Сталь

 

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности к стали, которая может быть использована для изготовления деталей горнорудного оборудования, работающего в условиях ударных нагрузок и абразивного износа, например козырьки и черпаки экскаваторов, бронефутеровочные плиты. С целью повышения ударной вязкости и сопротивления износу сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,90 - 1,10; марганец 10,0 - 12,5; хром 0,95 - 1,25; кремний 0,20 - 0,60; алюминий 0,05 - 0,10; кальций 0,001 - 0,006; РЗМ 0,085 - 0,20; железо - остальное, при этом соотношение между марганцем и хромом устанавливается по следующему выражению: 8 ≅ Mn/Cr ≅ 13, а соотношение между углеродом и марганцем устанавливается по выражению: 10 х % С + %Mn = 19 - 23,5. Сталь может содержать примеси, мас.%: сера менее 0,03; фосфор менее 0,08, а также следы молибдена, ниобия, ванадия, азота и сурьмы. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для изготовления деталей горнорудного оборудования, работающего в условиях ударных нагрузок и абразивного износа, например козырьки и черпаки экскаваторов, бронефутеровочные плиты.

Известна аустенитная марганцовистая сталь, упрочняемая при деформации, состоящая из следующих компонентов, мас.%: Углерод 0,7-1,7 Марганец 5,0-18,0 Хром 0-3,0 Никель 0-4,0 Молибден 0-2,5 Фосфор менее 0,1 Титан 0-0,05 Цирконий 0-0,05 Сумма титана и циркония 0,002-0,05 Железо Остальное Пределы изменения содержания углерода и основных легирующих элементов в этой стали столь широки, что при их определенном сочетании может наблюдаться резкое ухудшение качества стали. Например, при содержании марганца на нижнем пределе возможно образование мартенсита, приводящее к охрупчиванию. При содержании углерода, хрома и молибдена на верхнем пределе наблюдается обильное выпадение карбидов в стали, вызывающее резкое снижение ударной вязкости и уменьшение способности к наклепу. Все это в совокупности резко снижает эксплуатационную стойкость деталей, изготовленных из этой стали.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является сталь, состоящая из следующих компонентов, мас.%: Углерод 0,9-1,5 Марганец 9-15,5 Хром 0,2-0,7 Кремний 0,3-0,7 Молибден 0,05-0,3 Ванадий 0,02-0,3 Ниобий 0,01-0,2 Азот 0,01-0,07 Алюминий 0,01-0,2 Сурьма 0,01-0,07 Вместо сурьмы сталь может содержать или кальций, или магний, или РЗМ в количестве 0,01-0,08% . Сера Менее 0,020 Фосфор Менее 0,040 Железо Остальное Однако и эта сталь имеет существенные недостатки. Повышенное содержание углерода до 1,5% и марганца до 15,5% снижает вязкость стали и увеличивает чувствительность к трещинообразованию при отливке. Низкое содержание хрома в стали-прототипе 0,2-0,7% не обеспечивает стабильность аустенита при охлаждении. В результате выделяются карбиды, снижаются ударная вязкость и износостойкость.

Исследования показали, что наличие в стали типа Г13Л сильных карбидообразующих элементов: ванадия и ниобия - оказывает отрицательное влияние на свойства стали, снижая ударную вязкость и износостойкость вследствие выделения из аустенита специальных карбидов.

Такое же отрицательное действие оказывает и азот, который в этой стали образовывает стойкие нитриды, снижающие вязкость и износостойкость стали.

Предложенное в стали-прототипе содержание молибдена слишком мало и поэтому неэффективно в части влияния на стабильность аустенита. Оно может быть с успехом заменено более высоким содержанием хрома в стали.

Слишком низко и поэтому мало эффективно в стали-прототипе содержание модифицирующих добавок сурьмы или РЗМ в количестве 0,01-0,08%. Для обеспечения благоприятного влияния модифицирования необходимо одновременно вводить в сталь и кальций и РЗМ, при этом количество РЗМ должно быть повышено.

Целью изобретения является повышение ударной вязкости и сопротивления износу за счет повышения способности стали к наклепу.

Указанная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, хром, алюминий, кальций, РЗМ, серу, фосфор, железо, согласно изобретению имеет следующий состав, мас.%: Углерод 0,90-1,10 Марганец 10,0-12,5 Хром 0,95-1,25 Кремний 0,20-0,60 Алюминий 0,05-0,10 Кальций 0,001-0,006 РЗМ 0,085-0,2 Сера менее 0,03 Фосфор менее 0,08 Железо Остальное, при этом соотношение между марганцем и хромом удовлетворяет выражению 8 ≅ ≅ 13 (1), а соотношение между углеродом и марганцем удовлетворяет выражению 10 х %С + %Мn = 19-23,5 (2).

Сталь может содержать примеси: следы ниобия, молибдена, ванадия, азота и сурьмы.

Содержание в марганцовистой аустенитной стали хрома в количестве 0,95-1,25 мас. % при заданном количестве и соотношении углерода и марганца увеличивает ударную вязкость и износостойкость стали при ударном нагружении за счет увеличения прокаливаемости и повышения способности к наклепу.

При содержании хрома ниже нижнего предела происходит уменьшение прокаливаемости, в структуре наблюдается выпадение карбидов, ударная вязкость снижается, способность к наклепу и износостойкость стали уменьшаются.

При содержании хрома выше верхнего предела наблюдается интенсивное выпадение карбидов и это приводит к снижению ударной вязкости и износостойкости.

