Отливка из высокопрочной износостойкой стали и способы термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали
Владельцы патента RU 2753397:
Акционерное общество "Сибирская Угольная Энергетическая Компания" (RU)
Изобретений относится к области металлургии, а именно к отливке из высокопрочной износостойкой стали, используемой для изготовления основных рабочих органов и конструктивных элементов горно-транспортного и горно-шахтного оборудования. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,25-0,35, кремний 0,20-0,45, марганец 0,80-1,20, хром 1,00-1,50, молибден 0,20-0,40, никель 1,0-1,50, медь не более 0,30, ниобий 0,008-0,10, ванадий 0,08-0,10, кальций 0,005-0,01, барий 0,005-0,01, церий 0,005-0,01, цирконий 0,008-0,1, алюминий 0,008-0,05, сера не более 0,015, фосфор не более 0,015, азот не более 0,025, наночастицы карбонитрида циркония и наночастицы карбонитрида ниобия 0,04-0,25, остальное – железо и примеси. Обеспечивается повышение прочности, износостойкости, ударной вязкости и пластичности стали отливки. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к отливке из высокопрочной износостойкой стали и способам термической обработки отливок, изготовленных из этой стали. Изобретения могу быть использованы, в частности, при изготовлении основных рабочих органов и конструктивных элементов горно-транспортного и горно-шахтного оборудования, например, зубьев и стенок ковшей, колес экскаваторов, брони шаровых мельниц и дробилок, ножей бульдозера, работающих в малоабразивной среде при повышенных ударных нагрузках и подвергающихся ударно-абразивному износу в различных климатических зонах.
Известна сталь, способ получения стальной заготовки, и способ получения детали из этой стали (RU 2496907, опуб. 27.10.2013), которая имеет следующий химический состав, масс. %:
Углерод от 0,28 до 0,5
Кремний от 0,10 до 1,5
Марганец от 1,0 до 2,0
Сера максимум 0,2
Хром от 1,5 до 4
Никель от 3,0 до 5
Молибден от 0,7 до 1,0
Ванадий от 0,6 до 1,0
от следовых количеств до общего максимального содержания 0,4 масс.% редкоземельных металлов,
остальное составляют, по существу, только железо и примеси.
После смягчающего отжига сталь имеет матрицу, включающую перстаренный мартенсит с содержанием примерно до 5% об., по существу, круглых, равномерно распределенных карбидов, причем матрица, по существу, не содержит карбидов по границам зерен.
Недостатком вышеуказанной стали является низкая износостойкость, которая возникает при воздействии больших контактных нагрузок, которые возникают при контакте валка с прокатываемым стальным листом.
Кроме того, представленный способ применим для деформированных материалов, что требует дорогого ковочного или прокатного оборудования.
Также известен способ получения отливок из высокомарганцевой износостойкой стали марки 110Г13Л (Свойства стали Г1ЗЛ и современная технология ее выплавки в электропечах, Сборники статей под ред. Соколова А.Н. - М.: ВПТИ Стройдормаш, 1958, с. 105.), включающий выплавку стали в дуговых электропечах, получение из нее отливок в песчаных формах, их закалку в воде с температурой нагрева 1100-1150oC и общим временем нагрева до 22 ч., при этом сталь имеет следующий состав, масс. %:
Углерод от 0,8 до 1,5
Кремний от 0,5 до 1,0
Марганец от 11 до 15
Фосфор менее 0,08
Сера менее 0,05
Железо – остальное.
Недостатками этого способа являются: низкая технологичность стали, затрудняющая получение из нее качественных отливок, что связано с низкой ее теплопроводностью и высокой усадкой, способствующих образованию трещин при литье и термообработке и усадочных раковин и рыхлот в массивных частях отливок; плохая обрабатываемость резанием из-за высокой склонности к наклепу; высокая склонность к трещинообразованию отливок при повышенном содержании в них фосфора, что требует применения очень чистых по фосфору ферросплавов и шихтовых материалов для выплавки стали, являющихся дефицитными и дорогими; необходимость применения длительного цикла термообработки отливок с очень высокой температурой нагрева, что наряду с высоким содержанием марганца в стали повышает стоимость отливок.
