Конструкционная низколегированная литейная сталь

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КОНСТРУКЦИОННАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович Бадюкова Ульяна Сергеевна Шпадарук Валерий Эвальдович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, медь и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит титан,кальций, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,15-0,25 кремний 0,20-0,40 марганец 0,40-0,70 хром 0,50-0,80 медь 0,35-0,50 титан 0,03-0,15 кальций 0,02-0,06 барий 0,01-0,03 азот 0,002-0,030 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления зубчатых колес, крестовин, шестерен и звездочек, подвергаемых нормализации и работающих при циклически изменяющихся нагрузках и трении. Известна конструкционная низколегированная литейная сталь А.с. СССР 595419,МПК С 22 С 38/50 // БИ 8, опубл. 20.03.78, содержащая, мас.углерод 0,15-0,20 кремний 0,3-0,6 марганец 1,2-1,5 хром 1,2-1,5 никель 1,8-2,2 молибден 0,2-0,3 12521 1 2009.10.30 медь 0,8-1,2 титан 0,1-0,15 церий 0,05-0,1 ванадий 0,1-0,15 кальций 0,03-0,08 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 для зубчатых колес А.с. 185825, ЧССР, МПК С 22 С 38/44, опубл. 15.10.80 следующего 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 низкими характеристиками пластичности и используется только для массивных зубчатых колес, не подвергаемых ударным нагрузкам. Наиболее близкой по технической сущности является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 20 ДХЛ (ГОСТ 977-88, прототип), содержащая, мас.углерод 0,15-0,25 кремний 0,20-0,40 марганец 0,50-0,80 хром 0,80-1,10 медь 1,40-1,60 железо остальное. После нормализации и отпуска известная сталь обладает следующими механическими свойствами предел текучести - 392-410 МПа относительное удлинение - 12-13 ударная вязкость - 29,4-32 Дж/см 2 средний износ - 420-450 мг/гс. Предел коррозионной усталости стали составляет 180-195 МПа, а коэффициент трения - 0,42-0,46. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение упруго-пластических и антифрикционных свойств стали. Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, дополнительно содержит титан, кальций, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,15-0,25 кремний 0,20-0,40 марганец 0,40-0,70 хром 0,50-0,80 медь 0,35-0,50 титан 0,03-0,15 кальций 0,02-0,06 барий 0,01-0,03 азот 0,002-0,030 железо остальное. 2 12521 1 2009.10.30 Дополнительное введение 0,02-0,06 кальция обусловлено высокой его химической,модифицирующей и графитизирующей активностью, который очищает границы зерен и оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации его менее 0,02 модифицирующий эффект и антифрикционные свойства стали низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,06 он полностью не растворяется в металлической основе, что снижает однородность структуры,износостойкость и упруго-пластические свойства стали. Содержание углерода (0,15-0,25 ) и кремния (0,20-0,40 ) принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой, с высокими характеристиками упруго-пластических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условиях трения. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 0,25 и 0,40 повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упруго-пластические характеристики стали, а при снижении их концентрации соответственно ниже 0,15 и 0,20 увеличивается содержание феррита в структуре и снижаются твердость и антифрикционные свойства. Хром в количестве от 0,50 до 0,80 и титан (0,03-0,15 ) являются основными микролегирующими и нитридообразующими элементами, повышающими твердость, предел выносливости, коррозионную стойкость и износостойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и титана соответственно более 0,8 и 0,15 повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает антифрикционные и упруго - пластические свойства. При их концентрации соответственно менее 0,50 и 0,03 прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются и недостаточны. Увеличение количества карбонитридов и нитридов по границам зерен и снижение пластических свойств стали в отливках отмечается при повышении содержания азота более 0,030 , а при снижении его концентрации менее 0,002 дисперсность структуры недостаточна и упруго-пластические свойства снижаются. Дополнительное введение бария в количестве 0,01-0,03 обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение антифрикционных и упруго-пластических свойств. При концентрации его менее 0,01 модифицирующий эффект и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания бария более 0,03 увеличивается угар, снижаются однородность структуры, износостойкость, пределы выносливости и коррозионной усталости. Медь является основным перлитизирующим структуру компонентом, повышающим антифрикционные свойства и предел выносливости. При ее содержании в количестве от 0,35 до 0,50 обеспечивает существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,35 антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержание более 0,50 снижаются характеристики твердости, износостойкости и трещиностойкости. Содержание марганца снижено до концентрации 0,40-0,70 , так как при содержании более 0,70 он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения. При концентрации марганца менее 0,40 литейные свойства стали, дисперсность структуры в отливках, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны. Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, меди марки М 0, ферротитана и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием - 1580-1610 С. Легирование ферромарганцем, медью и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в стопорном ковше с использованием силикокальция и силикобария. Для 3 12521 1 2009.10.30 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 Компоненты сталях для составов 1 (известн.) 2 3 4 5 6 Углерод 0,17 0,12 0,15 0,23 0,25 0,28 Кремний 0,35 0,17 0,20 0,27 0,40 0,47 Марганец 0,70 0,35 0,40 0,52 0,70 0,74 Хром 1,0 0,47 0,50 0,63 0,70 0,8 Медь 1,5 0,31 0,35 0,41 0,5 0,7 Титан 0,02 0,03 0,09 0,15 0,17 Кальций 0,01 0,02 0,04 0,06 0,07 Барий 0,006 0,01 0,02 0,03 0,04 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, трещиностойкость- на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм высотой 14 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 10 циклов. В табл. 2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах после нормализации с температуры 880-890 С и отпуска при 560-600 С. Таблица 2 Показатели свойств для составов литейных Свойства литейных сталей сталей опытных плавок 1 (изв.) 2 3 4 5 6 Предел текучести, МПа 397 391 415 445 450 408 Предельный режим при трении, МПа м/с 16 15 18 20 21 19 Скорость изнашивания при сухом трении,450 421 375 326 320 386 мг/гс Предел коррозионной усталости, МПа 192 183 205 221 216 198 Относительное удлинение,12 12 14 17 16 15 2 Ударная вязкость, Дж/см 30 33 38 45 43 41 Коэффициент трения 0,46 0,43 0,41 0,38 0,40 0,42 Склонность к трещинообразованию (ко 9,6 8,7 8,2 7,5 7,7 8,6 личество трещин в пробе) Источники информации 1. А.с. СССР 595419, МПК С 22 С 38/50 // БИ 8. - 1978. 2. А.с. ЧССР 185825, МПК С 22 С 38/44, опубл. 15.10.80. 3. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4