ВЫСОКОПРОЧНАЯ ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН (ВАРИАНТЫ)
HIGH-STRENGTH WEAR-RESISTANT STEEL FOR AGRICULTURAL MACHINES (VERSIONS)

Изобретения относятся к области металлургии, в частности, к составам стали, которая может быть использована для изготовления высоконагруженных деталей рабочих органов почвообрабатывающих, посевных, кормоуборочных, овощеуборочных и других сельхозмашин.
Среди используемых в настоящее время конструкций рабочих органов сельхозтехники большую долю составляют плоские детали, к которым относятся дисковые ножи, лемеха, долота, полевые доски, лапы культиваторов и др. Выход деталей из строя наступает как вследствие абразивного изнашивания при воздействии грунта, так и в результате излома или изгиба в зависимости от состояния почв, их уплотненности, засорения камнями. Особенности условий изнашивания, наличие значительных знакопеременных нагрузок предъявляют особые требования к механическим характеристикам (пластичность, прочность, относительное удлинение, вязкость, износостойкость и др.) материала деталей сельскохозяйственных машин и технологиям их обработки.
Помимо эксплуатационных нагрузок необходимо также учитывать, что свойства и долговечность материала зависят от технологических пластических деформаций, то есть от его деформационной способности. В связи с этим для сталей указанного назначения наряду с характеристиками прочности (временное сопротивление, предел текучести) и износостойкости (твердость поверхности, коэффициент относительной износостойкости, оцениваемый относительно износостойкости стали 45, принятой за единицу), должна использоваться также и характеристика деформационной способности материала - относительное равномерное удлинение при испытании на растяжение. Она косвенно характеризует способность материала испытывать эксплуатационные деформации без ее локализации.
Известна сталь, предназначенная для изготовления бурового, сельскохозяйственного землеобрабатывающего инструмента следующего химического состава, масс. % [1]:
углерод
0,35-0,45
кремний
0,35-0,45
марганец
1,0-1,5
бор
0,15-0,30
теллур
0,001-0,003
цирконий
0,15-0,3
кальций
0,003-0,005
алюминий
0,05-0,1
медь
0,7-1,5
фосфор
0,02-0,05
сера
0,01-0,03
железо
остальное
Известная сталь обеспечивает достаточно высокую износостойкость. Однако сталь не обеспечивает необходимой деформационной способности из-за высокого содержания вредных примесей (серы, фосфора) и меди.
Известна также сталь [2], используемая для производства мелющих шаров, следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,65-0,75
марганец
0,70-0,80
кремний
0,20-0,35
алюминий
0,010-0,025
азот
0,005-0,025
титан
0,005-0,010
хром
0,40-0,50
никель
0,01-0,30
бор
0,001-0,003
железо
остальное
при этом примеси содержатся в следующих количествах: сера - не более 0,030%, фосфор - не более 0,030% и медь - не более 0,30%.
Известная сталь отличается высокой износостойкостью и твердостью. Однако известная сталь не отличается высокой вязкостью и деформационной способностью из-за высокого содержания углерода.
Наиболее близкой ко всем предлагаемым составам стали является сталь [3], принятая за прототип, содержащая, масс. %:
углерод
0,16-0,20
кремний
0,17-0,37
марганец
1,2-1,5
ванадий
0,07-0,15
хром
0,5-1,0
никель
0,5-2,2
молибден
0,20-0,35
кальций
0,003-0,015
алюминий
0,02-0,05
бор
0,001-0,005
азот
0,003-0,015
фосфор не более
0,020
сера не более
0,015
железо
остальное
Сталь характеризуется достаточной пластичностью, вязкостью, стойкостью против истирания, технологической пластичностью при испытании на холодный изгиб на оправке диаметром, равным 5-ти толщинам листа, однако недостаточной прочностью - гарантированный предел текучести составляет 1000 МПа.
2
Техническим результатом изобретений является разработка составов стали в толщинах до 18 мм высокой прочности с гарантированным пределом текучести для трех вариантов соответственно 1200, 1500 и 1700 МПа, относительным удлинением не менее 7-8%, ударной вязкостью при +20°С не менее 20-30 Дж/см, относительным равномерным удлинением не менее 2,0-2,5% и высокой износостойкостью.
