КОНСТРУКЦИОННАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ
STRUCTURE LOW ALLOYED CAST STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления ответственных деталей машин и механизмов с толщиной стенок до 50 мм, работающих при ударных и циклически изменяющихся нагрузках и в условиях трения (балансиры, барабаны, кронштейны, катки и др.).
Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (А.с. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:
Углерод
0,15-0,20
Кремний
0,30-0,60
Марганец
1,20-1,50
Хром
1,20-1,50
Никель
1,80-2,20
Молибден
0,20-0,30
Медь
0,80-1,20
Титан
0,10-0,15
Церий
0,05-0,10
Ванадий
0,10-0,15
Кальций
0,03-0,08
Азот
0,008-0,02
Барий
0,05-0,10
Железо
остальное.
Известная сталь имеет высокую прочность и износостойкость, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.
Известна также конструкционная низколегированная сталь (А.с. 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 с большим содержанием легирующих добавок обладает высокой твердостью и износостойкостью, но низкими показателями ударной вязкости и используется только для массивных отливок, не подвергаемых ударным нагрузкам.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 32Х06Л (ГОСТ 977-88), содержащая, мас.%:
Углерод
0,25-0,35
Кремний
0,20-0,40
Марганец
0,40-0,90
Хром
0,50-0,80
Фосфор
до 0,05
Сера
до 0,05
Железо
остальное.
2
После закалки и отпуска известная сталь обладает следующими свойствами: предел текучести - 441-450 МПа; ударная вязкость - 49,1-53,0 Дж/см; средний износ при сухом трении - 420-450 мг/гс. Известная сталь склонна к трещинам и обладает низкой пластичностью. Относительное удлинение составляет 10-12%.
Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств, износо- и трещиностойкости стали.
Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит никель, кальций, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,30-0,35
Кремний
0,20-0,40
Марганец
0,20-0,35
Хром
0,15-0,35
Никель
0,02-0,06
Кальций
0,02-0,05
Алюминий
0,02-0,05
Фосфор
0,02-0,04
Сера
0,01-0,04
Азот
0,002-0,03
Железо
остальное.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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.
Никель 0,02-0,06% и хром в количестве от 0,15 до 0,35% являются основными микролегирующими элементами, повышающими твердость, износостойкость, предел выносливости стали в отливках. Однако при увеличении концентрации никеля и хрома соответственно более 0,06% и 0,35% повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает трещиностойкость, эксплуатационные и упругопластические свойства. При их концентрации соответственно менее 0,02% и 0,15% прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются и недостаточны.
Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% кальция обусловлено высокой его модифицирующей способностью и химической активностью, что оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая износостойкость, упругопластические свойства и трещиностойкость. При концентрации его менее 0,02% микролегирующее действие и дисперсность структуры недостаточны, а при увеличении содержания кальция более 0,05% значительно повышается угар и снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.
Содержание углерода 0,30-0,35% и кремния 0,2-0,4% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с перлитной структурой и с высокими характеристиками пластичности. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,35% и 0,40% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при снижении их концентрации соответственно ниже 0,30% и 0,20% увеличивается содержание феррита в структуре и снижаются твердость, предел текучести, износостойкость и литейные свойства.
Содержание марганца снижено до концентрации 0,20-0,35%, так как при содержании более 0,35% он снижает ударную вязкость и увеличивает склонность к трещинам. При концентрации марганца менее 0,20% износостойкость в отливках недостаточна.
Дополнительное введение азота в количестве 0,002-0,03% обусловлено его влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. Снижение пластичности отмечается при повышении содержания азота более 0,03%. При концентрации его менее 0,002% износостойкость и упругопластические свойства недостаточны.
Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% алюминия обусловлено его высокой раскисляющей и нитридообразующей способностью, которая оказывает значительное влияние на дисперсность структуры, повышая упругопластические свойства. При концентрации его менее 0,02% дисперсность структуры недостаточна, а при увеличении содержания его более 0,05% повышается концентрация нитридов алюминия по границам зерен, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.
При содержании серы в количестве от 0,01 до 0,04% не отмечается снижение упругопластических свойств, износостойкости, предела выносливости и эксплуатационных свойств. Для снижения концентрации серы менее 0,01% необходимы более чистые и дорогие шихтовые материалы и ферросплавы, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.
Фосфор является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим литейные свойства, износостойкость и предел выносливости. Его содержание в количестве от 0,02 до 0,04% обеспечивает существенное повышение трещиностойкости, предела выносливости и литейных свойств. При снижении концентрации фосфора менее 0,02% литейные свойства и трещиностойкость недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.
Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, ферроникеля и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1650-1670°С. Легирование феррохромом, азотированным ферромарганцем и ферроникелем, производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - алюминотермическими таблетками, содержащими силикокальций, - в стопорном ковше. Для определения свойств сталей 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 10 циклов. Для определения ударной вязкости использовались образцы 10×10×55 мм. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах после закалки с температуры 880-890°С и отпуска при 560-600°С.
Таблица 1
Химические составы литейных сталей опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное) литейных сталях для составов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
0,27
0,12
0,30
0,33
0,35
0,38
Кремний
0,35
0,18
0,20
0,27
0,40
0,46
Марганец
0,78
0,17
0,20
0,22
0,35
0,44
Хром
0,70
0,12
0,15
0,23
0,25
0,38
Фосфор
0,04
0,01
0,02
0,03
0,04
0,07
Никель
-
0,01
0,02
0,04
0,06
0,08
Кальций
-
0,01
0,02
0,04
0,05
0,06
Алюминий
-
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
Сера
0,05
0,01
0,01
0,02
0,04
0,05
Азот
-
0,001
0,002
0,012
0,03
0,035
Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок
Свойства литейных сталей
Показатели свойств для составов литейных сталей опытных плавок
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел текучести, МПа
445
437
452
468
460
448
Относительное удлинение, %
12
12
16
20
18
14
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе)
9,2
8,4
6,0
7,5
7,2
8,1
Предел коррозионной усталости, МПа
192
194
212
225
232
220
Скорость изнашивания при сухом трении, мг/гс
425
418
340
325
308
392
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
46
51
56
65
61
54