Конструкционная низколегированная литейная сталь

(51) МПК 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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, медь, титан, кальций, барий, азот и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит бор и алюминий 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 0,15-0,30 титан 0,05-0,15 кальций 0,02-0,06 барий 0,01-0,05 азот 0,002-0,030 бор 0,01-0,03 алюминий 0,002-0,005 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления зубчатых колес, шестерен, крестовин и звездочек, подвергаемых процессу нормализации и работающих при циклически изменяющихся нагрузках и трении. Известна конструкционная низколегированная литейная сталь марки 20 ДХЛ 1, содержащая, мас.углерод 0,15-0,25 кремний 0,20-0,40 16783 1 2013.02.28 марганец 0,50-0,80 хром 0,80-1,10 медь 1,40-1,60 железо остальное. Эта сталь обладает низкими упруго-пластическими свойствами и недостаточной износостойкостью в условиях сухого трения. Средний износ составляет 420-450 мг/гс. Известна также конструкционная низколегированная литейная сталь 2, содержащая,мас.углерод 0,12-0,14 кремний до 0,45 марганец 0,3-0,8 хром 0,7-1,6 молибден 0,4-0,7 железо остальное. Сталь может содержать один или несколько элементов из группы, содержащей,мас.медь до 0,5 никель до 0,5 бор 0,005 ниобий до 0,05 ванадий до 0,08, а также алюминий, титан, цирконий 0,005 . Эта сталь хорошо прокаливается, имеет в литых изделиях мелкозернистую структуру,но обладает недостаточной термической стойкостью и низкой динамической прочностью. Это снижает эксплуатационную стойкость литых деталей в условиях повышенных динамических нагрузок. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная низколегированная литейная сталь 3, содержащая, 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 0,002-0,03 железо остальное. После нормализации и отпуска эта сталь обладает следующими механическими и технологическими свойствами предел текучести 415-450 МПа предел коррозионной усталости 205-221 МПа ударная вязкость 38-45 Дж/см 2 предельный режим при трении 18-21 МПам/с относительное удлинение 14-17 склонность к трещинообразованию 7,5-8,2 скорость изнашивания при сухом трении 320-375 мг/гс коэффициент трения 0,38-0,41. Недостатками известной стали являются повышенная склонность к трещинам и низкие характеристики износостойкости при сухом трении и ударной вязкости. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение ударной вязкости, износостойкости при сухом трении и снижение склонности к трещинам. Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, титан, кальций, барий, азот и 16783 1 2013.02.28 железо, дополнительно содержит бор и алюминий 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 0,15-0,30 титан 0,05-0,15 кальций 0,02-0,06 барий 0,01-0,05 азот 0,002-0,030 бор 0,01-0,03 алюминий 0,002-0,005 железо остальное. Дополнительное введение 0,01-0,03 бора способствует измельчению и упрочнению структуры стали в отливках, повышению износостойкости при сухом трении и трещиностойкости. При концентрации его до 0,01 микролегирующий эффект сказывается незначительно и износостойкость стали низкая. При содержании бора более 0,03 снижаются упруго-пластические свойства. Дополнительное введение 0,002-0,005 алюминия обусловлено его высокой раскисляющей и модифицирующей способностью, повышением однородности структуры стали и ее трещиностойкости. При концентрации алюминия до 0,002 его влияние на свойства стали недостаточное, а при увеличении содержания алюминия более 0,005 отмечается снижение износостойкости. Содержание углерода (0,15-0,25 ) и кремния (0,20-0,40 ) принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с мелкозернистой структурой и повышенными характеристиками упруго-пластических свойств и износостойкости. При их концентрации соответственно менее 0,15 и 0,20 снижаются характеристики износостойкости, предела выносливости и эксплуатационных свойств. Хром в количестве от 0,5 до 0,80 и титан от 0,05 до 0,15 являются основными легирующими и нитридообразующими элементами, упрочняющими структуру и повышающими износостойкость. При увеличении концентрации хрома и титана соответственно более 0,80 и 0,15 повышается содержание карбидов и нитридов по границам зерен, что снижает упруго-пластические свойства и трещиностойкость. При снижении концентрации хрома менее 0,50 и титана менее 0,05 износостойкость, прочностные и эксплуатационные свойства недостаточны. Медь в количестве от 0,15 до 0,30 обеспечивает в структуре необходимую концентрацию