КОНСТРУКЦИОННАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ
STRUCTURAL LOW-ALLOYED CAST STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления крестовин, рычагов для топливных опор, фланцев, шестерен, звездочек и других ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузок.
Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (авт. св. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:
Углерод
15-0,20
Кремний
30-0,60
Марганец
20-1,50
Хром
20-1,50
Никель
80-2,20
Молибден
20-0,30
Медь
80-1,20
Титан
10-0,15
Церий
05-0,10
Ванадий
0,10-0,15
Кальций
03-0,08
Азот
0,008-0,02
Барий
0,05-0,10
Железо
остальное
Известная сталь имеет высокие характеристики прочности, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.
Известна также конструкционная низколегированная сталь (патент ЧССР №185825, МПК С22С 38/44, 1980) следующего состава, мас.%:
Углерод
0,25-0,35
Кремний
0,40-0,60
Марганец
0,40-0,80
Никель
0,40-0,60
Хром
0,50-0,70
Молибден
0,40-0,60
Ванадий
0,05-0,10
Фосфор
до 0,025
Сера
до 0,025
Железо
Остальное
Эта сталь содержит большое количество карбидообразующих элементов, обладает низкими характеристиками пластичности, предела текучести и используется только для массивных зубчатых колес и других литых деталей, не подвергаемым ударным нагрузкам.
По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 25ХГЛ (ГОСТ 977 - 88), содержащая, мас.%:
Углерод
0,20-0,30
Кремний
0,20-0,50
Марганец
0,85-1,15
Хром
0,90-1,30
Фосфор
до 0,04
Сера
до 0,04
Железо
Остальное
2
Известная сталь обладает средней категорией прочности (КТ 35), но недостаточными упругопластическими свойствами и трещиностойкостью. Механические свойства известной стали: предел текучести - 383-400 МПа; относительное удлинение - 10-12%; относительное сужение - 20-22%; ударная вязкость - 16,7 18,5 Дж/см. Предел коррозионной усталости стали составляет 175-190 МПа.
Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств и трещиностойкости стали.
Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,17-0,25
Кремний
0,17-0,35
Марганец
0,90-1,20
Хром
0,90-1,20
Титан
1,02-1,50
Сурьма
0,03-0,30
Фосфор
0,02-0,06
Сера
0,02-0,06
Алюминий
0,07-0,23
Кальций
0,02-0,05
Железо
Остальное
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Содержание углерода (0,17-0,25) мас.%, кремния (0,17-0,35) мас.%, фосфора (0,02-0,06) мас.% и серы (0,02-0,06) мас.% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с преимущественно мелкозернистой перлитной структурой, с высокими характеристиками упругопластических свойств. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,25 мас.% и 0,35 мас.% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при уменьшении их концентрации соответственно ниже 0,17 мас.% каждого снижаются однородность и стабильность структуры и трещиностойкость отливок.
Дополнительное введение титана в количестве 1,02-1,50 мас.% обусловлено его высокой химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 1,02 мас.% модифицирующий эффект, пластические свойства и трещиностойкость низкие, а при увеличении содержания титана более 1,50 мас.% увеличивается угар, снижаются однородность и упругопластические свойства.
Сурьма в количестве 0,03-0,30 мас.% является легирующим и перлитизирующим структуру компонентом, повышающим упругопластические свойства и предел выносливости. При снижении концентрации сурьмы менее 0,03 мас.% упругопластические свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,30 мас.% снижаются характеристики предела текучести, трещиностойкости и относительного удлинения.
Дополнительное введение алюминия в количестве (0,07-0,23) мас.% обусловлено его раскисляющей и модифицирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 0,07 мас.% модифицирующий эффект и упругопластические свойства низкие, а при увеличении содержания алюминия более 0,23 мас.% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры и трещиностойкость стали.
Дополнительное введение кальция 0,02-0,05 мас.% обусловлено его высокой рафинирующей активностью, он очищает границы зерен и оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая упругопластические свойства.
При концентрации его менее 0,02 мас.% модифицирующий эффект, трещиностойкость и упругопластические свойства стали низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 мас.% он полностью не растворяется в металлической основе, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.
Хром и марганец в количествах от 0,9 до 1,2 мас.% являются основными легирующими элементами, повышающими прочность, твердость, трещиностойкость, предел выносливости, коррозионную стойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и марганца более 1,2 мас.% каждого повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает упругопластические свойства. При их концентрации менее 0,9 мас.% каждого прочность, трещиностойкость, твердость, предел текучести значительно снижаются и недостаточны.
Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального низколегированного лома, металлического марганца, низкоуглеродистого хрома, металлической сурьмы, ферросиликомарганца, ферротитана, силикокальция и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1560-1600°С, а при раскислении алюминием - 1610-1630°С. Легирование расплава ферросиликомарганцем, хромом и сурьмой производят в печи, а модифицирование - в ковше с использованием алюминотермических присадок в виде таблеток диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Для определения свойств стали заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний в сухие и жидкостекольные литейные формы. В таблице 1 приведены химические составы литейных сталей опытных плавок.
7
Определение прочностных свойств сталей проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм, с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 10циклов. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.
Как видно из таблицы 2, предложенная низколегированная литейная сталь обладает более высокими упругопластическими свойствами и трещиностойкостью в литых технологических пробах, чем известная.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов (железо - остальное) в литейных сталях для сплавов, мас.%
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
0,25
0,1
0,17
0,23
0,25
0,28
Кремний
0,35
0,12
0,17
0,27
0,35
0,41
Марганец
1,05
0,81
0,90
1,12
1,20
1,40
Хром
1,12
0,77
0,90
1,13
1,20
1,30
Титан
-
0,51
1,02
1,3
1,5
1,7
Сурьма
-
0,02
0,03
0,2
0,3
0,4
Фосфор
0,03
0,01
0,02
0,04
0,06
0,1
Сера
0,03
0,01
0,02
0,04
0,06
0,1
Алюминий
-
0,03
0,07
0,11
0,23
0,3
Кальций
-
0,01
0,02
0,03
0,05
0,07
Таблица 2
Показатели свойств для составов литейных сталей
Свойства литейных сталей
опытных плавок
1(Изв.)
2
3
4
5
6
Предел текучести,
395
390
405
430
445
395
МПа
Относительное
12
12
15
18
17
14
удлинение, %
Склонность к
трещинообразованию (количество трещин
9,6
8,5
8,1
7,2
7,5
8,3
в пробе)
Предел
коррозионной
192
182
210
225
218
195
усталости, МПа
Относительное
21
20
25
28
27
22
сужение, %
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
18
18
26
37
34
24