Конструкционная низколегированная литейная сталь
Владельцы патента RU 2414523:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления ответственных деталей машин и механизмов с толщиной стенок до 50 мм, работающих при ударных и циклических изменяющихся нагрузках и в условиях трения. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, алюминий, азот, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,30-0,35, кремний 0,20-0,40, марганец 0,20-0,35, хром 0,15-0,35, никель 0,02-0,06, кальций 0,02-0,05, алюминий 0,02-0,05, азот 0,002-0,03, сера 0,01-0,04, фосфор 0,02-0,04, железо остальное. Повышаются упругопластические свойства, износостойкость и трещиностойкость. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления ответственных деталей машин и механизмов с толщиной стенок до 50 мм, работающих при ударных и циклически изменяющихся нагрузках и в условиях трения (балансиры, барабаны, кронштейны, катки и др.).
Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (А.с. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,15-0,20 |
| Кремний | 0,30-0,60 |
| Марганец | 1,20-1,50 |
| Хром | 1,20-1,50 |
| Никель | 1,80-2,20 |
| Молибден | 0,20-0,30 |
| Медь | 0,80-1,20 |
| Титан | 0,10-0,15 |
| Церий | 0,05-0,10 |
| Ванадий | 0,10-0,15 |
| Кальций | 0,03-0,08 |
| Азот | 0,008-0,02 |
| Барий | 0,05-0,10 |
| Железо | остальное. |
Известная сталь имеет высокую прочность и износостойкость, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.
Известна также конструкционная низколегированная сталь (А.с. ЧССР №185825, МПК С22С 38/44, 1980) следующего состава, мас.%:
| Углерод | 0,25-0,35 |
| Кремний | 0,40-0,60 |
| Марганец | 0,40-0,80 |
| Никель | 0,40-0,60 |
| Хром | 0,50-0,70 |
| Молибден | 0,40-0,60 |
| Ванадий | 0,05-0,10 |
| Фосфор | до 0,025 |
| Сера | до 0,025 |
| Железо | остальное. |
Эта сталь с большим содержанием легирующих добавок обладает высокой твердостью и износостойкостью, но низкими показателями ударной вязкости и используется только для массивных отливок, не подвергаемых ударным нагрузкам.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 32Х06Л (ГОСТ 977-88), содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,25-0,35 |
| Кремний | 0,20-0,40 |
| Марганец | 0,40-0,90 |
| Хром | 0,50-0,80 |
| Фосфор | до 0,05 |
| Сера | до 0,05 |
| Железо | остальное. |
После закалки и отпуска известная сталь обладает следующими свойствами: предел текучести - 441-450 МПа; ударная вязкость - 49,1-53,0 Дж/см2; средний износ при сухом трении - 420-450 мг/гс. Известная сталь склонна к трещинам и обладает низкой пластичностью. Относительное удлинение составляет 10-12%.
Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств, износо- и трещиностойкости стали.
Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит никель, кальций, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,30-0,35 |
| Кремний | 0,20-0,40 |
| Марганец | 0,20-0,35 |
| Хром | 0,15-0,35 |
| Никель | 0,02-0,06 |
| Кальций | 0,02-0,05 |
| Алюминий | 0,02-0,05 |
| Фосфор | 0,02-0,04 |
| Сера | 0,01-0,04 |
| Азот | 0,002-0,03 |
| Железо | остальное. |
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Никель 0,02-0,06% и хром в количестве от 0,15 до 0,35% являются основными микролегирующими элементами, повышающими твердость, износостойкость, предел выносливости стали в отливках. Однако при увеличении концентрации никеля и хрома соответственно более 0,06% и 0,35% повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает трещиностойкость, эксплуатационные и упругопластические свойства. При их концентрации соответственно менее 0,02% и 0,15% прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются и недостаточны.
Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% кальция обусловлено высокой его модифицирующей способностью и химической активностью, что оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая износостойкость, упругопластические свойства и трещиностойкость. При концентрации его менее 0,02% микролегирующее действие и дисперсность структуры недостаточны, а при увеличении содержания кальция более 0,05% значительно повышается угар и снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.