Содержание хрома зависит от количества марганца в стали, ибо и тот и другой элемент увеличивают прокаливаемость стали, затрудняют выпадение избыточных карбидов, которые отрицательно влияют на все свойства стали. Поэтому при увеличении содержания марганца в рамках заданного состава целесообразно снижать количество хрома в пределах, оговоренных выражением (1), иначе появятся избыточные карбиды, снижаются ударная вязкость и износостойкость.

При снижении содержания марганца в рамках заданного состава целесообразно увеличивать количество хрома в пределах, оговоренных выражением (1), иначе может проявиться пониженная прокаливаемость стали, в процессе термической обработки выпадают карбиды, уменьшаются ударная вязкость и износостойкость.

В свою очередь, необходимо регламентировать количество и соотношение углерода и марганца по уравнению (2). Углерод и марганец являются основными элементами, которые, находясь в твердом растворе, придают стали способность интенсивно наклепываться при приложении нагрузки и в связи с этим увеличивать износостойкость. Поэтому при снижении суммарного содержания углерода и марганца ниже нижнего предела, оговоренного уравнением (2), наблюдается уменьшение износостойкости вследствие снижения способности стали к наклепу.

При увеличении суммарного содержания углерода и марганца выше верхнего предела, оговоренного уравнением (2), происходит выделение карбидов, что вызывает снижение вязкости и износостойкости.

В предлагаемой стали в отличие от прототипа не содержится сильных карбидообразующих элементов: ванадия и ниобия, а также азота, которые по исследованиям оказывают отрицательное воздействие на свойства стали, вызывая образование специальных карбидов и нитридов, снижающих ударную вязкость и износостойкость.

В предлагаемой стали не содержится также молибдена, который заменен на более высокое содержание хрома.

Предлагаемая сталь в отличие от стали-прототипа обязательно содержит кальций в пределах 0,001-0,006 мас.%. Кальций, являясь хорошим раскислителем и дегазатором, существенно улучшает свойства стали.

При содержании кальция менее 0,001 мас.% его действие неэффективно вследствие малого содержания. При содержании кальция более 0,006 мас.% увеличивается количество продуктов раскисления в стали, снижающих ее качество и в первую очередь ударную вязкость.

Предлагаемая сталь в отличие от стали-прототипа обязательно содержит РЗМ в пределах 0,085-0,2 мас.%. Введение в сталь РЗМ в указанном количестве обеспечивает модифицирующее воздействие, связывает азот и серу, приводит к образованию мелких и равномерно распределенных неметаллических включений, обеспечивает измельчение зерна, способствующее повышению ударной вязкости и износостойкости стали.

При содержании в стали РЗМ менее 0,085 мас.% модифицирующее воздействие РЗМ проявляется слабо, измельчения зерна не происходит и свойства стали не улучшаются. При содержании РЗМ более 0,2 мас.% наблюдается повышение избыточного содержания РЗМ в твердом растворе стали, что приводит к снижению вязкости стали.

Проводилось исследование свойств на четырех опытных составах предлагаемой стали (плавки 1-4), одном составе стали, использованной в качестве прототипа (плавка 7) и на двух плавках (плавки 5 и 6), имеющих отклонения от заданного состава.

Химический состав исследованных сталей представлен в табл. 1.

Выплавка сталей проводилась в шестидесятикилограммовой индукционной печи с основным тиглем. Разливка стали осуществлялась в четырехлепестковые трефы (толщина лепестка 18 мм). Трефы проходили термическую обработку по режиму: нагрев до 1150^оС, выдержка 2 ч, охлаждение в воде.

Проводились исследования качества всех выплавленных сталей: изучалась микроструктура, определялась ударная вязкость, замерялась твердость по Бринеллю в исходном после термообработки состоянии, а также после ударного нагружения падающим грузом с энергией удара 1,5 тм. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

В плавках описываемой стали (плавки 1-4) после термической обработки по указанному режиму наблюдается однородная структура аустенита без выделений карбидов. В плавке известной стали (плавка 7), а также в плавках, имеющих отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6), наблюдаются выделения карбидов. Таким образом, описываемая сталь в отличие от известной стали имеет однородную структуру аустенита без выделений карбидов.

Такая структура описываемой стали (плавки 1-4) обеспечивает получение высоких значений ударной вязкости, которые значительно превосходят свойства известной стали (плавка 7), а также сталей, имеющих отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6) (см. табл. 2).

Исходная твердость всех исследованных сталей несущественно различается, хотя отмечается небольшое повышение твердости у плавок (1-4) описываемой стали. Однако твердость после наклепа ударом с энергией 1,5 тм повышается значительно более интенсивно в плавках 1-4 описываемой стали по сравнению с известной сталью (плавка 7) и плавками, имеющими отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6) (см. табл. 2).

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что описываемая сталь в отличие от известной стали имеет более благоприятную однородную структуру аустенита, высокие значения ударной вязкости и обладает повышенной способностью к наклепу, что обеспечивает при эксплуатации этой стали длительную работоспособность в условиях ударных нагрузок и воздействия износа, что является особенно важным для горнорудного оборудования.

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, алюминий, кальций, редкоземельные металлы, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения ударной вязкости и сопротивления износу, она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,90 - 1,10 Марганец - 10,0 - 12,5 Кремний - 0,20 - 0,60
Алюминий - 0,05 - 0,10
Кальций - 0,001 - 0,006
Хром - 0,96 - 1,25
Редкоземельные металлы - 0,085 - 0,20
Железо - Остальное
при этом выполняются следующие соотношения:

10 · углерод + марганец = 19 + 23,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2