Также известен способ получения отливок из литой износостойкой стали (SU 1654369, опуб. 07.06.1991), заключающийся в выплавке стали в индукционной электропечи с основной футеровкой и получением из нее отливок, подвергающихся нормализации до 880°C, при следующем соотношении в ней компонентов, масс. %:
Углерод от 0,40 до 0,50
Марганец от 0,20 до 0,70
Кремний от 0,60 до 1,00
Хром от 1,50 до 2,00
Никель от 0,10 до 0,50
Ванадий от 0,02 до 0,25
Медь от 0,10 до 0,30
Алюминий от 0,01 до 0,05
Кальций от 0,005 до 0,05
Редкоземельные металлы от 0,005 до 0,008
Барий от 0,001 до 0,050
железо – остальное.
Недостатками известного способа являются: низкая ударная вязкость и пониженная прочность и пластичность стали, так как при ее составе в микроструктуре образуется карбиды ванадия и хрома и повышенное количество оксисульфидных неметаллических включений бария, редкоземельных металлов и алюминия, что снижает вязкость, пластичность и прочность стали; применение редкоземельных металлов при выплавке стали приводит к образованию пироэффекта и выделению большого количества дыма, содержащего вредные вещества, что ухудшает санитарно-гигиенические и экологические условия; применение очень дорогих элементов, таких как барий, редкоземельные металлы и кальций, увеличивает стоимость отливок.
Также известна отливка способ получения отливок из износостойкой стали (RU 2105821, опуб.27.02.1998), который является наиболее близким аналогом. Способ заключается в том, что сталь выплавляют в электропечи, получают из нее отливки, подвергают их обрубке и очистке, а затем подвергают отливки термообработке двойной нормализации, заключающейся в первоначальном нагреве отливок до температуры 920-930°C и выдержке при этой температуре 3-3,5 часа с последующим охлаждением на воздухе до температуры 200°C, а затем в повторном нагреве до температуры 870-880°C и выдержке при этой температуре 2,5-3,0 часа с последующим охлаждением на воздухе до температуры 20°C, при этом используют сталь следующего химического состава, масс.%:
Углерод от 0,20 до 0,40
Марганец от 0,90 до 1,50
Кремний от 0,17 до 0,40
Хром от 1,20 до 1,80
Никель от 0,30 до 0,60
Медь от 0,20 до 0,40
Ванадий от 0,15 до 0,30
Бор от 0,001 до 0,01
Алюминий от 0,02 до 0,06
Железо - остальное.
Недостатком известного способа является недостаточная износостойкость при содержании легирующих элементов на нижнем уровне заявленного диапазона из-за того, что не обеспечивается высокая прочность, особенно при содержании углерода 0,20 %. С другой стороны, при содержании углерода около 0,40 % снижается ударная вязкость при отрицательных температурах, что может привести к поломке.
Технической проблемой, на решение которой направлены изобретения, является разработка нового состава отливки и технологий термической обработки отливок, которые обладают более высокой прочностью и обеспечивают более высокую износостойкость деталей, изготовленных из такой стали, при их работе в различных горных породах, как при положительных, так и при отрицательных температурах.
