Литейная сталь

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Моисеенко Владимир Иванович Мариев Павел Лукьянович Папковский Петр Иванович Шкатуло Наталья Дмитриевна Гацуро Владимир Михайлович Кураш Валентин Станиславович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден,медь, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ванадий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,12-0,16 кремний 0,20-0,60 марганец 0,5-0,9 хром 0,5-0,8 никель 0,4-0,7 молибден 0,04-0,07 медь 0,25-0,42 фосфор не более 0,02 сера не более 0,02 ванадий 0,03-0,05 алюминий 0,04-0,07 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии а именно, к конструкционным литейным сталям, применяемым в различных отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении при изготовлении крупногабаритных отливок для карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, работающих при повышенных ударных нагрузках и в экстремальных климатических условиях. Известна литейная сталь 1, имеющая следующий химический состав, мас.углерод не более 0,10 13742 1 2010.10.30 марганец 0,6-1,0 кремний 0,15-0,40 никель 1,15-1,55 ванадий 0,06-0,15 медь 0,8-1,2 хром не более 0,30 фосфор не более 0,035 сера не более 0,035 железо остальное. Недостатками указанной стали являются недостаточно высокая ударная вязкость 50 Дж/см 2, что приводит к снижению долговечности изделий, изготовленных из нее и работающих под воздействием ударных нагрузок, особенно при отрицательных температурах, а также высокое содержание дорогостоящих элементов никеля и меди. Известна выбранная в качестве прототипа литейная сталь 2 следующего состава,мас.углерод 0,17-22 кремний 0,17-0,37 марганец 0,40-0,70 никель 3,2-4,5 медь 0,7-1,0 молибден 0,38-0,50 хром 0,3-0,4 сера 0,025 фосфор 0,025 железо остальное. Указанная сталь после термической обработки, закалки и высокого отпуска обладает достаточно высоким пределом прочности в 700 МПа, пределом текучести т 610 МПа и пластичности, характеризуемой относительным удлинением 20 и относительным сужением 50 . Недостатком указанной стали является то, что прочностные, пластические характеристики и характеристики вязкости достигаются высоким содержанием дорогостоящих дефицитных легирующих компонентов, таких как никель, медь, молибден. Сталь обладает ограниченной свариваемостью, вследствие чего после сварки требуется применение специальных методов сварки или термическая обработка всего сварного изделия, что влечет за собой необходимость применения специальных термических печей для крупногабаритных сварных конструкций. Задачей изобретения является создание литейной стали, обладающей высокой ударной вязкостью, хорошей свариваемостью при сохранении других физико-механических свойств и уменьшении в ее составе содержания дорогостоящих компонентов никеля и меди. Задача решается за счет того, что низколегированная литейная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, фосфор, серу, ванадий, алюминий,железо при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,12-0,16 кремний 0,20-0,60 марганец 0,5-0,9 хром 0,5-0,8 никель 0,4-0,7 молибден 0,04-0,07 медь 0,25-0,42 фосфор не более 0,02 сера не более 0,02 2 13742 1 2010.10.30 ванадий 0,03-0,05 алюминий 0,04-0,07 железо остальное. Наличие в указанном количестве углерода достаточно для упрочнения стали. При содержании углерода менее 0,12 не достигается требуемая прочность стали, а при содержании более 0,16 ухудшается свариваемость стали. Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность, жидкотекучесть, но при концентрации более 0,6 снижает пластичность материала. Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу, но при содержании более 0,9 снижает пластичность. Хром повышает прочность стали. При его содержании менее 0,5 прочность ниже допустимой. Увеличение содержания хрома более 0,8 приводит к потере пластичности из-за образования карбидов. Медь улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и ударную вязкость материала. При сварке стали, имеющей в своем составе медь, при сравнительно низком содержании углерода не наблюдается подкалки в зоне термического влияния. Никель способствует повышению прочности и вязкости стали, снижение содержания никеля менее 0,4 приводит к потере пластичности. Ванадий с алюминием и их сочетание являются сильными раскисляющими элементами. Содержание ванадия в указанном выше соотношении позволит повысить прочность и ударную вязкость стали. Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот в нитриды,уменьшая его вредное влияние на вязкостные свойства. Увеличение этого элемента более 0,07 загрязняет сталь неметаллическими включениями (окислами, нитридами) и приводит к снижению прочностных свойств. Молибден увеличивает прочность и вязкость стали, но при концентрации более 0,07 ухудшает свариваемость. Сера и фосфор являются неизбежными примесями, и при концентрациях менее 0,02 повышается качество металла. Осуществлен ряд плавок опытных сталей, химический состав которых представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав аналога, прототипа и полученных опытных сталей Химический состав, мас.Тип стали Аналог 1 0,10 0,35 0,8 0,30 1,35 1,0 0,10 0,03 0,03 Прототип 2 0,19 0,27 0,55 0,35 3,8 0,44 0,85 0,025 0,025 1 опытная 0,16 1,0 0,60 0,65 0,55 0,07 0,30 0,08 0,03 0,02 0,017 2 опытная 0,11 0,30 0,32 0,48 0,57 0,05 0,45 0,1 0,01 0,02 0,02 3 опытная 0,14 0,55 0,58 0,65 0,55 0,07 0,32 0,1 0,03 0,025 0,015 4 опытная 0,12 0,42 0,58 0,93 0,61 0,04 0,35 0,04 0,03 0,02 0,02 5 опытная 0,14 0,45 0,90 0,70 0,50 0,07 0,35 0,07 0,04 0,02 0,02 Сталь заявляемого со- 0,12 0,22 0,78 0,55 0,47 0,05 0,32 0,04 0,05 0,02 0,02 става Сталь заявляемого состава получали следующим способом. В индукционной печи модели/5- с основной футеровкой тигля печи провели плавку металлических отходов листовых сталей 09 Г 2 С (ГОСТ 19282-73),18 ХГНМФР (ТУ 14-1-5435-2001), 10 ХСНД (ГОСТ 19282-73) с добавлением ферромарган 3 13742 1 2010.10.30 ца. Время плавки 1 час. Температура нагрева металла до 1600 С. При сливе металла провели раскисление бескремниевой комплексной лигатурой АКЦе и алюминием. Применение основной футеровки тигля печей и разливочных ковшей позволило достигнуть максимального удаления вредных примесей серы 0,02, фосфора 0,02. Полученные отливки подвергали нормализационному отжигу. В результате получена структура стали, состоящая из мелких ферритных зерен размером 12-16 мкм, объединенных в блоки размером 90-180 мкм, которые окаймлены весьма дисперсным перлитом. В блоках мелких ферритных зерен имеются вкрапления перлита. Вкрапления и прослойки весьма мелкодисперсного перлита создают как бы жесткий и упругий каркас вокруг мелкого и пластичного феррита. Неметаллические включения приняли глобулярную форму и перераспределены равномерным фоном, что сопровождается заметным очищением от них межзеренных границ. Такое структурное строение стали обеспечивает высокий уровень прочности, пластичности и ударной вязкости изделий. В табл. 2 приведены результаты механических испытаний опытных сталей, стали заявляемого состава, а также механические свойства аналога 1 и прототипа 2. Для испытания опытных сталей образцы вырезали из деталей с толщиной стенки 30-35 мм,полученных в процессе разливки стали. Испытания прочности и ударной вязкости проводили на стандартном оборудовании. Таблица 2 Механические свойства сталей Предел Относи- ОтносиУдарная вязкость Предел прочтельное тельное Сталь,Твер, С Дж/см Аналог 441 18 30 50 343 1 работа удара при температуре 0 С,Прототип 700 600 20 50 2100 Дж 1 опыт 583,1 374,1 22,4 44,3 125 48,3 28,3 179 ная 2 опыт 442,8 276,7 30,6 58,7 191,2 121,7 98,3 131 ная 3 опыт 501,4 298 22 67,5 162,5 90 96,2 31,2 143 ная 4 опыт 502 321,5 34,5 71,5 266,2 143,7 133,3 105 72,5 156 ная не 4 опытраз 557,4 417 25,4 71,4 238 202,5 13742 1 2010.10.30 Из анализа результатов, приведенных в табл. 1 и 2 следует, что оптимальным сочетанием механических свойств обладает заявляемая сталь, обладающая по сравнению с аналогом и прототипом более высокой ударной вязкостью как при плюсовых, так и при миминусовых температурах при испытании на стандартных образцах с круглым и острым надрезом. Источники информации 1. ГОСТ 977-88. 2. Патент 2203344, МПК 22 38/44, 2003 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5