Технический результат достигается тем, что сталь по варианту 1, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, молибден, кальций, алюминий, бор, азот, серу и фосфор, дополнительно содержит ниобий, титан и медь при следующем соотношении элементов, масс. %:
при этом суммарное содержание фосфора и серы составляет не более 0,025.
Сталь по варианту 1 имеет гарантированный предел текучести 1200 МПа.
Технический результат достигается тем, что сталь по варианту 2, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, молибден, кальций, алюминий, бор, азот, серу и фосфор, дополнительно содержит ниобий, титан и медь при следующем соотношении элементов, масс. %:
при этом суммарное содержание фосфора и серы составляет не более 0,025.
Сталь по варианту 2 имеет гарантированный предел текучести 1500 МПа.
Технический результат достигается тем, что сталь по варианту 3, содержащая углерод, кремний, марганец, ванадий, хром, никель, молибден, кальций, алюминий, бор, азот, серу и фосфор, дополнительно содержит ниобий, титан и медь при следующем соотношении элементов, масс. %:
при этом суммарное содержание фосфора и серы составляет не более 0,025.
Сталь по варианту 3 имеет гарантированный предел текучести 1700 МПа.
Изменение твердости, прочности и износостойкости прямо пропорционально содержанию углерода в стали. Наиболее высокой твердостью характеризуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Содержание углерода в количестве 0,30-0,45% в сочетании с комплексным легированием марганцем, хромом, никелем, медью и молибденом обеспечивает формирование мартенситной структуры и необходимую прочность и твердость стали. Содержание углерода менее 0,30% не обеспечивает необходимого уровня временного сопротивления и предела текучести. Верхний предел содержания углерода 0,45% ограничен исходя из условия обеспечения минимально допустимых характеристик вязкости. Углерод, образуя при низком отпуске предвыделения карбидов хрома, молибдена, ванадия и ниобия, повышает твердость и износостойкость стали.
Легирующие элементы, не оказывая заметного влияния на прочность мартенсита, определяют прокаливаемость стали, т.е. объемную долю мартенсита при фиксированной скорости охлаждения и обусловливают процессы, происходящие при отпуске.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее сопротивляемость истиранию. При концентрации кремния менее 0,10% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,45% снижается пластичность, увеличивается склонность к трещинообразованию.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу, образуя сульфиды марганца, для модификации которых в глобулярную форму используется кальций. При содержании марганца менее 0,80% прочность стали недостаточна.
Увеличение содержания марганца более 1,30% приводит к снижению вязкости среднеуглеродистой стали.
Хром повышает прочность стали. При его концентрации менее 0,30% прочность ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,30% приводит к потере пластичности вследствие увеличения доли ковалентной межатомной связи в стали.
Марганец и хром, повышая прокаливаемость, позволяют получать сталь со 100% мартенсита при снижении скорости охлаждения при закалке.
Содержание хрома в количестве 0,10-1,30% и молибдена до 0,45% предотвращает формирование немартенситных составляющих структуры при фазовом превращении, снижающих прочностные характеристики.
Молибден повышает прочность. При содержании молибдена менее 0,05% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,45% ухудшает пластичность.
Никель в количестве 0,25-0,80% и медь в количестве 0,20-0,80% вводятся с целью обеспечения вязкости среднеуглеродистой стали. При содержании никеля и меди менее установленного предела не обеспечивается требуемая прокаливаемость стали. Содержание никеля и меди более 0,80% экономически нецелесообразно для быстроизнашиваемых деталей рабочих органов сельскохозяйственных машин. Увеличение содержания меди сверх заявленного предела при содержании никеля не более 0,80% может приводить к красноломкости и охрупчиванию стали.
Бор в количестве, не превышающем 0,005%, вводится в сталь для увеличения прокаливаемости стали. Повышение прокаливаемости борсодержащих конструкционных сталей достигается путем увеличения стойкости переохлажденного аустенита против распада по диффузионному механизму и способствует его превращению в мартенситной области при закалке. Эффект торможения бором распада переохлажденного аустенита объясняется тем, что, будучи поверхностно-активным элементом, бор концентрируется в дефектных местах решетки и создает адсорбционный слой вдоль границ зерен аустенита. Это снижает свободную поверхностную энергию зерен до уровня, достаточного для торможения зарождения новой ферритной фазы и распада аустенита.
