -снижает ее. Ударная вязкость феррита резко снижается под влиянием молибдена, вольфрама, марганца (более 1 %), кремния (более 0,5 %), но повышается при легировании ни­келем.

Легирующие элементы существенно влияют на темпера­туру перехода феррита в хрупкое состояние (порог хладно­ломкости). Большинство легирующих элементов повышают порог хладноломкости. Никель, в отличие от других элемен­тов, существенно понижает порог хладноломкости при всех концентрациях.

Феррит является основой сорбита — структуры, получае­мой после закалки и высокого отпуска. Повышение прочно­стных свойств феррита вызывает повышение прочностных свойств сорбита легированных сталей.

Улучшение механических свойств связано также с благо­приятным влиянием легирующих элементов на прокаливаемость, измельчение зерна, замедление процессов, вызываю­щих разупрочнение стали при отпуске. Путем легирования можно получить сталь, которая после соответствующей тер­мической обработки будет иметь лучший комплекс механиче­ских свойств по сравнению с углеродистой сталью: более вы­сокую прочность при одинаковой вязкости или более высо­кую вязкость при одинаковой прочности.

Легированием можно также изменить физико-химические свойства стали и получить сталь коррознестойкую, жаро­прочную, немагнитную, магнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами. В табл. 14.1 приведен химиче­ский состав легированных конструкционных сталей.

Химический состав (%) легированных конструкционных сталей

Марка стали	с	Мп	Si Cr		Ni	Мо	Прочие
Цементуемые
15 X	0,12-0,18	-	-	0,7-1,0	-	-	-
25ХГМ	0,23-0,29	0,9-1,2	-	0,9-1,2	—	0,2-0,3	-
зохгг	0,24-0,32	0,8-1,1	-	1,0-1,3	—	—	0,03-0,09 Ti
20XH3A	0,17-0,24	-	-	0,6-0,9	2,75-3,15	—	-
12Х2Н4А	0,09-0,15	-	-	1,25-1,65	3,25-3,65	—	—
18Х2Н4МА	0,14-0,20	-	-	1,35-1,65	4,0-4,4	0,30-0,40	-
Улучшаемые
40Х	0,36-0,44	-	-	0,8-1,1	-	-	-
40ХГТР	0,38-0,45	0,7-1,0	—	0,8-1,1	—	—	0,03-0,09 Ti 0,002-0,005 В
ЗОХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,9-1,2	0,8-1,1	—	-	-
40ХНМА	0,37-0,44	-	-	0,6-0,9	1,25-1,65	0,15-0,25	—
38ХНЗМФА	0,33-0,40	-	—	1,2-1,5	3,0-3,5	0,35-0,45	0,10-0,18 V
38ХМЮА	0,35-0,42	-	-	1,35-1,65	-	0,15-0,25	0.7-1,1 AJ
Рессорно-пружинные
60С2	0,57-0,65	-	1,5-2,0	—	—	-	-
60СГА	0,56-0,64	0,8-1,0	1,3-1,8	—	-	—	—
50ХФА	0,46-0,54	-	—	0,8-1,1	-	-	0,1-0,2 V
50ХГФА	0,48-0,55	0,8-1,0	-	0,95-1,2	-	-	0,15-0,25 V
60С2ХА	0,56-0,64	-	1,4-1,8	0,7-1,0	-	—	-
60С2Н2А	0,56-0,64	-	1,4-1,8	-	1,4-1,7	-	-
Примечания. Концентрация марганца и кремния как постоянных примесей не указана. 2. Сера и фосфор находятся в пределах для качественных и высококачественных сталей.