Техническая проблема решается за счет предлагаемой группы изобретений, согласно которой, отливка из высокопрочной износостойкой стали, содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, молибден, кальций, барий, алюминий, серу, фосфор, азот, ниобий, медь, железо и примеси, и сталь дополнительно содержит цирконий, церий, наночастицы карбонитрида циркония и наночастицы карбонитрида ниобия, при следующем соотношении, масс.%:
| Углерод | 0,25 - 0,35 |
| Кремний | 0,20 - 0,45 |
| Марганец | 0,80 - 1,20 |
| Хром | 1,00 - 1,50 |
| Молибден | 0,20 - 0,40 |
| Никель | 1,0 - 1,50 |
| Медь | не более 0,30 |
| Ниобий | 0,008 - 0,10 |
| Ванадий | 0,08 - 0,10 |
| Кальций | 0,005 - 0,01 |
| Барий | 0,005 - 0,01 |
| Церий | 0,005 – 0,01 |
| Цирконий | 0,008 – 0,1 |
| Алюминий | 0,008 - 0,05 |
| Сера | не более 0,015 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Азот | не более 0,025 |
| Наночастицы карбонитрида циркония | |
| и наночастицы карбонитрида ниобия | 0,04 - 0,25 |
| Железо и примеси | остальное |
Кроме этого, наиболее предпочтительными вариантами выполнения отливки будет, если:
- размер наночастиц карбонитрида циркония и наночастиц карбонитрида ниобия составляет 65-70 нм;
- соотношение между наночастицами карбонитрида циркония и наночастицами карбонитрида ниобия от их общей массы составляет, мас.%:
| наночастицы карбонитрида ниобия | 40 - 60 |
| наночастицы карбонитрида циркония | 60 - 40. |
Также техническая проблема может быть решена за счет предлагаемых способов термической обработки отливок из высокопрочной износостойкой стали.
По первому варианту, способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали включает гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масло и высокий отпуск путем нагрева до температуры 570-580°С и дальнейшее остывание на воздухе.
По второму варианту, способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали включает гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масло и низкий отпуск путем нагрева до температуры 190-200°С и дальнейшее остывание на воздухе.
По третьему варианту, способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали, включает гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 1050-1070°С, охлаждение в воду.
Кроме этого, будет предпочтительно, если после термической обработки отливки дополнительно подвергают дробеструйной обработке или обкатке роликами, или магнитно-импульсной обработке.
Технический результат, который обеспечивается предлагаемыми изобретениями, заключается в повышении прочности, износостойкости, ударной вязкости, пластичности отливки из стали.
Преимуществом заявляемого изобретения является новый качественный и количественный состав отливки из высокопрочной износостойкой стали, который является оптимальным, и обусловлен следующим.
Углерод в количестве 0,25-0,35 масс.% выбран с целью обеспечения высокой твердости, прочности и износостойкости, обеспечения мартенситной структуры. Изменение твердости, прочности и износостойкости прямо пропорционально содержанию углерода в стали. Содержание углерода в количестве 0,25-0,35 масс.% в сочетании с комплексным легированием хромом, марганцем, никелем, медью, молибденом обеспечивает формирование мартенситной структуры и необходимую прочность и твердость стали. Увеличение содержания углерода более 0,35 масс.% снижает вязкость и пластичность закаленной и отпущенной стали, а снижение содержания углерода ниже 0,25 масс.% приводит к снижению твердости и износостойкости.
Кремний в количестве 0,20-0,45 масс.% является активным раскислителем стали, а также служит в качестве элемента, обеспечивающего способность принимать закалку и понижать чувствительность к перегреву. При содержании кремния менее 0,20 масс.% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность. Увеличение содержания кремния более 0,45 масс.% приводит к возрастанию количества силикатных включений, что снижает ударную вязкость металла.
Марганец в количестве 0,80-1,20 масс.% выбран из условия обеспечения полной раскисленности стали, повышения прокаливаемости и снижения температуры порога хладноломкости. Кроме того, марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу, образуя сульфиды марганца, для модификации которых в глобулярную форму используется кальций и барий. При содержании марганца менее 0,80 масс. % твердость и прочность стали недостаточна. Увеличение содержания марганца более 1,20 масс. % приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.
Хром в количестве 1,00-1,5 масс. % повышает прочность стали. При его концентрации менее 1,00 масс.% прочностные свойства не достигают оптимальных значений. Добавки хрома в сталь содержащую никель, при термической обработке из межкритического интервала стабилизируют аустенит обратного превращения до низких температур, что улучшает пластичность и ударную вязкость. Увеличение содержания хрома более 1,50 масс. % приводит к снижению пластичности.
