НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ Российский патент 2012 года по МПК C22C38/50 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным литым сталям для ответственных деталей машин, например деталей вагонов.

Известна сталь [1], содержащая, мас.%:

Углерод 0,19-0,25 Марганец 0,5-1,2 Кремний 0,3-0,5 Хром 0,15-0,6 Никель 0,15-0,6 Алюминий 0,01-0,2 Кальций 0,0005-0,01 Иттрий 0,1-0,4 Сера 0,003-0,06 Железо остальное.

Механические свойства этой стали превышают минимальный уровень свойств для соответствующих сталей по ГОСТ 977-88, но не всегда достаточны для экстремальных условий работы литых деталей высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Известна также сталь [2], содержащая, мас.%:

Углерод 0,10-0,20 Марганец 0,70-1,10 Кремний 0,17-0,37 Хром 0,05-0,35 Никель 0,05-0,35 Медь 0,05-0,50 Алюминий 0,005-0,15 Кальций 0,001-0,05 Титан 0,005-0,025 РЗМ 0,001-0,05 Железо остальное.

Сталь имеет недостаточно высокие механические свойства (в частности, предел текучести и ударную вязкость) для работы в экстремальных условиях больших нагрузок и отрицательных температур.

Наиболее близкой к предлагаемой является сталь [3], содержащая, мас.%:

Углерод 0,12-0,26 Марганец 0,7-1,6 Кремний 0,2-0,7 Хром 0,1-0,7 Никель 0,1-0,7 Ванадий 0,004-0,02 Алюминий 0,01-0,2 Кальций 0,0005-0,01 Азот 0,005-0,03 Титан 0,004-0,1 Барий 0,001-0,01 Железо остальное.

Эта сталь имеет недостаточно высокие и стабильные механические свойства, особенно предел текучести, который может меняться от 250 до 350 МПа, и ударную вязкость при температурах климатического холода.

Задачей изобретения является создание в стали дисперсной структуры, состоящей из феррита, перлита и зернистого бейнита.

Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).

Это достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан и барий, дополнительно вводят медь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,16-0,28 Марганец 1,15-1,48 Кремний 0,23-0,51 Хром 0,01-0,1 Никель 0,16-0,45 Медь 0,23-0,57 Алюминий 0,02-0,04 Кальций 0,015-0,04 Барий 0,015 -0,04 Титан 0,008-0,02 Железо остальное.

При этом соотношение компонентов должно отвечать двум условиям:

1) П=2C[1+Si²+Cu²+7Mn²+10Cr²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52…6,66 мм,

где П - показатель прокаливаемости стали, мм, определяющий ее структуру и в указанном интервале его значений обеспечивающий оптимальное сочетание свойств после термической обработки, в том числе и после нормализации;

2) суммарное количество введенных раскислителей и модификаторов в пересчете на чистые компоненты должно составлять, мас.%:

П₂=Ca+Ba+Al+Ti=0,08…0,11.

При избытке этих компонентов ухудшается их усвоение сталью и становится возможным образование неметаллических включений неблагоприятной формы, приводящее к снижению ударной вязкости.

В качестве примесей допускается содержание в стали, мас.%: сера до 0,03, фосфор до 0,04.

Предлагаемую и известную стали выплавляли на базовой однотипной шихте на установке ИСТ-0.06 в тиглях емкостью 60 кг с кислой футеровкой по идентичной технологии для обеспечения одинаковых исходных концентраций примесей и газов. В качестве шихтовых материалов использовали отходы сталей Ст3 и 20ГЛ. Для легирования и регулирования химического состава стали использовали стандартные ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферротитан) и отходы меди, для ковшевого раскисления и модифицирования стали применяли алюминий, силикокальций, силикобарий и ферротитан. Металл в печи перегревали до 1700°С.

От каждой плавки отбирали трефовидные стандартные пробы, из которых изготавливали заготовки образцов для механических испытаний. Заготовки подвергали нормализации от 930°С. При механических испытаниях на растяжение определяли временное сопротивление разрыву σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение образцов ψ. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре МК-30, определяя KCU и KCV при температурах +20 и -60°С.

Химические составы сталей приведены в табл.1, результаты механических испытаний - в табл.2.

Ограничение содержания углерода в пределах 0,16-0,29% обеспечивает возможность получения в нормализованной стали хорошего сочетания прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости.

