ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
WEAR-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к материалам высокой износостойкости, используемых для изготовления деталей работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива, например ходовой части гусеничных машин.
Известна сталь для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа с незначительными ударными нагрузками (авторское свидетельство СССР SU № 1070203, C22c 38/50, опубл. Б.И. № 4, 1984), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод
– 2,0 ч 3,5
марганец
– 15,0 ч 24,0
титан
– 2,5 ч 6,0
железо
– остальное.
Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидным упрочнением. Недостатком сплава является его низкая исходная твердость (290–350 HB), что не обеспечивает его высокую износостойкость в начальный период работы.
Известна сталь для изготовления деталей криогенной техники (патент Англии GB № 1159098 C22c 39/30, опубл. 1969), содержащая компоненты в следующем соотношении, %:
марганец
– 3,0 ч 11,0
кремний
– 1,5 ч 2,0
титан
– 0,6 ч 1,2
молибден
– 0,4 ч 3,4.
Структура стали представляет собой безуглеродистый мартенсит. Специфика легирования этой стали заключается в использовании лишь незначительного эффекта дисперсионного твердения. После закалки такая сталь имеет твердость около 25 HRC, а после старения всего лишь 39 HRC, что не позволяет использовать её в качестве износостойкого материала.
Наиболее близкой по химическому составу и назначению является марганцовистая сталь для изготовления прокатных валков, деталей песковых и грязевых насосов (патент РФ RU  № 2327806, C22c 38/60, опубл. Б.И. № 18, 2008), содержащая, мас. %:
углерод
– 0,8 ч 1,2
кремний
– 0,8 ч 1,2
марганец
– 10,0 ч 12,0
титан
– 0,1 ч 0,2
азот
– 0,1 ч 0,2
бор
– 0,5 ч 1,0
сурьма
– 0,03 ч 0,05
кальций
– 0,005 ч 0,01
железо
– остальное.
Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидно-боридно-нитридным упрочнением. Недостатком сплава является низкая износостойкость при работе в условиях контактно-ударного нагружения с интенсивным абразивным воздействием. Кроме того, известная сталь склонна к образованию трещин. Поэтому получить отливки из стали подобного состава без трещин сложно.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание стали высокого качества по содержанию вредных примесей, и повышение сопротивляемости ударным нагрузкам при высокой её стойкости против абразивного изнашивания и трещинообразования.
Технический результат достигается за счет того, что сталь включающая углерод, кремний, марганец, титан, азот, бор и железо дополнительно содержит молибден, ванадий, алюминий, серу, фосфор, кислород и водород в следующем соотношении элементов, мас. %:
углерод
– 0,2 ч 0,6
кремний
– 0,8 ч 1,2
марганец
– от более 7,0 до 10,0
титан
– 0,5 ч 1,2
азот
– 0,1 ч 0,2
бор
– 0,5 ч 1,0
молибден
– 2,0 ч 4,0
ванадий
– 0,5 ч 1,0
алюминий
– 0,2 ч 0,8
сера
– 0,006 ч 0,019
фосфор
– 0,011 ч 0,017
кислород
– 0,0024 ч 0,0044
водород
– 0,0002 ч 0,0006
железо
– остальное.
В предлагаемой стали концентрация углерода установлена в пределах 0,2–0,6 %. Снижение её более, чем в два раза по сравнению с прототипом повышает стойкость стали к ударным нагрузкам и снижает склонность к трещинообразованию, а в сочетании с предложенным процентном соотношении других компонентов позволяет получить сталь с достаточно высокой твердостью и износостойкостью.
Введение 2,0–4,0 % молибдена обеспечивает образование боридной эвтектики и однородное выделение карбидов, повышение их дисперсности при старении, а также позволяет применить более высокую температуру старения для повышения пластичности и вязкости при сохранении равной твердости с составом стали без молибдена. Боридная эвтектика, располагаясь в виде каркаса по границам зерен в процессе кристаллизации, воспринимает часть энергии ударов и рассредоточивает её на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость металла, как к ударным нагрузкам, так и к трещинообразованию. Содержание молибдена в предлагаемой стали менее нижнего предела ведет к образованию недостаточного количества боридной эвтектики и карбидов, что не обеспечивает достаточно высокую пластичность и трещиноустойчивость такой стали. При содержании более 4% молибден, связывая значительное количество углерода в специальные карбиды, обедняет твердый раствор этим компонентом, ухудшает пластические свойства и снижает стойкость к трещинообразованию.
Введение 0,5-1,0% ванадия являющегося сильным карбидо и нитридообразователем, повышает твердость и износостойкость, что важно для изделий, работающих в условиях больших контактных нагрузок. Ванадий является хорошим модификатором, позволяющим значительно измельчить зерно, предупреждает рост крупных столбчатых кристаллов, в результате чего устраняется возможность образования трещин. В месте с тем при введении ванадия в сталь образуются комплексные титанованадиевые карбиды (TiV)C твердость, которых превышает твердость монокарбидов титана и ванадия. Повышение твердости карбидной фазы способствует повышению износостойкости стали при абразивном изнашивании. При содержании ванадия в стали до 0,5% не достигается необходимый уровень трещиноустойчивости из-за недостаточного измельчения структуры стали. При увеличении содержания ванадия более 1,0% в стали вместо специальных титанованадиевых карбидов появляются менее износостойкие карбиды цементитного типа охрупчивающие сталь.