Совместное содержание марганца и хрома позволяет получать мартенситную структуру при снижении скорости охлаждения при закалке.
Молибден в указанном диапазоне способствует получению требуемых прочностных и пластических характеристик стали, а также улучшает ее прокаливаемость. Молибден обладает свойством ликвидировать отпускную хрупкость. При содержании молибдена менее 0,20 масс.% прочностные и пластические свойства стали не достигают требуемого уровня, а увеличение его содержания до 0,40 масс.% растут прочность и вязкопластичные свойства. Дальнейшее увеличение содержания молибдена более 0,40 масс.% экономически не целесообразно.
Никель в стали в количестве 1,00-1,50 масс. % обеспечивает повышение пластичности, вязкости, хладостойкости и коррозионной стойкости. При содержании никеля менее 1,00 масс.% показатели пластичности и ударной вязкости снижаются. При содержании никеля 1,50 масс.% в микроструктуре реечного мартенсита повышается содержание остаточного аустенита, что дополнительно оказывает положительное влияние никеля на пластичность и износостойкость за счет превращения аустенита в мартенсит при воздействии абразивных частиц. Увеличение его содержания более 1,50 масс. % экономически не целесообразно.
Добавки ниобия в количестве 0,008 – 0,10 масс.% упрочняет сталь, а также препятствуют росту аустенитного зерна и способствуют появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными карбидными частицами. При содержании ниобия менее 0,008 масс.% не обеспечивается достаточное упрочнение. Увеличение содержания ниобия более 0,10 масс.% приводит к образованию крупных карбонитридов ниобия, снижающих вязкость и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.
Сталь, содержащая 0,08 – 0,10 масс.% ванадия хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Содержание ванадия более 0,10 масс.% приводит к ухудшению свариваемости стали, и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование. При содержании ванадия менее 0,08 масс.% прочностные свойства стали ниже требуемого уровня.
Совместное легирование молибденом, ванадием и ниобием в заявленных пределах наиболее эффективно способствует упрочнению стали за счет твердорастворного и дисперсионного упрочнения, а также улучшения прокаливаемости.
Медь в количестве не более 0,30 масс.% эффективно улучшает прочностные свойства и прокаливаемость стали в больших сечениях и способствует повышению вязкости за счет изменения параметров решетки, удержания атомов углерода в твердом растворе и предотвращения блокировки дислокаций, а также для повышения коррозионной стойкости во влажной атмосфере. Такое содержание меди позволяет использовать более дешевую шихту, содержащую медь, причем при содержании в выбранных пределах не оказывает негативного влияния на вязкость и пластичность, а также свариваемость.
Добавление кальция в количестве 0,005-0,01 масс. % затрудняет выделение избыточных фаз по границам зерен, что способствует повышению пластичности и ударной вязкости, особенно при отрицательных температурах. Совместное введение в сталь кальция и бария значительно улучшает кинетику процесса взаимодействия кальция с примесями.
Алюминий в стали в количестве 0,008-0,05 масс. % обеспечивает полную раскисленность стали и способствует получению мелкозернистой структуры.
Алюминий раскисляет и модифицирует сталь. Связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства стали. При содержании алюминия менее 0,008 масс.% снижается комплекс механических свойств. Увеличение его концентрации более 0,05 масс.% приводит к ухудшению вязкостных свойств стали.
Введение в состав стали алюминия в количестве 0,008-0,05 масс. % в сочетании с химически активными элементами кальцием 0,005-0,010 масс. % и церием 0,005-0,010 масс. % благоприятно изменяет форму неметаллических включений, снижает в стали содержание кислорода и серы, уменьшает количество сульфидных включений, очищает и упрочняет границы зерен и измельчает структуру стали, что приводит к повышению прочности, пластичности и ударной вязкости. Кальций и церий благоприятно воздействуют и на характер нитридных и карбонитридных включений, способствуют переходу пленочных включений нитридов алюминия в глобулярные комплексы оксисульфонитридных образований.
Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота 0,025 масс.% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали и связан с вопросами технологичности производства.
Введение в состав стали циркония в количестве 0,008-0,10 мас. % способствует образованию мелкодисперсных карбонитридов циркония размером 25-55 нм, которые позволяют образовать большое количество центров кристаллизации, равномерно распределенных в объеме стали, что обеспечивает однородность физико-механических характеристик по толщине отливки, а также более высокую прочность и ударную вязкость при отрицательных температурах.
Таким образом, совместное введение циркония, ниобия, ванадия, церия и кальция обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости за счет высокой прочности и износостойкости.
Концентрация серы не более 0,015 масс.% и фосфора не более 0,015 масс.% является оптимальной. Превышение суммарного содержания серы и фосфора более 0,30 масс.% ухудшает технологическую пластичность стали. В то же время более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Введение наночастиц карбонитрида ниобия и наночастиц карбонитрида циркония в расплав суммарного содержания карбонитридов (40%-60% наночастиц карбонитрида ниобия плюс 60%-40% наночастиц карбонитрида циркония от общей массы) в количестве 0,04-0,25 мас. % от массы расплава обеспечивает высокий модифицирующий эффект при низкой стоимости и приводит к существенному изменению, как получаемой структуры, так и морфологии и топографии карбидной фазы. При этом происходит резкое измельчение зерна, устраняется столбчатость зерен и разнозернистость. Дендритная структура литого металла тонкая и однородная по сечению отливки. Карбиды приобретают компактную равноосную форму и равномерно распределены по объему зерна. Использование наночастиц карбонитридов позволяет повысить прочность и износостойкость стали.
При увеличении количества наночастиц карбонитридов выше указанного верхнего предела снижается граничная концентрация элементов упрочнителей границ зерен, в результате которой снижается прочность отливки, что отрицательно сказывается на износостойкости стали, а также возможно снижение характеристик пластичности и вязкости.
Использование наночастиц карбонитридов позволяет дополнительно повысить прочность и износостойкость стали. При снижении суммарного количества наночастиц карбонитридов менее 0,04 мас. % резко снижается модифицирующий эффект.
В немодифицированной отливке включения карбидов в виде каркасов располагаются преимущественно по границам зерен и имеют большую протяженность. Карбиды подобного типа оказывают отрицательное влияние на износостойкость стали.
Таким образом, использование наночастиц карбонитридов позволяет дополнительно повысить прочность и износостойкость стали.
Создавая контролируемые остаточные напряжения, которые вычитаются из рабочих напряжений, можно повысить эксплуатационные свойства металла, так напряжения сжатия на поверхности отливки обеспечивается дробеструйной обработкой или обкаткой роликами, или магнитно-импульсной обработкой.
Создание в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, уменьшают опасные растягивающие рабочие напряжения. С этой целью применяют дробеструйный наклеп, или обкатку роликами, или магнитно-импульсную обработку, и другие виды поверхностной обработки металлов.
Сжимающие остаточные напряжения повышают усталостную прочность, тогда как растягивающие остаточные напряжения действуют неблагоприятно. Влияние остаточных напряжений на выносливость зависит от механических свойств материала и от характера напряженного состояния. При значительных сжимающих напряжениях в поверхностном слое увеличение усталостной прочности проявляется в большей степени для менее пластичных материалов и при концентрации напряжений. Существенно повышается износостойкость отливок.
Сочетание предварительной упрочняющей термической с обработкой поверхности вышеуказанными способами увеличивает срок службы изделий, изготовленных из отливок из высокопрочных износостойких сталей на 20-30%.
Для подтверждения достижения технического результата в индукционной печи были выплавлены составы по изобретению (таблица 1).
Выплавку стали согласно изобретениям проводили в 10-кг индукционной печи с разливкой металла на литые заготовки. Азот вводили в состав стали азотированными ферросплавами хрома и марганца. Суммарная смесь нанопорошков карбонитрида циркония и карбонитрида ниобия в виде наночастиц размером 65-70 нм вводили в металлических капсулах на струю металла при выпуске плавки в ковш. Металл разливали в слитки диаметром 150 мм. После нагрева в печи слитки ковали на прутки для изготовления продольных образцов на растяжение и ударный изгиб.
