Конструкционная микролегированная литейная сталь

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННАЯ МИКРОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович Грищенко Владимир Сергеевич Василенко Александр Валерьевич Ивашнев Эдуард Викторович Бадюкова Ульяна Сергеевна Стасенко Игорь Дмитриевич Кучинская Дина Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Конструкционная микролегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит барий, цирконий, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,25-0,35 кремний 0,20-0,40 марганец 0,20-0,35 хром 0,15-0,35 фосфор 0,02-0,05 сера 0,001-0,020 барий 0,02-0,06 цирконий 0,02-0,05 алюминий 0,02-0,04 азот 0,002-0,030 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным легированным литейным сталям, содержащим до 1 мас.легирующих элементов и используемых для изготовления ответственных деталей машин и механизмов с толщиной стенок до 50 мм (балансиров, катков, барабанов и др.), работающих при ударных и циклически изменяющихся нагрузках и условиях трения. Известна конструкционная микролегированная сталь 1, содержащая, мас.углерод 0,25-0,30 кремний 0,20-0,40 марганец 0,50-1,20 титан 0,005-0,04 12231 1 2009.08.30 алюминий 0,001-0,02 цирконий 0,001-0,02 кальций 0,001-0,02 ниобий 0,001-0,025 тантал 0,001-0,025 железо остальное. Известная сталь имеет высокие прочностные свойства и износостойкость, но низкую ударную вязкость и низкие характеристики литейных свойств. Известна также конструкционная низколегированная сталь 2, следующего химического состава, мас.углерод 0,25-0,35 кремний 0,40-0,60 марганец 0,40-0,80 никель 0,40-0,60 молибден 0,40-0,60 фосфор до 0,025 сера до 0,025 ванадий 0,05-0,10 хром 0,50-0,70 железо остальное. Эта сталь обладает удовлетворительными характеристиками предела текучести и твердости, но низкими показателями ударной вязкости и пластичности и используется только для массивных отливок, не подвергаемых ударным нагрузкам. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная микролегированная литейная сталь марки 32 Х 06 Л 3 (прототип), 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. После закалки и отпуска известная сталь обладает следующими механическими свойствами предел текучести - 441-450 МПа ударная вязкость - 49,1-53 Дж/см 2 средний износ при сухом трении - 420-450 мг/гс. Известная сталь склонна к трещинам и обладает низкой пластичностью. Относительное удлинение составляет 10-12 . Предел коррозионной усталости известной стали составляет 190-205 МПа. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение упруго-пластических свойств, износо- и трещиностойкости стали. Поставленная задача достигается тем, что конструкционная микролегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит барий, цирконий, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,25-0,35 кремний 0,20-0,40 марганец 0,20-0,35 хром 0,15-0,35 фосфор 0,02-0,05 сера 0,001-0,020 барий 0,02-0,06 цирконий 0,02-0,05 алюминий 0,02-0,04 азот 0,002-0,030 железо остальное. 2 12231 1 2009.08.30 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. Дополнительное введение в сталь 0,02-0,06 бария обусловлено высокой его химической и микролегирующей активностью, которая оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая износостойкость, упруго-пластические свойства и трещиностойкость. При концентрации его менее 0,02 микролегирующий эффект и дисперсность структуры недостаточны, а при увеличении содержания бария более 0,06 он полностью не растворяется в металлической основе, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства стали. Содержание углерода (0,25-0,35 ) и кремния (0,20-0,40 ) принято исходя из опыта производства низколегированных литейных сталей для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками упруго-пластических свойств. При увеличении концентраций 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 0,25 и 0,20 увеличивается содержание феррита в структуре и снижаются твердость, предел текучести, износостойкость и литейные свойства. Хром в количестве от 0,15 до 0,35 и цирконий (0,02-0,05 ) являются основными микролегирующими элементами, повышающими твердость, износостойкость, предел выносливости, коррозионную стойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и циркония соответственно более 0,35 и 0,05 повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает трещиностойкость,эксплуатационные и упруго-пластические свойства. При их концентрации соответственно менее 0,15 и 0,02 прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются и недостаточны. 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 отливке недостаточна. Дополнительное введение азота в количестве 0,002-0,030 обусловлено его влиянием на дисперсность структуры и повышение упруго-пластических свойств. Снижение пластичности отмечается при повышении содержания азота более 0,030 . При концентрации его менее 0,002 износостойкость и упруго-пластические свойства недостаточны. Дополнительное введение в сталь 0,02-0,04 алюминия обусловлено его высокой раскисляющей и нитридообразующей способностью, которая оказывает значительное влияние на дисперсность структуры, повышая износостойкость, упруго-пластические свойства. При концентрации его менее 0,02 дисперсность структуры недостаточна, а при увеличении содержания его более 0,04 повышается концентрация нитридов алюминия по границам зерен, что снижает однородность структуры и упруго-пластические свойства стали. При содержании серы в количестве от 0,001 до 0,020 не отмечается снижения упруго-пластических свойств, износостойкости, предела выносливости и эксплуатационных свойств. Для снижения концентрации серы менее 0,001 необходимы более чистые и дорогие шихтовые материалы и ферросплавы, а при увеличении ее содержания более 0,020 снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости. Фосфор является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим литейные свойства, износостойкость и предел выносливости. При его содержании в количестве от 0,02 до 0,05 обеспечивается существенное повышение трещиностойкости, предела выносливости и литейных свойств. При снижении концентрации фосфора менее 0,02 литейные свойства и трещиностойкость недостаточны, а при увеличении его содержания более 0,05 снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости. 3 12231 1 2009.08.30 Пример конкретной реализации. Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, ферротитана и других ферросплавов. Температура расплавленного металла перед рафинированием - 1650-1670 С. Легирование феррохромом, азотированным ферромарганцем и ферроцирконием производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование силикобарием и ферротитаном - в стопорном ковше. Для определения свойств сталей заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний в сухие жидкостекольные литейные формы. В табл. 1 приведены химические составы литейных сталей опытных плавок. Таблица 1 Содержание компонентов, мас.(железо - остальное),в литейных сталях для составов Компоненты 1 (извест.) 2 3 4 5 6 углерод 0,27 0,12 0,25 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 0,35 0,35 фосфор 0,04 0,01 0,02 0,04 0,05 0,07 барий 0,01 0,02 0,04 0,06 0,08 цирконий 0,01 0,02 0,04 0,05 0,06 алюминий 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 сера 0,05 0,001 0,001 0,002 0,020 0,05 азот 0,001 0,002 0,012 0,030 0,035 Определение прочностных свойств проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкости - на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм, высотой 140 мм, а предела коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов. Для определения ударной вязкости использовали образцы 101055 мм. В табл. 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 2 Содержание компонентов, мас.(железо Свойства конструкционных микроостальное), в литейных сталях для составов легированных литейных сталей 1 (извест.) 2 3 4 5 6 Предел текучести, МПа 445 437 451 465 460 448 Скорость изнашивания при сухом 425 418 380 335 330 392 трении, мг/гс Предел коррозионной усталости, МПа 192 194 212 225 228 230 Относительное удлинение,12 12 15 20 18 14 Ударная вязкость, Дж/см 2 46 50 52 60 56 47 Склонность к трещинообразованию 9,02 8,4 8,1 7,5 7,8 8,6(количество трещин в пробе) Источники информации 1. А.с. СССР 1186686, МПК С 22 С 38/14, 1985. 2. А.с. ЧССР 185825, МПК С 22 С 38/44, 1980. 3. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4