При содержании бора менее 0,001 масс. % не обеспечивается сквозная прокаливаемость стали, а при содержании бора более 0,005 масс. % образуются бориды железа, ухудшающие технологичность стали, которая охрупчивается после термообработки.
Введение в сталь Мо усиливает воздействие бора на прокаливаемость, задерживая образование полигонального феррита. Введение в износостойкую борсодержащую сталь молибдена в количестве 0,05-0,45% улучшает ударную вязкость и повышает твердость.
Содержание алюминия от 0,01 до 0,05% выбрано, с одной стороны, для связывания азота в нитриды алюминия, эффективно сдерживающие рост зерна, а также для предотвращения связывания бора в нитриды, а с другой стороны - для снижения возможности образования недопустимых глиноземистых неметаллических включений и предотвращения негативного влияния азота на склонность к механическому старению.
Титан в количестве 0,01-0,03% является необходимой технологической добавкой для связывания азота, предотвращающей формирование нитридов бора, а также способствует предотвращению роста аустенитного зерна при нагреве под прокатку и штамповку. При содержании титана менее нижнего предела не весь азот связывается, что снижает эффективность действия бора на прокаливаемость. При введении в твердый раствор титана более 0,03 масс. % образуются крупные частицы нитридов титана, снижающие пластичность стали.
Концентрация азота не более 0,015% в сочетании с выбранными пределами содержания титана и алюминия не приводит к снижению ударной вязкости вследствие механического старения. При повышении азота более 0,015% возможно проявление склонности к механическому старению и снижению деформационной способности стали при эксплуатационных нагрузках.
Ограничение содержания серы и фосфора диапазоном 0,020% выбрано, исходя из обеспечения качества стали. Превышение суммарного содержания серы и фосфора более 0,025% ухудшает технологическую пластичность стали. Более глубокая дефосфорация и десульфурация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно для быстроизнашиваемых деталей.
Комплексное микролегирование ниобием, ванадием, хромом и молибденом способствует повышению дисперсности структуры в высокопрочной стали и повышению прочности в процессе отпуска.
Ниобий оказывает благоприятное влияние на свойства стали, поскольку способствует формированию мелкого зерна в прокате за счет подавления рекристаллизации аустенита вследствие выделения карбидов и карбонитридов ниобия в процессе горячей прокатки при Т=900-1100°С. Ниобий в диапазоне 0,01-0,04% вводится для торможения процессов рекристаллизации. Введение ниобия в меньших количествах не приводит к торможению рекристаллизации, а в больших - приводит к образованию крупных карбонитридов ниобия, снижающих вязкость. При завершении прокатки при температурах ниже температуры рекристаллизации формируется дисперсная субзеренная структура в аустените перед фазовым превращением.
При нахождении в твердом растворе ниобий тормозит диффузионное превращение, что для легированной стали предотвращает формирование немартенситных продуктов превращения при закалке.
15
-2
В закаленном состоянии плотность дислокаций в мартенсите, которые представляют собой переплетенные скопления (сетки), составляет (1-2)×10 м. При такой плотности дислокаций и заданной концентрации карбидообразующих элементов ниобия, ванадия, хрома и молибдена при отпуске на трехмерной дислокационной сетке образуются предвыделения мельчайших частиц карбидов, которые эффективно стабилизируют дислокационную структуру. Совместное введение ниобия в количестве 0,01-0,04% и ванадия в количестве 0,01-0,06% способствует закреплению границ деформационного происхождения, созданных при горячей прокатке или штамповке, а при отпуске - образованию предвыделений карбидов (сегрегаций), закрепляющих дислокационную структуру, созданную при горячей прокатке, штамповке и закалке. Повышение вследствие этого отпускоустойчивости деформированной и закаленной стали позволяет увеличивать температуру отпуска, что способствует повышению ее вязкости.
Образование предвыделений карбидов, обусловленное совместным действием добавок хрома, молибдена, ванадия и ниобия в указанных количествах тормозит, движение дислокаций, что способствует упрочнению стали и предотвращает значительное разупрочнение при отпуске.
При одновременном действии двух факторов - измельчения субзеренной структуры и упрочнения за счет равномерно распределенных частиц второй фазы достигается значительное упрочнение при вводе выбранных сравнительно небольших количествах микролегирующих элементов.
