Конструкционная низколегированная литейная сталь
Владельцы патента RU 2439193:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу конструкционной низколегированной литейной стали, используемой для изготовления ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузках. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу, титан, сурьму, алюминий, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,17-0,25, кремний 0,17-0,35, марганец 0,90-1,20, хром 0,90-1,20, титан 1,02-1,50, сурьма 0,03-0,30, фосфор 0,02-0,06, сера 0,02-0,06, алюминий 0,07-0,23, кальций 0,02-0,05, железо остальное. Повышаются упругопластические свойства и трещиностойкость стали. 2 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления крестовин, рычагов для топливных опор, фланцев, шестерен, звездочек и других ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузок.
Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (авт. св. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:
| Углерод | 15-0,20 |
| Кремний | 30-0,60 |
| Марганец | 20-1,50 |
| Хром | 20-1,50 |
| Никель | 80-2,20 |
| Молибден | 20-0,30 |
| Медь | 80-1,20 |
| Титан | 10-0,15 |
| Церий | 05-0,10 |
| Ванадий | 0,10-0,15 |
| Кальций | 03-0,08 |
| Азот | 0,008-0,02 |
| Барий | 0,05-0,10 |
| Железо | остальное |
Известная сталь имеет высокие характеристики прочности, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.
Известна также конструкционная низколегированная сталь (патент 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 содержит большое количество карбидообразующих элементов, обладает низкими характеристиками пластичности, предела текучести и используется только для массивных зубчатых колес и других литых деталей, не подвергаемым ударным нагрузкам.
По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 25ХГЛ (ГОСТ 977 - 88), содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,20-0,30 |
| Кремний | 0,20-0,50 |
| Марганец | 0,85-1,15 |
| Хром | 0,90-1,30 |
| Фосфор | до 0,04 |
| Сера | до 0,04 |
| Железо | Остальное |
Известная сталь обладает средней категорией прочности (КТ 35), но недостаточными упругопластическими свойствами и трещиностойкостью. Механические свойства известной стали: предел текучести - 383-400 МПа; относительное удлинение - 10-12%; относительное сужение - 20-22%; ударная вязкость - 16,7 18,5 Дж/см2. Предел коррозионной усталости стали составляет 175-190 МПа.
Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств и трещиностойкости стали.
Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,25 |
| Кремний | 0,17-0,35 |
| Марганец | 0,90-1,20 |
| Хром | 0,90-1,20 |
| Титан | 1,02-1,50 |
| Сурьма | 0,03-0,30 |
| Фосфор | 0,02-0,06 |
| Сера | 0,02-0,06 |
| Алюминий | 0,07-0,23 |
| Кальций | 0,02-0,05 |
| Железо | Остальное |
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны 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.
Содержание углерода (0,17-0,25) мас.%, кремния (0,17-0,35) мас.%, фосфора (0,02-0,06) мас.% и серы (0,02-0,06) мас.% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с преимущественно мелкозернистой перлитной структурой, с высокими характеристиками упругопластических свойств. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,25 мас.% и 0,35 мас.% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при уменьшении их концентрации соответственно ниже 0,17 мас.% каждого снижаются однородность и стабильность структуры и трещиностойкость отливок.
Дополнительное введение титана в количестве 1,02-1,50 мас.% обусловлено его высокой химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 1,02 мас.% модифицирующий эффект, пластические свойства и трещиностойкость низкие, а при увеличении содержания титана более 1,50 мас.% увеличивается угар, снижаются однородность и упругопластические свойства.
Сурьма в количестве 0,03-0,30 мас.% является легирующим и перлитизирующим структуру компонентом, повышающим упругопластические свойства и предел выносливости. При снижении концентрации сурьмы менее 0,03 мас.% упругопластические свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,30 мас.% снижаются характеристики предела текучести, трещиностойкости и относительного удлинения.
Дополнительное введение алюминия в количестве (0,07-0,23) мас.% обусловлено его раскисляющей и модифицирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 0,07 мас.% модифицирующий эффект и упругопластические свойства низкие, а при увеличении содержания алюминия более 0,23 мас.% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры и трещиностойкость стали.
Дополнительное введение кальция 0,02-0,05 мас.% обусловлено его высокой рафинирующей активностью, он очищает границы зерен и оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая упругопластические свойства.
При концентрации его менее 0,02 мас.% модифицирующий эффект, трещиностойкость и упругопластические свойства стали низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 мас.% он полностью не растворяется в металлической основе, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.
Хром и марганец в количествах от 0,9 до 1,2 мас.% являются основными легирующими элементами, повышающими прочность, твердость, трещиностойкость, предел выносливости, коррозионную стойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и марганца более 1,2 мас.% каждого повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает упругопластические свойства. При их концентрации менее 0,9 мас.% каждого прочность, трещиностойкость, твердость, предел текучести значительно снижаются и недостаточны.
Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального низколегированного лома, металлического марганца, низкоуглеродистого хрома, металлической сурьмы, ферросиликомарганца, ферротитана, силикокальция и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1560-1600°С, а при раскислении алюминием - 1610-1630°С. Легирование расплава ферросиликомарганцем, хромом и сурьмой производят в печи, а модифицирование - в ковше с использованием алюминотермических присадок в виде таблеток диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Для определения свойств стали 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. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.
Как видно из таблицы 2, предложенная низколегированная литейная сталь обладает более высокими упругопластическими свойствами и трещиностойкостью в литых технологических пробах, чем известная.
| Таблица 1 | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов (железо - остальное) в литейных сталях для сплавов, мас.% | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 0,25 | 0,1 | 0,17 | 0,23 | 0,25 | 0,28 |
| Кремний | 0,35 | 0,12 | 0,17 | 0,27 | 0,35 | 0,41 |
| Марганец | 1,05 | 0,81 | 0,90 | 1,12 | 1,20 | 1,40 |
| Хром | 1,12 | 0,77 | 0,90 | 1,13 | 1,20 | 1,30 |
| Титан | - | 0,51 | 1,02 | 1,3 | 1,5 | 1,7 |
| Сурьма | - | 0,02 | 0,03 | 0,2 | 0,3 | 0,4 |
| Фосфор | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,1 |
| Сера | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,1 |
| Алюминий | - | 0,03 | 0,07 | 0,11 | 0,23 | 0,3 |
| Кальций | - | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,07 |
| Таблица 2 | ||||||
| Показатели свойств для составов литейных сталей | ||||||
| Свойства литейных сталей | опытных плавок | |||||
| 1(Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Предел текучести, | 395 | 390 | 405 | 430 | 445 | 395 |
| МПа | ||||||
| Относительное | 12 | 12 | 15 | 18 | 17 | 14 |
| удлинение, % | ||||||
| Склонность к | ||||||
| трещинообразованию (количество трещин | 9,6 | 8,5 | 8,1 | 7,2 | 7,5 | 8,3 |
| в пробе) | ||||||
| Предел | ||||||
| коррозионной | 192 | 182 | 210 | 225 | 218 | 195 |
| усталости, МПа | ||||||
| Относительное | 21 | 20 | 25 | 28 | 27 | 22 |
| сужение, % | ||||||
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 18 | 18 | 26 | 37 | 34 | 24 |
Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,17-0,25 |
| кремний | 0,17-0,35 |
| марганец | 0,90-1,20 |
| хром | 0,90-1,20 |
| титан | 1,02-1,50 |
| сурьма | 0,03-0,30 |
| фосфор | 0,02-0,06 |
| сера | 0,02-0,06 |
| алюминий | 0,07-0,23 |
| кальций | 0,02-0,05 |
| железо | остальное |