Содержание углерода 0,30-0,35% и кремния 0,2-0,4% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с перлитной структурой и с высокими характеристиками пластичности. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,35% и 0,40% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при снижении их концентрации соответственно ниже 0,30% и 0,20% увеличивается содержание феррита в структуре и снижаются твердость, предел текучести, износостойкость и литейные свойства.
Содержание марганца снижено до концентрации 0,20-0,35%, так как при содержании более 0,35% он снижает ударную вязкость и увеличивает склонность к трещинам. При концентрации марганца менее 0,20% износостойкость в отливках недостаточна.
Дополнительное введение азота в количестве 0,002-0,03% обусловлено его влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. Снижение пластичности отмечается при повышении содержания азота более 0,03%. При концентрации его менее 0,002% износостойкость и упругопластические свойства недостаточны.
Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% алюминия обусловлено его высокой раскисляющей и нитридообразующей способностью, которая оказывает значительное влияние на дисперсность структуры, повышая упругопластические свойства. При концентрации его менее 0,02% дисперсность структуры недостаточна, а при увеличении содержания его более 0,05% повышается концентрация нитридов алюминия по границам зерен, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.
При содержании серы в количестве от 0,01 до 0,04% не отмечается снижение упругопластических свойств, износостойкости, предела выносливости и эксплуатационных свойств. Для снижения концентрации серы менее 0,01% необходимы более чистые и дорогие шихтовые материалы и ферросплавы, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.
Фосфор является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим литейные свойства, износостойкость и предел выносливости. Его содержание в количестве от 0,02 до 0,04% обеспечивает существенное повышение трещиностойкости, предела выносливости и литейных свойств. При снижении концентрации фосфора менее 0,02% литейные свойства и трещиностойкость недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.
Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, ферроникеля и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1650-1670°С. Легирование феррохромом, азотированным ферромарганцем и ферроникелем, производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - алюминотермическими таблетками, содержащими силикокальций, - в стопорном ковше. Для определения свойств сталей заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний в сухие и жидкостекольные литейные формы. В таблице 1 приведены химические составы литейных сталей опытных плавок.
Определение прочностных свойств сталей проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов. Для определения ударной вязкости использовались образцы 10×10×55 мм. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах после закалки с температуры 880-890°С и отпуска при 560-600°С.
| Таблица 1 | ||||||
| Химические составы литейных сталей опытных плавок | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное) литейных сталях для составов | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 0,27 | 0,12 | 0,30 | 0,33 | 0,35 | 0,38 |
| Кремний | 0,35 | 0,18 | 0,20 | 0,27 | 0,40 | 0,46 |
| Марганец | 0,78 | 0,17 | 0,20 | 0,22 | 0,35 | 0,44 |
| Хром | 0,70 | 0,12 | 0,15 | 0,23 | 0,25 | 0,38 |
| Фосфор | 0,04 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,07 |
| Никель | - | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,08 |
| Кальций | - | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,05 | 0,06 |
| Алюминий | - | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 |
| Сера | 0,05 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,05 |
| Азот | - | 0,001 | 0,002 | 0,012 | 0,03 | 0,035 |
| Таблица 2 | ||||||
| Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок | ||||||
| Свойства литейных сталей | Показатели свойств для составов литейных сталей опытных плавок | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Предел текучести, МПа | 445 | 437 | 452 | 468 | 460 | 448 |
| Относительное удлинение, % | 12 | 12 | 16 | 20 | 18 | 14 |
| Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе) | 9,2 | 8,4 | 6,0 | 7,5 | 7,2 | 8,1 |
| Предел коррозионной усталости, МПа | 192 | 194 | 212 | 225 | 232 | 220 |
| Скорость изнашивания при сухом трении, мг/гс | 425 | 418 | 340 | 325 | 308 | 392 |
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 46 | 51 | 56 | 65 | 61 | 54 |
Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, алюминий, азот, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,30-0,35 |
| кремний | 0,20-0,40 |
| марганец | 0,20-0,35 |
| хром | 0,15-0,35 |
| никель | 0,02-0,06 |
| кальций | 0,02-0,05 |
| алюминий | 0,02-0,05 |
| азот | 0,002-0,03 |
| сера | 0,01-0,04 |
| фосфор | 0,02-0,04 |
| железо | остальное |