Образцы отливок подвергали термической обработке согласно изобретениям.
По первому режиму способа термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали проводили первую термическую обработку при которой осуществляли гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С и охлаждали отливку в печи, далее проводили вторую термическую обработку, при которой последовательно осуществляли нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масло, отпуск. Для повышения ударного и абразивного износа отливок проводили высокий отпуск при котором осуществляли нагрев до температуры 570-580°С и дальнейшее остывание на воздухе.
По второму режиму способа термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали проводили первую термическую обработку при которой осуществляли гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляли нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масло. Для повышения абразивного износа отливок и низкий отпуск путем нагрева до температуры 190-200°С и дальнейшее остывание на воздухе.
По третьему режиму способа термической обработки отливки проводили первую термическую обработку при которой осуществляли гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С и охлаждали отливку в печи, далее проводили вторую термическую обработку, при которой последовательно осуществляли нагрев до температуры 1050-1070°С, затем охлаждение в воду.
После термической обработки отливки подвергались дробеструйной обработке (наклепу).
Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497, в таблице 2 приведены средние значения по результатам испытаний трех образцов. Испытания на ударный изгиб проводили по ГОСТ 9454 на образцах типа 11, в таблице 2 также приведены средние значения по результатам испытаний трех образцов.
Установлено, что отливка, согласно изобретению, после термической обработки обеспечивает требуемый высокий уровень и стабильность рабочих характеристик, в том числе повышение прочности, ударной вязкости и пластичности на 20 %. Особенно эффективно проведение двойной закалки с высоким отпуском (повышение характеристик прочности, ударной вязкости и пластичности на 25%).
Фазовый состав металла определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М.
Относительную износостойкость определяли по ГОСТ 23.208, за эталон принята износостойкость стали прототипа.
Отливки из высокопрочной износостойкой стали, полученные согласно заявляемым способам, обладали высокой ударной вязкостью, прочностью, твердостью и повышенной износостойкостью на 20-30%, как при положительных, так и при отрицательных температурах, что повышает их эксплуатационную стойкость.
Такие отливки могут использоваться, в частности, при изготовлении сменных быстроизнашивающихся деталей, например, зубьев ковшей экскаваторов, футеровок и других деталей шаровых мельниц и дробилок, мелющих шаров и других деталей в горнорудной промышленности, где одновременно требуется высокая абразивно-ударная износостойкость и ударопрочность. Таким образом, отливки из стали по изобретению можно использовать, в частности для изготовления деталей, работающих в различных горных породах как при положительных, так и при отрицательных (до -60°С) температурах.
Как видно из таблицы 2, способы изготовления отливок из высокопрочной износостойкой стали обеспечивает значительное преимущество по уровню прочности, пластичности и ударной вязкости по сравнению с известными способами. Отливка по изобретению имеет более мелкое зерно, что обеспечивается выбранным соотношением компонентов.
Таблица 1. Химический состав стали по изобретению
| Содержание компонентов, мас.% |
Номер плавки | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| Углерод | 0,25 | 0,30 | 0,35 |
| Кремний | 0,20 | 0,325 | 0,45 |
| Марганец | 0,80 | 1,00 | 1,20 |
| Хром | 1,00 | 1,25 | 1,5 |
| Молибден | 0,20 | 0,30 | 0,40 |
| Никель | 1,0 | 1,25 | 1,5 |
| Медь | 0,10 | 0,20 | 0,30 |
| Ниобий | 0,008 | 0,054 | 0,10 |
| Ванадий | 0,08 | 0,09 | 0,10 |
| Кальций | 0,005 | 0,008 | 0,01 |
| Барий | 0,005 | 0,008 | 0,01 |
| Цирконий | 0,008 | 0,054 | 0,10 |
| Церий | 0,005 | 0,03 | 0,05 |
| Алюминий | 0,008 | 0,03 | 0,05 |
| Азот | 0,008 | 0,015 | 0,025 |
| Сера | 0,005 | 0,001 | 0,015 |
| Фосфор | 0,005 | 0,001 | 0,015 |
| Сера + фосфор | 0,001 | 0,002 | 0,03 |
| Железо | остальное | ||
| Карбонитриды (40% NbCN + 60% ZrCxN1-x) |
0,04 | 0,05 | 0,25 |
Таблица 2. Механические свойства отливок из стали по изобретению после
термической обработки по режиму 1 и 2.