Введение алюминия в пределах 0,2-0,8 % способствует раскислению, предлагаемой стали, обеспечивает модифицирование и усиливает эффективность дисперсионного твердения. Алюминий приводит к образованию мелкозернистой структуры за счет образования нитридов, служащих дополнительными центрами кристаллизации. В свою очередь мелкозернистая структура повышает износостойкость, так как при абразивном воздействии сопротивление частиц отрыву значительно выше, чем при крупнозернистом строении металла. Образование дополнительных центров кристаллизации приводит также к устранению столбчатости структуры, а следовательно к выравниванию свойств отливки во всех сечениях, и кроме того снижает склонность металла к образованию трещин. При концентрации алюминия менее 0,2% заметного эффекта не наблюдается. При повышении концентрации алюминия свыше 0,8% в структуре появляется ферритная составляющая, снижающая прочностные характеристики и износостойкость.
Совместное введение молибдена, ванадия и алюминия обеспечивает более эффективное дисперсионное упрочнение стали в процессе отпуска (старения) при температурах выше 500 °С, максимальная степень которого достигает 11 HRC.
Предложенная композиция элементов обеспечивает комплексное дисперсное упрочнение стали за счет образования карбидных, боридных, нитридных и интерметаллидных фаз при вторичном твердении.
Наличие в высоколегированных сплавах растворенного кислорода, водорода, серы и фосфора отрицательно влияет на механические свойства металла и устойчивость против трещин. Это объясняется тем, что в загрязненном данными элементами сплаве энергия деформации, сосредоточиваются главным образом у структурных дефектов (в основном у неметаллических включений), поэтому по сечению детали энергия распределяется неравномерно. Содержание в сплаве кислорода в пределах 0,0024-0,0044%; водорода в пределах 0,0002-0,0006%; серы 0,006-0,019%; фосфора 0,011-0,017% обеспечивает отсутствие крупных включений, что позволяет распределять энергию деформаций равномерней и значительно повышать выносливость металла в условиях ударных нагрузок.
Пример конкретного выполнения. Были выплавлены три состава предлагаемой стали на нижнем, среднем и верхнем пределах содержания компонентов, а так же два состава стали при содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего пределов. Для сравнительной оценки была получена сталь известного состава (прототип) на среднем пределе содержания компонентов (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав плавок по основным легирующим элементам контролировали с помощью оптического эмиссионного спектрометра ДФС-500. Содержание углерода в плавках определяли методом инфракрасной спектроскопии путем сжигания пробы при температуре 1350 °С в атмосфере кислорода с использованием анализатора МЕТАВАК-CS30. Содержание азота в плавках определяли методом плавления пробы при температуре 2500 °С в атмосфере гелия с использованием анализатора МЕТАВАК-АК.
Изучение свойств литого металла производили на образцах, вырезанных из полученных заготовок в литом состоянии и после старения (500 °С - 2 час). Твердость по Роквеллу измеряли на приборе ТК-2 (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 5 замеров).
Испытания на износ проводили на лабораторной установке в условиях мокрого абразивного трения металла о металл (диск-кулачок) при удельном  давлении на изнашиваемых поверхностях 1 МПа. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости е, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.
Испытания на стойкость состаренного литого металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара0,1 кДж. При этом количество ударов до появления первой трещины являлось критерием определения стойкости металла к хрупкому разрушению.
Результаты испытаний приведены в таблице № 2.
Таблица 2
Результаты испытаний
Свойства литого металла
Варианты составов стали
1
2
3
4
5
6-прототип
Механические характеристики
Твердость в литом состоянии, HRC
36
40
42
45
48
54
Трещины в литом состоянии
нет
нет
нет
нет
1-2 на10 см<sup>2</sup>
1-2 на10 см<sup>2</sup>
Твердость после старения при 500 °C –2 часа, HRC
42
48
51
54
56
57
Коэффициент  е
2,1
2,4
2,8
3,1
3,2
2,2
Количество ударов
43
34
28
23
12
8
Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы сталей  NN 2-4  являются оптимальными и обеспечивают получение  состаренного металла повышенной твердости и высокой износостойкости не склонного к хрупкому разрушению и трещинообразованию.
Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению со сталью – прототипом, предлагаемые составы новой стали позволяют увеличить коэффициент относительной износостойкости литого металла е  с 2,2 до 2,4-3,1 при этом стойкость к хрупкому разрушению повышается в 2,8-4,2 раза.
Такие свойства металла заявленных составов можно объяснить тем, что вследствие введения молибдена, ванадия и алюминия удается получить новый композиционный дисперсионно-твердеющий металл с боридной эвтектикой и большим количеством высокопрочных дисперсных фаз, дополнительно упрочняющийся в результате старения, и приобретающий вследствие этого повышенную стойкость в условиях ударно-абразивного износа.
Металл отливок в зависимости от концентрации легирующих элементов имеет твердость 40ч45 HRC, после старения при 500 °С в течение 2 часов 48ч54 HRC.
Использование предложенной стали для изготовления деталей ходовой части гусеничных машин позволяет значительно повысить их износостойкость и срок службы.
Данное техническое решение создано в рамках выполнения гранта РНФ Соглашение № 17-19-01224.