НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ
LOW ALLOY CAST STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным литым сталям для ответственных деталей машин, например деталей вагонов.
Известна сталь [1], содержащая, мас.%:
Углерод
0,19-0,25
Марганец
0,5-1,2
Кремний
0,3-0,5
Хром
0,15-0,6
Никель
0,15-0,6
Алюминий
0,01-0,2
Кальций
0,0005-0,01
Иттрий
0,1-0,4
Сера
0,003-0,06
Железо
остальное.
Механические свойства этой стали превышают минимальный уровень свойств для соответствующих сталей по ГОСТ 977-88, но не всегда достаточны для экстремальных условий работы литых деталей высокоскоростного железнодорожного транспорта.
Известна также сталь [2], содержащая, мас.%:
Углерод
0,10-0,20
Марганец
0,70-1,10
Кремний
0,17-0,37
Хром
0,05-0,35
Никель
0,05-0,35
Медь
0,05-0,50
Алюминий
0,005-0,15
Кальций
0,001-0,05
Титан
0,005-0,025
РЗМ
0,001-0,05
Железо
остальное.
Сталь имеет недостаточно высокие механические свойства (в частности, предел текучести и ударную вязкость) для работы в экстремальных условиях больших нагрузок и отрицательных температур.
Наиболее близкой к предлагаемой является сталь [3], содержащая, мас.%:
Углерод
0,12-0,26
Марганец
0,7-1,6
Кремний
0,2-0,7
Хром
0,1-0,7
Никель
0,1-0,7
Ванадий
0,004-0,02
Алюминий
0,01-0,2
Кальций
0,0005-0,01
Азот
0,005-0,03
Титан
0,004-0,1
Барий
0,001-0,01
Железо
остальное.
Эта сталь имеет недостаточно высокие и стабильные механические свойства, особенно предел текучести, который может меняться от 250 до 350 МПа, и ударную вязкость при температурах климатического холода.
Задачей изобретения является создание в стали дисперсной структуры, состоящей из феррита, перлита и зернистого бейнита.
Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).
Это достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан и барий, дополнительно вводят медь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,16-0,28
Марганец
1,15-1,48
Кремний
0,23-0,51
Хром
0,01-0,1
Никель
0,16-0,45
Медь
0,23-0,57
Алюминий
0,02-0,04
Кальций
0,015-0,04
Барий
0,015 -0,04
Титан
0,008-0,02
Железо
остальное.
При этом соотношение компонентов должно отвечать двум условиям:
2
2
2
2
2
1) П=2C[1+Si+Cu+7Mn+10Cr+3Ni+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52…6,66 мм,
где П - показатель прокаливаемости стали, мм, определяющий ее структуру и в указанном интервале его значений обеспечивающий оптимальное сочетание свойств после термической обработки, в том числе и после нормализации;
2) суммарное количество введенных раскислителей и модификаторов в пересчете на чистые компоненты должно составлять, мас.%:
2
П=Ca+Ba+Al+Ti=0,08…0,11.
При избытке этих компонентов ухудшается их усвоение сталью и становится возможным образование неметаллических включений неблагоприятной формы, приводящее к снижению ударной вязкости.
В качестве примесей допускается содержание в стали, мас.%: сера до 0,03, фосфор до 0,04.
Предлагаемую и известную стали выплавляли на базовой однотипной шихте на установке ИСТ-0.06 в тиглях емкостью 60 кг с кислой футеровкой по идентичной технологии для обеспечения одинаковых исходных концентраций примесей и газов. В качестве шихтовых материалов использовали отходы сталей Ст3 и 20ГЛ. Для легирования и регулирования химического состава стали использовали стандартные ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферротитан) и отходы меди, для ковшевого раскисления и модифицирования стали применяли алюминий, силикокальций, силикобарий и ферротитан. Металл в печи перегревали до 1700°С.
в
0,2
От каждой плавки отбирали трефовидные стандартные пробы, из которых изготавливали заготовки образцов для механических испытаний. Заготовки подвергали нормализации от 930°С. При механических испытаниях на растяжение определяли временное сопротивление разрыву σ, предел текучести σ, относительное удлинение δ, относительное сужение образцов ψ. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре МК-30, определяя KCU и KCV при температурах +20 и -60°С.