| Состав стали | Режим термической обработки | σ0,2, Н/мм2 |
σB, Н/мм2 |
δ, % |
НВ | KCV-40, Дж/см2 |
Относительная износостойкость |
| 1 | Режим 1 | 1350 | 1500 | 15,5 | 565 | 40,0 | 1,30 |
| 2 | 1375 | 1550 | 14,00 | 570 | 38,0 | 1,32 | |
| 3 | 1300 | 1600 | 3,00 | 580 | 35,0 | 1,35 | |
| 1 | Режим 2 | 930 | 1000 | 18,0 | 360 | 60,0 | 1,30 |
| 2 | 970 | 1050 | 16,5 | 365 | 54,0 | 1,32 | |
| 3 | 1000 | 1150 | 16,0 | 70 | 50,0 | 1,35 |
Таким образом, изобретения позволяют достичь технический результат который заключается в повышении прочности, износостойкости, ударной вязкости, пластичности отливки из стали, и, как следствие, в улучшении её эксплуатационных свойств.
1. Отливка из высокопрочной износостойкой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, молибден, кальций, барий, алюминий, серу, фосфор, азот, ниобий, медь, железо и примеси, отличающаяся тем, что сталь дополнительно содержит цирконий, церий, наночастицы карбонитрида циркония и наночастицы карбонитрида ниобия, при следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,25 - 0,35 |
| Кремний | 0,20 - 0,45 |
| Марганец | 0,80 - 1,20 |
| Хром | 1,00 - 1,50 |
| Молибден | 0,20 - 0,40 |
| Никель | 1,0 - 1,50 |
| Медь | не более 0,30 |
| Ниобий | 0,008 - 0,10 |
| Ванадий | 0,08 - 0,10 |
| Кальций | 0,005 - 0,01 |
| Барий | 0,005 - 0,01 |
| Церий | 0,005 – 0,01 |
| Цирконий | 0,008 – 0,1 |
| Алюминий | 0,008 - 0,05 |
| Сера | не более 0,015 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Азот | не более 0,025 |
| Наночастицы карбонитрида циркония и | |
| наночастицы карбонитрида ниобия | 0,04 - 0,25 |
| Железо и примеси | остальное |
2. Отливка по п.1, отличающаяся тем, что размер наночастиц карбонитрида циркония и наночастиц карбонитрида ниобия составляет 65-70 нм.
3. Отливка по п.1, отличающаяся тем, что соотношение между наночастицами карбонитрида циркония и наночастицами карбонитрида ниобия от их общей массы составляет, мас.%:
| наночастицы карбонитрида ниобия | 40 - 60 |
| наночастицы карбонитрида циркония | 60 - 40 |
4. Способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали по п.1, включающий гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масле и высокий отпуск путем нагрева до температуры 570-580°С и дальнейшее остывание на воздухе.
5. Способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали по п.1, включающий гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 920-940°С, выдержку, охлаждение в масле, нагрев до температуры 800-810°С, выдержку, охлаждение в масле и низкий отпуск путем нагрева до температуры 190-200°С и дальнейшее остывание на воздухе.
6. Способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали по п.1, включающий гомогенизирующий ступенчатый отжиг до температуры 1160°С, охлаждение отливки в печи, далее осуществляют нагрев до температуры 1050-1070°С, охлаждение в воду.
