ИЗНОСОСТОЙКАЯ МЕТАСТАБИЛЬНАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ
WEAR-RESISTANT METASTABLE AUSTENITIC STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным метастабильным сталям, и может найти применение для изготовления изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного воздействия или подвергаемых значительным ударным нагрузкам, в том числе для изготовления горнодобывающего и дробильного оборудования, ковшей экскаваторов, траков гусеничных машин, шнеков, бил молотковых дробилок, деталей землеройных и почвообрабатывающих машин.
Известна аустенитная метастабильная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, азот, ванадий, титан, алюминий, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,9-1,3; марганец 6,0-10,0; кремний 0,3-0,7; хром 1,0-1,8; никель 0,7-3,0; азот 0,06-0,12; ванадий 0,1-0,3; титан 0,08-0,15; алюминий 0,05-0,1; кальций 0,01-0,08; железо - остальное. Известная сталь в отливках после закалки имеет аустенитную структуру и обладает высокой износостойкостью при ударном воздействии и удовлетворительной ударной вязкостью при пониженной температуре. (RU 2017859, С22С 38/58, опубликовано 15.08.1994)
Недостатком этой стали является недостаточно высокие механические характеристики при легировании на нижнем уровне, а также повышенная стабильность аустенита при комнатной температуре при легировании на верхнем уровне, в результате чего мартенситное превращение, обеспечивающее высокую износостойкость, при абразивном воздействии не происходит. Мартенситное превращение в этой стали при легировании на верхнем уровне возможно только лишь при низкотемпературной деформации.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является метастабильная аустенитная сталь для высоконагруженных деталей, содержащая углерод, марганец, хром, никель, азот, ванадий, титан, церий, кальций, барий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод ≤0,06; марганец 7,50-8,50; хром 14,00-16,00; никель 8,50-9,50; азот 0,20-0,40; ванадий 0,90-1,50; титан 0,01-0,20; церий 0,015-0.02; кальций 0,001-0,02; барий 0,001-0,01; железо - остальное. При этом отношение содержания ванадия и титана к азоту и углероду составляет 3,1-3,3. Известная сталь после ковки, закалки и старения обладает повышенными значениями пластичности и вязкости при криогенных температурах. (RU 2173351, С22С 38/58, опубликовано 10.09.2001).
Недостатками этой стали являются недостаточные механические характеристики при высоком уровне легирования марганцем, хромом, никелем и ванадием, а также повышенная стабильность аустенита при комнатной температуре, в результате чего мартенситное превращение, обеспечивающее высокую износостойкость, при абразивном воздействии не происходит. Мартенситное превращение в этой стали возможно только лишь при низкотемпературной деформации.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик и износостойкости стали в условиях интенсивного абразивного воздействия или воздействия значительных ударных нагрузок.
Технический результат достигается тем, что износостойкая аустенитная метастабильная сталь содержит углерод, марганец, хром, никель, азот, ванадий, титан, церий, кальций, кремний, железо и естественные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,10-0,30
Марганец
3,50-4,0
Хром
11,50-12,50
Никель
2,80-3,50
Азот
0,20-0,25
Ванадий
0,08-0,15
Титан
0,01-0,20
Церий
0,005-0,03
Кальций
0,005-0,02
Кремний
0,10-0,50
Железо и естественные примеси
остальное.
Предлагаемые диапазоны концентраций компонентов являются оптимальными с точки зрения достижения технического результата.
Углерод в концентрации 0,10-0,30 мас.% обеспечивает высокую технологичность в процессе выплавки стали, высокую прочность и износостойкость стали. При более низком содержания углерода снижаются механические свойства и износостойкость стали за счет уменьшения содержания углерода в твердом растворе, а при более высоком содержании углерода ускоряется коалесценция карбидов и карбонитридов, что повышает прочностные характеристики, но снижает ударную вязкость. Кроме того, увеличивается стабильность аустенита, что снижает износостойкость стали при интенсивном абразивном воздействии.
Оптимальное сочетание содержания хрома, марганца, никеля, ванадия, углерода и азота обеспечивает высокую износостойкость стали за счет формирования структуры метастабильного аустенита, способного при интенсивном абразивном воздействии превращаться в мартенсит. Более низкое содержание хрома уменьшает упрочнение твердого раствора, а более высокое содержание чем 12,50 мас.%, нецелесообразно, так как требуемый уровень свойств уже обеспечен.
Оптимальное содержание ванадия в сочетании с титаном и церием обеспечивает вывод азота из твердого раствора, что делает сталь метастабильной и обеспечивает превращение аустенита в мартенсит при абразивном или ударном воздействии.
Дополнительное введение в сталь кремния в количестве 0,10-0,50 мас.% повышает прочностные характеристики стали и уменьшает стабильность аустенита.
Изобретение можно проиллюстрировать результатами сравнительных испытаний стали по изобретению и стали - ближайшего аналога (таблица).
Выплавку сталей проводили в 150-кг индукционной печи с разливкой металла на литые заготовки. Полученные отливки подвергали нагреву в интервале температур 1050-1070°С с последующей закалкой в воду и дробеструйной обработке для упрочнения поверхностного слоя стали. Известную сталь закаливали в воду с температуры 1150°С и отпускали при 650°С в течение 10 ч.
Механические свойства сталей оценивали по стандартной методике при комнатной температуре, а износостойкость определяли по результатам абразивной пескоструйной обработки с углом атаки 80 градусов.
Из представленных данных следует, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: повышение прочностных характеристик, а также износостойкости стали в условиях интенсивного абразивного воздействия
Результаты сравнительных испытаний
Компоненты сталей
Содержание компонентов, мас. %
Сталь по изобретению
Известная сталь
Углерод
0,10
0,15
0,30
0,06
Марганец
3,50
3,80
4,00
8,00
Кремний
0,10
0,30
0,50
-
Хром
11,50
12,00
12,50
15,00
Никель
2,80
3,25
3,50
9,00
Азот
0,20
0,22
0,25
0,30
Ванадий
0,08
0,10
0,15
1,20
Титан
0,01
0,10
0,20
0,15
Церий
0,005
0,02
0,03
0,02
Кальций
0,005
0,015
0,02
0,02
Барий
-
-
-
0,01
Фосфор
0,020
0,015
0,025
0,015
Сера
0,015
0,020
0,025
0,015
Железо и примеси
остальное
остальное
остальное
остальное
Механические свойства сталей
σ<sub>02,</sub>. Н/мм<sup>2</sup>
750
765
780
620
σ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
940
920
950
780
δ, %
24
22
20
20
KCV, Дж/см<sup>2</sup>
250
230
225
180
Износостойкость сталей
Время испытаний, ч
10
10
10
10
Потери веса, мг
100
95
90
250