перлита, необходимые упруго-пластические и антифрикционные свойства. При увеличении концентрации меди более 0,30 снижается износостойкость стали. При уменьшении содержания меди до 0,15 в структуре отмечаются участки феррита, что снижает износостойкость и эксплуатационные свойства отливок. Барий (0,01-0,05 ) и кальций (0,02-0,06 ) введены как эффективные модифицирующие и химически активные добавки, измельчающие структуру и повышающие ее однородность и физико-механические свойства. Верхние пределы их концентрации ограничены недостаточной усвояемостью в расплавленном металле и снижением однородности структуры и стабильности свойств. При уменьшении концентрации бария менее 0,01 и кальция менее 0,02 их влияние на структуру и свойства стали в отливках недостаточно. Марганец в количестве 0,40-0,70 повышает износостойкость и прочностные свойства стали при сохранении упруго-пластических свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,70 снижаются характеристики ударной вязкости и трещиностойкости. 3 16783 1 2013.02.28 При снижении содержания марганца до 0,40 характеристики износостойкости и прочностных свойств недостаточны. Азот в количестве от 0,002 до 0,030 образует дисперсные нитриды с алюминием,титаном, бором и хромом, повышая дисперсность структуры, износостойкость, прочностные и эксплуатационные свойства. При увеличении концентрации азота более 0,03 отмечаются скопления нитридов по границам зерен и снижение ударной вязкости,трещиностойкости и эксплуатационных свойств стали. При содержании азота до 0,002 износостойкость и прочностные свойства недостаточны. Пример практической реализации. Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, меди марки М 0, ферробора, ферросилиция, содержащего алюминий марки ФС 75 А 11 и других ферросплавов. Расплав перед рафинированием перегревают до температуры 1580-1610 С. После процесса рафинирования и скачивания шлака производят легирование расплава в печи азотированным ферромарганцем, медью,ферробором и ферротитаном. Процесс модифицирования ферросилицием ФС 75 А 11, силикокальцием и силикобарием производили в стопорном ковше. Модифицированным расплавом заливали сухие жидкостекольные литейные формы для получения решетчатых и звездообразных технологических проб, образцов для механических и технологических испытаний, зубчатых колес и других отливок. В табл. 1 приведены химические составы литейных сталей опытных плавок. Таблица 1 Содержание компонентов в литейных сталях, мас.Компоненты 1/Извест./ 2 3 4 5 6 Углерод 0,18 0,13 0,15 0,21 0,25 0,28 Кремний 0,35 0,18 0,20 0,32 0,40 0,47 Марганец 0,50 0,33 0,40 0,57 0,70 0,81 Хром 0,57 0,41 0,50 0,61 0,80 0,82 Медь 0,48 0,13 0,15 0,24 0,30 0,40 Титан 0,12 0,03 0,05 0,12 0,15 0,17 Кальций 0,05 0,01 0,02 0,05 0,06 0,07 Барий 0,04 0,005 0,01 0,03 0,05 0,06 Азот 0,02 0,001 0,002 0,01 0,030 0,05 Бор 0,002 0,01 0,02 0,03 0,04 Алюминий 0,001 0,002 0,003 0,005 0,01 Железо остальное ост. ост. ост. ост. ост. Определение прочностных свойств сталей проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм и длиной 70 мм. Для определения трещиностойкости используют звездообразные технологические пробы диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Условный предел коррозионной усталости определяют на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов, а эксплуатационную стойкость - на механически обработанных и нормализованных шестернях в условиях трения без смазки. В табл. 2 приведены механические, фрикционные и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок, полученные на образцах, технологических пробах и литых деталях после нормализации с температуры 880-980 С и отпуска при 560-600 С. 16783 1 2013.02.28 Таблица 2 Свойства чугунов Предел текучести, МПа Относительное удлинение,Условный предел коррозионной усталости,МПа Скорость изнашивания при сухом трении, мг/гс Коэффициент трения Склонность к трещинообразованию Эксплуатационная стойкость, ч Предельный режим работы при трении, МПам/с Свойства сталей составов 2 3 4 5 462 480 550 535 16 18 20 19 Как видно из табл. 2, предложенная конструкционная низколегированная литейная сталь (составы 3, 4 и 5) обладает более высокими характеристиками ударной вязкости, износостойкости, предела коррозионной усталости и меньшей склонностью к трещинообразованию, чем известная. Источники информации 1. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия. 2. Заявка Японии 57-143467, МПК 22 38/22, 1982. 3. Патент 12521, МПК 22 38/20, 2009 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5