Изменения в химический состав стали внесены с целью обеспечения:

1) регулирования показателя прокаливаемости в оптимальных пределах (см. условие 1, в частности, за счет дополнительного легирования стали медью), не выходя при этом за указанные выше пределы содержания углерода,

2) более глубокого рафинирующего и модифицирующего эффекта со значительным измельчением структуры стали (см. условие 2, в частности, за счет увеличения количества вводимого кальция и бария в пределах 0,015-0,04% по каждому из них),

3) возможности формирования в структуре стали зон с ультрадисперсным зернистым бейнитом за счет более жесткого ограничения содержания марганца в пределах 1,15…1,48% и дополнительного легирования стали медью в количестве 0,23-0,57%.

В таблицах приведено сопоставление химических составов и механических свойств сопоставляемых сталей: заявляемых сталей по составам, ограниченным формулой изобретения (первые 4 состава); сталей с составами, выходящими за пределы формулы изобретения (составы 5 и 6); стали-прототипа (последний состав). Для всех составов в табл.1 приведены рассчитанные значения параметров оптимизации П₁ и П₂, а в табл.2 - примечания с характеристикой уровня достигаемых механических свойств.

Видно, что предлагаемый химический состав стали обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие и стабильные значения механических свойств, особенно прочностных свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах.

При выходе химического состава стали за предлагаемые пределы существенно ухудшаются все свойства стали (вариант 6) или сочетание свойств (по варианту 5 при высоких прочностных свойствах значительно понижен уровень пластичности и ударной вязкости).

Источники информации

1. Низколегированная литейная сталь / Дружевский М.А., Грузных И.В., Соболев А.Ю. и др. // Авторское свидетельство СССР №1770441, МКИ С22С 38/40.

2. Низколегированная сталь / Зикеев В.Н., Овчинников В.А., Иржов Г.Г. и др. // Патент РФ №2002851, МКИ С22С 38/50.

3. Сталь / Рязанов А.С., Кривошеев М.И., Савин А.М. и др. // Авторское свидетельство СССР №1463790, МКИ С22С 38/50, 38/58.

Таблица 1 №№ п/п Химический состав сталей, мас.% Параметры С Mn Si Cr Ni Cu Al Са Ва Ti П₁, мм П₂, % 1 0,16 1,39 0,51 0,10 0,45 0,44 0,03 0,02 0,04 0,01 5,52 0,10 2 0,19 1,48 0,32 0,01 0,16 0,57 0,02 0,015 0,03 0,015 6,60 0,08 3 0,24 1,15 0,38 0,10 0,41 0,23 0,02 0,04 0,015 0,015 5,84 0,09 4 0,28 1,18 0,23 0,08 0,28 0,30 0,04 0,02 0,03 0,02 6,66 0,11 5 0,15 1,66 0,82 0,18 0,55 0,71 0,01 0,05 0,05 0,03 7,72 0,14 6 0,31 0,98 0,20 0,005 0,12 0,22 0,05 0,005 0,01 0,005 5,01 0,07 Прототип 0,20 0,87 0,49 0,40 0,18 - 0,01 0,01 0,01 0,01 3,78 0,05

Таблица 2 №№ п/п Механические свойства Примечания σ_в σ_0,2 δ ψ KCU₊₂₀ KCU_-60 KCV₊₂₀ KCV_-60 МПа % Дж/см² 1 572 380 27 57 140 63 112 58 Высокий уровень всех механических свойств 2 596 392 28 60 138 62 103 54 3 580 386 28 60 136 65 110 56 4 600 395 27 58 140 61 100 54 5 606 400 24 51 120 45 74 31 Пониженный уровень пластичности и ударной вязкости 6 560 356 24 50 120 58 90 44 Пониженный уровень всех свойств Прототип 528 350 23 44 105 51 59 28

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным литым сталям, используемым для изготовления ответственных деталей машин, например деталей вагонов. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,16-0,28, марганец 1,15-1,48, кремний 0,23-0,51, хром 0,01-0,10, никель 0,16-0,45, медь 0,23-0,57, алюминий 0,02-0,04, кальций 0,015-0,04, барий 0,015-0,04, титан 0,008-0,02, железо остальное. Показатель прокаливаемости стали П, определяющий ее структуру, определяется из условия 2C[1+Si²+Cu²+7Mn²+10Cr²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr] и составляет 5,52…6,66 мм, а суммарное содержание раскислителей и модификаторов в пересчете на чистые компоненты составляет, мас.%: Са+Ва+Аl+Тi=0,08…0,11. Сталь имеет высокие и стабильные механические свойства с хорошим сочетанием прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости. 2 табл.

Низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан, барий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,16-0,28 марганец 1,15-1,48 кремний 0,23-0,51 хром 0,01-0,10 никель 0,16-0,45 медь 0,23-0,57 алюминий 0,02-0,04 кальций 0,015-0,04 барий 0,015-0,04 титан 0,008-0,02 железо остальное,