Деформируемость высокопрочной стали в горячем и холодном состояниях в значительной степени определяется составом, формой, размером, количеством и характером распределения в ней неметаллических включений. С увеличением размеров включений, а также разницы линейных коэффициентов теплового расширения включения и металла, концентрация напряжений возрастает, что приводит к снижению деформируемости стали. Форма включений также оказывает непосредственное влияние на пластические свойства и деформируемость, а именно: сталь, содержащая пластинчатые включения, разрушается значительно раньше стали с глобулярными включениями.
В качестве модификатора и регулятора формы неметаллических включений используется высокореакционный элемент с невысокой растворимостью в стали - кальций. Кальций, вводимый в количестве 0,001-0,02%, обладает высоким сродством к кислороду и сере, соответственно, обеспечивает высокую степень раскисления и десульфурации стали и позволяет эффективно управлять размерами и формой неметаллических включений.
Основными типами неметаллических включений в высокопрочных среднеуглеродистых сталях преимущественно являются продукты раскисления стали алюминием (глинозем) и модифицирования кальцием (алюминаты кальция), сложные включения с различным сочетанием алюминия, кремния и марганца, сульфиды кальция (марганца), а также магнезиальные шпинели.
С повышением пластичности включений они деформируются вместе со сталью, не нарушая сцепления на поверхности раздела включение - матрица, а при низкой пластичности включений вокруг них возникают напряжения, в результате чего сцепление на поверхности раздела нарушается с образованием пустот (трещин).
2
3
Повышение концентрации кальция в стали до уровня не менее 0,001% является действенным технологическим приемом, позволяющим сформировать более богатые по содержанию кальция включения моноалюминатов - СаО×2AlO, жидкие при температурах сталеплавильных процессов, легко коалесцирующие и удаляющиеся из расплава.
Низкое содержание вредных примесей (серы, фосфора и азота) в заявленных количествах и использование кальция для модификации неметаллических включений в глобулярную форму обеспечивают необходимое металлургическое качество и высокую деформационную способность и износостойкость среднеуглеродистой стали, которая оценивается при испытаниях на определение относительного равномерного удлинения по ГОСТ 1497.
Для предлагаемой стали варианта 1 при выбранном соотношении легирующих элементов гарантированный предел текучести составляет не менее 1200 МПа. В стали варианта 2 повышение содержания углерода до 0,39%, хрома, меди и молибдена на 0,30%, никеля на 0,20% способствует повышению предела текучести до 1500 МПа при сохранении необходимой пластичности и вязкости стали. Гарантированный предел текучести не менее 1700 МПа стали варианта 3 достигается за счет повышения содержания углерода до 0,45% и дополнительного легирования хромом на 0,30%, никелем на 0,20%, кремнием на 0,10-0,15%, марганцем на 0,30% и ванадием на 0,03%. Никель и медь позволяют сохранить вязкость и пластичность стали благодаря усилению доли металлической межатомной связи.
Пример: Сталь была выплавлена в индукционной печи с емкостью тигля 250 кг и разлита в слитки по 40 кг. Химический состав стали приведен в таблице 1. Слитки ковали на молоте с падающей массой груза 3000 тонн. Откованные заготовки прокатывали на реверсивном стане на листы толщиной 3-20 мм. Прокатка осуществлялась в диапазоне температур 1150-870°С после нагрева в камерной печи до 1200°С. Термическую обработку проводили по режиму: закалка в воду от температуры 870-930°С с последующим отпуском в интервале температур 200÷350°С в течение 4-6 часов.
0
0
Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497 на пропорциональных плоских образцах с  или пропорциональных цилиндрических образцах с l=5d, вырезанных поперек направления прокатки, в таблице 2 приведены средние значения по результатам испытаний трех образцов. Испытания на ударный изгиб проводили по ГОСТ 9454 на образцах тип 1, 2 или 3, вырезанных поперек направления прокатки листов толщиной более 5 мм, в таблице 2 приведены средние значения по результатам испытаний трех образцов. Относительную износостойкость определяли по ГОСТ 23.208.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2326984, МПК С22С 38/16, опубликовано 20.06.2008.
2. Патент Российской Федерации №2340699, МПК С22С 38/54, С22С 38/32, опубликовано 10.05.2008.
3. Патент Российской Федерации №2223343, МПК С22С 38/54, С22С 38/58, опубликовано 10.02.2004 - прототип.