ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ
WEAR-RESISTANT STEEL AND ITEM MADE FROM IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям, применяемым для изготовления износостойких деталей.
Изделия, работающие в условиях высоких абразивно-ударных нагрузок, например молотки в шредерных установках, помимо высокой износостойкости должны обладать еще высокой прочностью, пластичностью и стойкостью к ударным нагрузкам. Указанные свойства изделий должны сохраняться и при высоких температурах (до 400°С).
Известна сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, молибден, никель, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь и алюминий при следующем соотношении компонентов в мас.%: углерод - 0,40-0,47; марганец - 0,50-0,80; кремний - 0,20-0,50; хром - 0,80-1,20; молибден - 0,20-0,30; никель - не более 0,50; сера - не более 0,025; фосфор - не более 0,025; медь - не более 0,40; алюминий - 0,02-0,04; железо - остальное [Патент RU 2160321, МПК С22С 38/44, 2000].
Недостатком данной стали является то, что она недостаточно износостойкая, прочная и пластичная при высоких температурах (до 400°С).
Известна сталь износостойкая, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,30-0,35, кремний 0,30-0,50, марганец 0,80-1,20, хром 0,95-1,40, молибден 0,20-0,30, никель 0,80-1,10, медь не более 0,30, ванадий 0,10-0,15, кальций 0,005-0,01, церий 0,005-0,01, алюминий 0,03-0,06, железо - остальное [Патент RU 2303077, МПК С22С 38/46, 2007].
Недостатком данной стали является то, что она недостаточно износостойкая, прочная и пластичная при высоких температурах (до 400°С).
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является износостойкая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,35-0,8, кремний 0,0-2,0, марганец 0,0-2,5, хром 0,0-5,0, никель 0,0-5,0, медь 0,0-1,5, молибден 0,0-0,5, ванадий + ниобий/2 ≤0,5, кальций ≤0,1, алюминий 0,0-2,0, титан 0,0-2,0, железо и неизбежные примеси, в том числе азот - остальное [Патент RU 2327802, МПК С22С 38/54, 2008].
Недостатком данной стали также является то, что она недостаточно износостойкая, прочная и пластичная при высоких температурах (до 400°С).
Технический результат изобретения - расширение потребительских свойств и технологического использования износостойкой стали и изделий, выполненных из нее, обладающих высокой прочностью, пластичностью, стойкостью к высоким ударным нагрузкам и сохраняющим свои свойства при температурах до 400°С.
Указанный технический результат достигается тем, что износостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, кальций, алюминий, ниобий, титан, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит редкоземельные металлы (РЗМ) при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,25-0,60, кремний 0,10-1,50, марганец 0,20-1,30, хром 0,30-1,90, никель 0,70-2,0, медь не более 0,45, молибден 0,10-0,90, ванадий 0,001-0,40, кальций 0,0001-0,01, алюминий 0,005-0,1, ниобий 0,001-0,20, титан 0,001-0,20, РЗМ 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси остальное. Сталь дополнительно может содержать 0,0001-0,005% бора и имеет преимущественно бейнитно-мартенситную структуру.
Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из стали указанного состава.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При содержании углерода менее 0,25% сталь имеет недостаточную твердость и не обладает достаточной износостойкостью. При содержании углерода более 0,60% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании кремния менее 0,10% сталь является недостаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании кремния более 1,50% снижается прокаливаемость, пластичность и стойкость стали к ударным нагрузкам.
При содержании марганца менее 0,20% сталь является недостаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании марганца более 1,30% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании хрома менее 0,30% сталь имеет недостаточную твердость и не обладает достаточной износостойкостью. При содержании хрома более 1,90% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании никеля менее 0,70% снижается прочность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам. Содержание никеля более 2,0% приводит к чрезмерному удорожанию стали.
Медь в количестве не более 0,45% обеспечивает повышение коррозионной стойкости стали во влажной атмосфере. При содержании меди свыше 0,45% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании молибдена менее 0,10% сталь не обладает достаточной прокаливаемостью, имеет недостаточную твердость и пониженную износостойкость. При содержании молибдена более 0,90% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам. При содержании ванадия менее 0,001% сталь имеет не достаточную твердость, не обладает достаточной износостойкостью, а также становится чувствительной к перегреву (ухудшаются механические свойства при нагреве в результате рекристаллизации). При содержании ванадия более 0,40% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
Кальций очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При снижении содержания кальция менее 0,0001% его положительное влияние проявляется незначительно. Увеличение содержания кальция сверх 0,010% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах стали.
При содержании алюминия менее 0,005% сталь является недостаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании алюминия более 0,10% увеличивается количество неметаллических включений в стали, что ведет к снижению ее пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
При содержании ниобия менее 0,001% сталь имеет недостаточную твердость, не обладает достаточной износостойкостью, а также становится чувствительной к перегреву. При содержании ниобия более 0,20% повышается склонность стали к охрупчиванию.
При содержании титана менее 0,001% сталь является недостаточно раскисленной, снижается ее прочность, а также повышается ее чувствительность к перегреву. Повышение содержания титана более 0,20% приводит к снижению вязкостных свойств стали.
Редкоземельные металлы (РЗМ) обладают эффективной раскислительной и десульфурирующей способностью, улучшают качество стали. При содержании РЗМ менее 0,0001% их влияние незначительно. Увеличение содержания РЗМ более 0,005% не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали.
Бор измельчает микроструктуру стали и повышает ее прокаливаемость. При содержании бора менее 0,0001% его влияние незначительно. Увеличение содержания бора более 0,005% приводит к снижению ударной вязкости стали.
Преимущественно бейнитно-мартенситная структура обеспечивает наилучшее сочетание износостойкости стали и ее стойкости к ударным нагрузкам.
Изобретение поясняется результатами экспериментов.
В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей. В таблице 2 представлены контролируемые параметры сталей.
Примеры 1-6 с соблюдением предложенных параметров. Примеры 7-9 с не соблюдением некоторых параметров, пример 10 по прототипу. Как следует из таблицы 2, при соблюдении заявляемых параметров (примеры 1-6), стали обладают высокой прочностью, относительным удлинением, ударной вязкостью, твердостью и при этом, изделия (молотки шредера), выполненные из данных сталей, сохраняют свои свойства при высоких температурах (до 400°С), что подтверждается их большей стойкостью (большим количеством переработанного стального лома).
Таким образом, предложенная износостойкая сталь характеризуется расширенным диапазоном потребительских свойств. При сохранении износостойкости она обладает высокой прочностью, пластичностью, стойкостью к высоким ударным нагрузкам и сохраняет свои свойства при температурах до 400°С.