КОНСТРУКЦИОННАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/60 

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления крестовин, рычагов для топливных опор, фланцев, шестерен, звездочек и других ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузок.

Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (авт. св. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:

Углерод 15-0,20 Кремний 30-0,60 Марганец 20-1,50 Хром 20-1,50 Никель 80-2,20 Молибден 20-0,30 Медь 80-1,20 Титан 10-0,15 Церий 05-0,10 Ванадий 0,10-0,15 Кальций 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 (патент 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 содержит большое количество карбидообразующих элементов, обладает низкими характеристиками пластичности, предела текучести и используется только для массивных зубчатых колес и других литых деталей, не подвергаемым ударным нагрузкам.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 25ХГЛ (ГОСТ 977 - 88), содержащая, мас.%:

Углерод 0,20-0,30 Кремний 0,20-0,50 Марганец 0,85-1,15 Хром 0,90-1,30 Фосфор до 0,04 Сера до 0,04 Железо Остальное

Известная сталь обладает средней категорией прочности (КТ 35), но недостаточными упругопластическими свойствами и трещиностойкостью. Механические свойства известной стали: предел текучести - 383-400 МПа; относительное удлинение - 10-12%; относительное сужение - 20-22%; ударная вязкость - 16,7 18,5 Дж/см². Предел коррозионной усталости стали составляет 175-190 МПа.

Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств и трещиностойкости стали.

Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,17-0,25 Кремний 0,17-0,35 Марганец 0,90-1,20 Хром 0,90-1,20 Титан 1,02-1,50 Сурьма 0,03-0,30 Фосфор 0,02-0,06 Сера 0,02-0,06 Алюминий 0,07-0,23 Кальций 0,02-0,05 Железо Остальное

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.

Содержание углерода (0,17-0,25) мас.%, кремния (0,17-0,35) мас.%, фосфора (0,02-0,06) мас.% и серы (0,02-0,06) мас.% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с преимущественно мелкозернистой перлитной структурой, с высокими характеристиками упругопластических свойств. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,25 мас.% и 0,35 мас.% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при уменьшении их концентрации соответственно ниже 0,17 мас.% каждого снижаются однородность и стабильность структуры и трещиностойкость отливок.

Дополнительное введение титана в количестве 1,02-1,50 мас.% обусловлено его высокой химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 1,02 мас.% модифицирующий эффект, пластические свойства и трещиностойкость низкие, а при увеличении содержания титана более 1,50 мас.% увеличивается угар, снижаются однородность и упругопластические свойства.

Сурьма в количестве 0,03-0,30 мас.% является легирующим и перлитизирующим структуру компонентом, повышающим упругопластические свойства и предел выносливости. При снижении концентрации сурьмы менее 0,03 мас.% упругопластические свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,30 мас.% снижаются характеристики предела текучести, трещиностойкости и относительного удлинения.

Дополнительное введение алюминия в количестве (0,07-0,23) мас.% обусловлено его раскисляющей и модифицирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 0,07 мас.% модифицирующий эффект и упругопластические свойства низкие, а при увеличении содержания алюминия более 0,23 мас.% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры и трещиностойкость стали.

Дополнительное введение кальция 0,02-0,05 мас.% обусловлено его высокой рафинирующей активностью, он очищает границы зерен и оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая упругопластические свойства.

При концентрации его менее 0,02 мас.% модифицирующий эффект, трещиностойкость и упругопластические свойства стали низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 мас.% он полностью не растворяется в металлической основе, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.

Хром и марганец в количествах от 0,9 до 1,2 мас.% являются основными легирующими элементами, повышающими прочность, твердость, трещиностойкость, предел выносливости, коррозионную стойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и марганца более 1,2 мас.% каждого повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает упругопластические свойства. При их концентрации менее 0,9 мас.% каждого прочность, трещиностойкость, твердость, предел текучести значительно снижаются и недостаточны.

Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального низколегированного лома, металлического марганца, низкоуглеродистого хрома, металлической сурьмы, ферросиликомарганца, ферротитана, силикокальция и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1560-1600°С, а при раскислении алюминием - 1610-1630°С. Легирование расплава ферросиликомарганцем, хромом и сурьмой производят в печи, а модифицирование - в ковше с использованием алюминотермических присадок в виде таблеток диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Для определения свойств стали 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.

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 10⁷ циклов. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.

Как видно из таблицы 2, предложенная низколегированная литейная сталь обладает более высокими упругопластическими свойствами и трещиностойкостью в литых технологических пробах, чем известная.

Таблица 1 Компоненты Содержание компонентов (железо - остальное) в литейных сталях для сплавов, мас.% 1 (Изв.) 2 3 4 5 6 Углерод 0,25 0,1 0,17 0,23 0,25 0,28 Кремний 0,35 0,12 0,17 0,27 0,35 0,41 Марганец 1,05 0,81 0,90 1,12 1,20 1,40 Хром 1,12 0,77 0,90 1,13 1,20 1,30 Титан - 0,51 1,02 1,3 1,5 1,7 Сурьма - 0,02 0,03 0,2 0,3 0,4 Фосфор 0,03 0,01 0,02 0,04 0,06 0,1 Сера 0,03 0,01 0,02 0,04 0,06 0,1 Алюминий - 0,03 0,07 0,11 0,23 0,3 Кальций - 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07

Таблица 2   Показатели свойств для составов литейных сталей Свойства литейных сталей опытных плавок             1(Изв.) 2 3 4 5 6 Предел текучести, 395 390 405 430 445 395 МПа             Относительное 12 12 15 18 17 14 удлинение, %             Склонность к             трещинообразованию (количество трещин 9,6 8,5 8,1 7,2 7,5 8,3 в пробе)             Предел             коррозионной 192 182 210 225 218 195 усталости, МПа             Относительное 21 20 25 28 27 22 сужение, %             Ударная вязкость, Дж/см² 18 18 26 37 34 24

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу конструкционной низколегированной литейной стали, используемой для изготовления ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузках. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу, титан, сурьму, алюминий, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,17-0,25, кремний 0,17-0,35, марганец 0,90-1,20, хром 0,90-1,20, титан 1,02-1,50, сурьма 0,03-0,30, фосфор 0,02-0,06, сера 0,02-0,06, алюминий 0,07-0,23, кальций 0,02-0,05, железо остальное. Повышаются упругопластические свойства и трещиностойкость стали. 2 табл.

Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,17-0,25 кремний 0,17-0,35 марганец 0,90-1,20 хром 0,90-1,20 титан 1,02-1,50 сурьма 0,03-0,30 фосфор 0,02-0,06 сера 0,02-0,06 алюминий 0,07-0,23 кальций 0,02-0,05 железо остальное