ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ
CAST STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным литейным сталям, применяемым в различных отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении при изготовлении крупногабаритных отливок для карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, работающих при повышенных ударных нагрузках и в экстремальных климатических условиях.
Известна литейная сталь [1], имеющая следующий химический состав, мас.%:
углерод
0,17-22
кремний
0,17-0,37
марганец
0,40-0,70
никель
3,2-4,5
медь
0,7-1,0
молибден
0,38-0,50
хром
0,3-0,4
сера
≤0,025
фосфор
≤0,025
железо
остальное
в
т
Указанная сталь после термической обработки закалки и высокого отпуска обладает достаточно высоким пределом прочности σ≥700 МПа, пределом текучести σ≥610 МПа и пластичности, характеризуемой относительным удлинением δ≥20% и относительным сужением ψ≥50%.
Недостатком указанной стали является то, что прочностные, пластические и характеристики вязкости достигаются высоким содержанием дорогостоящих дефицитных легирующих компонентов, таких как никель, медь, молибден. Сталь обладает ограниченной свариваемостью, вследствие чего после сварки требуется применение специальных методов сварки или термическая обработка всего сварного изделия, что влечет за собой необходимость применения специальных термических печей для крупногабаритных сварных конструкций.
Известна выбранная в качестве прототипа литейная сталь [2] следующего состава, мас.%:
углерод
не более 0,10
марганец
0,6-1,0
кремний
0,15-0,40
никель
1,15-1,55
ванадий
0,06-0,15
медь
0,8-1,2
хром
не более 0,30
фосфор
не более 0,035
сера
не более 0,035
железо
остальное
2
Недостатками указанной стали являются недостаточно высокая ударная вязкость KCU≥50 Дж/см, что приводит к снижению долговечности изделий, изготовленных из нее, и работающих под воздействием ударных нагрузок, особенно при отрицательных температурах, а также высокое содержание дорогостоящих элементов никеля и меди.
Задачей изобретения является создание литейной стали, обладающей высокой ударной вязкостью, хорошей свариваемостью при сохранении других физико-механических свойств, и уменьшение в ее составе содержания дорогостоящих компонентов никеля и меди.
Задача решается за счет того, что низколегированная литейная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, алюминий, фосфор, серу, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,12-0,16
кремний
0,20-0,60
марганец
0,5-0,9
хром
0,5-0,8
никель
0,4-0,7
молибден
0,04-0,07
ванадий
0,03-0,05
медь
0,25-0,42
алюминий
0,04-0,07
фосфор
≤0,02
сера
≤0,02
железо
остальное
при этом после нормализационного отжига она имеет ферритную структуру с размером зерен 12-16 мкм, объединенных в блоки размером 90-180 мкм, которые окаймлены мелкодисперсным перлитом.
Наличие в составе в указанном количестве углерода достаточно для упрочнения стали. При содержании углерода менее 0,12% не достигается требуемая прочность стали, а при содержании более 0,16% - ухудшается свариваемость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность, жидкотекучесть, но при концентрации более 0,6% снижает пластичность материала.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу, но при содержании более 0,9% снижает пластичность.
Хром повышает прочность стали. При его содержании менее 0,5% прочность ниже допустимой. Увеличение содержания хрома более 0,8% приводит к потере пластичности из-за образования карбидов.
Медь улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и ударную вязкость материала. При сварке стали, имеющей в своем составе медь, при сравнительно низком содержании углерода не наблюдается подкалки в зоне термического влияния.
Никель способствует повышению прочности и вязкости стали, снижение содержания никеля менее 0,4% приводит к потере пластичности.
Ванадий с алюминием и их сочетание являются сильными раскисляющими элементами. При содержании ванадия в указанном выше соотношении позволит повысить прочность и ударную вязкость стали.
Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот в нитриды, уменьшая его вредное влияние на вязкостные свойства. Увеличение этого элемента более 0,07% загрязняет сталь неметаллическими включениями (окислами, нитридами) и приводит к снижению прочностных свойств.
Молибден увеличивает прочность и вязкость стали, но при концентрации более 0,07% ухудшает свариваемость.
Сера и фосфор являются неизбежными примесями и при концентрациях менее 0,02% повышается качество металла.
Осуществлен ряд плавок опытных сталей, химический состав которых представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав аналога, прототипа и полученных опытных сталей
Тип стали
Химический состав, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Мо
Си
А1
V
S
Р
Аналог [1]
0,19
0,27
0,55
0,35
3,8
0,44
0,85
-
-
0,025
0,025
Прототип [2]
0,10
0,35
0,8
0,30
1,35
-
1,0
-
0,10
0,03
0,03
1 опытная
0,16
1,0
0,60
0,65
0,55
0,07
0,30
0,08
0,03
0,02
0,017
2 опытная
0,11
0,30
0,32
0,48
0,57
0,05
0,45
0,1
0,01
0,02
0,02
3 опытная
0,14
0,55
0,58
0,65
0,55
0,07
0,32
0,1
0,03
0,025
0,015
4 опытная
0,12
0,42
0,58
0,93
0,61
0,04
0,35
0,04
0,03
0,02
0,02
5 опытная
0,14
0,45
0,90
0,70
0,50
0,07
0,35
0,07
0,04
0,02
0,02
Сталь заявляемого состава
0,12
0,22
0,78
0,55
0,47
0,05
0,32
0,04
0,05
0,02
0,02
Сталь заявляемого состава получали следующим способом.
В индукционной печи модели DUE C/5UHE-MF с основной футеровкой тигля печи провели плавку металлических отходов листовых сталей 09Г2С (ГОСТ 19282-73), 18ХГНМФР (ТУ 14-1-5435-2001), 10ХСНД (ГОСТ 19282-73) с добавлением ферромарганца. Время плавки ~1 час. Температура нагрева металла до 1600°С. При сливе металла провели раскисление бескремниевой комплексной лигатурой АКЦе и алюминием.
Применение основной футеровки тигля печей и разливочных ковшей позволило достигнуть максимального удаления вредных примесей: серы ≤0,02, фосфора ≤0,02.
Полученные отливки подвергали нормализационному отжигу. В результате получена структура стали, состоящая из мелких ферритных зерен размером 12-16 мкм, объединенных в блоки размером 90-180 мкм, которые окаймлены весьма дисперсным перлитом. В блоках мелких ферритных зерен имеются вкрапления перлита. Вкрапления и прослойки весьма мелкодисперсного перлита создают как бы жесткий и упругий «каркас» вокруг мелкого и пластичного феррита. Неметаллические включения приняли глобулярную форму и перераспределены равномерным фоном, что сопровождается заметным очищением от них межзеренных границ. Такое структурное строение стали обеспечивает высокий уровень прочности, пластичности и ударной вязкости изделий.
В таблице 2 приведены результаты механических испытаний опытных сталей, стали заявляемого состава, а также механические свойства аналога [1] и прототипа [2]. Для испытания опытных сталей образцы вырезали из деталей с толщиной стенки 30-35 мм, полученных в процессе разливки стали. Испытания прочности и ударной вязкости проводили на стандартном оборудовании.
Из анализа результатов, приведенных в таблицах 1 и 2, следует, что оптимальным сочетанием механических свойств обладает заявляемая сталь, обладающая по сравнению с аналогом и прототипом более высокой ударной вязкостью как при плюсовых, так и минусовых температурах при испытании на стандартных образцах с круглым и острым надрезом.
Источники информации
1. Патент RU №2203344, С22С 38/44, опубликовано 2003 г.
2. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. М: (прототип).