Химические составы сталей приведены в табл.1, результаты механических испытаний - в табл.2.
Ограничение содержания углерода в пределах 0,16-0,29% обеспечивает возможность получения в нормализованной стали хорошего сочетания прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости.
Изменения в химический состав стали внесены с целью обеспечения:
1) регулирования показателя прокаливаемости в оптимальных пределах (см. условие 1, в частности, за счет дополнительного легирования стали медью), не выходя при этом за указанные выше пределы содержания углерода,
2) более глубокого рафинирующего и модифицирующего эффекта со значительным измельчением структуры стали (см. условие 2, в частности, за счет увеличения количества вводимого кальция и бария в пределах 0,015-0,04% по каждому из них),
3) возможности формирования в структуре стали зон с ультрадисперсным зернистым бейнитом за счет более жесткого ограничения содержания марганца в пределах 1,15…1,48% и дополнительного легирования стали медью в количестве 0,23-0,57%.
1
2
В таблицах приведено сопоставление химических составов и механических свойств сопоставляемых сталей: заявляемых сталей по составам, ограниченным формулой изобретения (первые 4 состава); сталей с составами, выходящими за пределы формулы изобретения (составы 5 и 6); стали-прототипа (последний состав). Для всех составов в табл.1 приведены рассчитанные значения параметров оптимизации П и П, а в табл.2 - примечания с характеристикой уровня достигаемых механических свойств.
Видно, что предлагаемый химический состав стали обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие и стабильные значения механических свойств, особенно прочностных свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах.
При выходе химического состава стали за предлагаемые пределы существенно ухудшаются все свойства стали (вариант 6) или сочетание свойств (по варианту 5 при высоких прочностных свойствах значительно понижен уровень пластичности и ударной вязкости).
Источники информации
1. Низколегированная литейная сталь / Дружевский М.А., Грузных И.В., Соболев А.Ю. и др. // Авторское свидетельство СССР №1770441, МКИ С22С 38/40.
2. Низколегированная сталь / Зикеев В.Н., Овчинников В.А., Иржов Г.Г. и др. // Патент РФ №2002851, МКИ С22С 38/50.
3. Сталь / Рязанов А.С., Кривошеев М.И., Савин А.М. и др. // Авторское свидетельство СССР №1463790, МКИ С22С 38/50, 38/58.
Таблица 1
№№ п/п
Химический состав сталей, мас.%
Параметры
С
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
Al
Са
Ва
Ti
П<sub>1</sub>, мм
П<sub>2</sub>, %
1
0,16
1,39
0,51
0,10
0,45
0,44
0,03
0,02
0,04
0,01
5,52
0,10
2
0,19
1,48
0,32
0,01
0,16
0,57
0,02
0,015
0,03
0,015
6,60
0,08
3
0,24
1,15
0,38
0,10
0,41
0,23
0,02
0,04
0,015
0,015
5,84
0,09
4
0,28
1,18
0,23
0,08
0,28
0,30
0,04
0,02
0,03
0,02
6,66
0,11
5
0,15
1,66
0,82
0,18
0,55
0,71
0,01
0,05
0,05
0,03
7,72
0,14
6
0,31
0,98
0,20
0,005
0,12
0,22
0,05
0,005
0,01
0,005
5,01
0,07
Прототип
0,20
0,87
0,49
0,40
0,18
-
0,01
0,01
0,01
0,01
3,78
0,05
Таблица 2
№№ п/п
Механические свойства
Примечания
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ
ψ
KCU<sub>+20</sub>
KCU<sub>-60</sub>
KCV<sub>+20</sub>
KCV<sub>-60</sub>
МПа
%
Дж/см<sup>2</sup>
1
572
380
27
57
140
63
112
58
Высокий уровень всех механических свойств
2
596
392
28
60
138
62
103
54
3
580
386
28
60
136
65
110
56
4
600
395
27
58
140
61
100
54
5
606
400
24
51
120
45
74
31
Пониженный уровень пластичности и ударной вязкости
6
560
356
24
50
120
58
90
44
Пониженный уровень всех свойств
Прототип
528
350
23
44
105
51
59
28