Способ термической обработки отливки из литейной износостойкой стали Российский патент 2023 года по МПК C21D1/78 C22C38/58 C22C38/50 C22C38/44 C22C38/42 

Настоящее изобретение относится к области металлургии, а именно к литейной износостойкой стали с высокими механическими свойствами, полученным из нее отливкам и способу их термической обработки, которые далее могут использоваться в качестве деталей горно-обогатительного и землеройного оборудования, работающих при повышенных ударных нагрузках и подвергающихся ударно-абразивному износу, например, зубья, коронки зубьев, межзубные защиты и стенки ковшей экскаваторов, брони шаровых мельниц и дробилок, ножи бульдозеров.

Известен способ получения отливок из износостойкой стали, включающий выплавку стали, получение отливки, очистку, обрубку и двойную нормализацию, отличающийся тем, что выплавку стали производят из стали при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,20-0,40

Марганец 0,90-1,50

Кремний 0,17-0,40

Хром 1,20-1,80

Никель 0,30-0,60

Медь 0,20-0,40

Ванадий 0,15-0,30

Бор 0,001-0,01

Алюминий 0,02-0,06

Железо Остальное

нагрев под первую нормализацию ведут до 920-930°C, выдерживают 3 - 3,5 ч, охлаждают на воздухе до 200°C, а нагрев под повторную нормализацию проводят до 870-880°C, выдерживают 2,5-3 ч и охлаждают на воздухе (RU 2 105 821, МПК C21D 1/28, C21D 1/78, опубл. 27.02.1998).

Недостатком аналога является недостаточная прочность готового изделия и термообработка не предусматривающая изготовления отливок с различной величиной площади поперечного сечения, что вызвано заданными значениями по выдержке, но при них не обеспечится протекание режимов термообработки в центральных частях больших отливок.

Известен способ термической обработки отливок из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса 09X16H4БЛ, включающий последовательно проводимые нормализацию при 1040-1060°C, отпуск при 600-620°C с охлаждением на воздухе, закалку с 950-1050°C с охлаждением в масле, отпуск при 290-310°C с охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что перед нормализацией предварительно осуществляют низкотемпературную нормализацию при 900-920°C и маятниковый отжиг, состоящий из трех-пяти циклов, включающих ускоренный нагрев до температуры 600-620°C, выдержку 2-3 мин и последующее охлаждение на воздухе до температуры 150-200°C (RU 2 526 107, МПК C21D 6/00, C21D 1/78, опубл. 20.08.2014).

Недостатком аналога является достаточно сложный и дорогостоящий процесс, включающий в себя большое количество циклов нагрева и охлаждения на воздухе, в связи с чем требуется большое количество времени и ресурсов на проведение термообработки. При условии проведения термообработки над отливкой с большой толщиной и высотой за 2-3 мин не обеспечится воздействие выбранных терморежимов на ее сердцевину.

Наиболее близким аналогом является способ термической обработки отливки из высокопрочной износостойкой стали, включающий закалку и отпуск, отличающийся тем, что перед закалкой отливку из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,38-0,45, кремний 0,20-0,45, марганец 0,80-1,20, хром 2,20-3,00, никель 2,15-3,50, молибден 0,25-0,50, ванадий 0,08-0,10, медь ≤0,30, кальций 0,005-0,01, церий 0,005-0,01, алюминий 0,008-0,05, ниобий 0,008-0,10, цирконий 0,008-0,10, титан 0,03-0,08, барий 0,005-0,01, бор 0,001-0,003, азот 0,008-0,025, железо - остальное, причем отношение суммарного содержания ванадия, ниобия, титана и циркония к содержанию углерода составляет 0,52-0,84, а содержание алюминия к содержанию азота составляет 1-2, подвергают нормализации при температуре 950-970°С в течение 4 часов, охлаждению на воздухе до температуры 20°С, осуществляют последующий нагрев до температуры 650-670°С с выдержкой в течение 6 часов и охлаждение на воздухе, закалку ведут в воду после нагрева до температуры 890-920°С и выдержки в течение 2,5-3,0 мин на 1 мм сечения отливки, после чего проводят 3-кратную аустенитизацию при температуре Ac1 + 5-10°С с выдержкой при каждом цикле в течение 5 минут и охлаждением в воду, а последующий отпуск ведут при температуре 200-220°С в течение 5-6 часов с охлаждением на воздухе (RU 2 750 299, МПК C22C 38/54, C21D 1/78, опубл. 25.06.2021).

Недостатком наиболее близкого аналога является большое количество легирующих компонентов, приводящих к удорожанию стали, так же как и наличие в процессе термообработки 3-кратной аустенизации с охлаждение в воде приводит к усложнению и удорожанию процесса изготовления стали, при этом выдержка по 5 минут в каждом из трехкратном циклов не обеспечивает воздействие режимов термообработки на центральную часть отливки. При этом несмотря на наличие большого количества легирующих компонентов и сложного процесса термообработки готовое изделие не обладает высокими механическими прочностными характеристиками для эксплуатации в условиях с повышенным износом.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является устранение недостатков аналогов.

Задачей заявляемого изобретение является создание отливки из литейной стали и способа ее термической обработки, обеспечивающих высокие механические характеристики изделий, подверженных эксплуатации в условиях с повышенным износом, при этом без удорожания самой стали.

Технический результат заключается в получении литейной износостойкой стали, отливки из неё и способа ее термической обработки, обеспечивающих высокие механические свойства, позволяющие эксплуатировать изготовленное изделие в условиях высокого износа.

Указанный технический результат достигается тем, что способ термической обработки отливки из литейной износостойкой стали, включающий нормализацию с последующим отпуском и закалку с последующим отпуском, отличающийся тем, что отливку из литейной износостойкой стали, содержащей компоненты, в мас.%: С: 0,17-0,5, Si: 1,5-2,5, Mn: 1,0-2,0, Cr: 0,3-1,0, Ni: 0,2-1,0, Cu: не более 0,5 (не включая 0), Мо: 0,2-0,6, Ti: не более 0,2 (не включая 0), при необходимости по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: ванадий не более 0,02, ниобий не более 0,02, азот не более 0,02, алюминий не более 0,1, кальций не более 0,01, бор не более 0,01 и вольфрам не более 0,03, остальное - железо и неизбежные примеси, подвергают нормализации при температуре 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-4,5 мин на 1 мм сечения, последующий отпуск ведут при температуре 650-750 °С в течение 2,5-5,5 мин на 1 мм сечения, при этом время выдержки при отпуске, следующим за нормализацией, превышает время выдержки при нормализации, нагрев под закалку осуществляют до температуры 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-3,5 мин на 1 мм сечения, затем охлаждают до температуры ниже 150 °С и проводят отпуск.

В частности, термической обработке подвергают отливку из литейной износостойкой стали, содержащей в качестве неизбежных примесей не более 0,015 мас.% фосфора и не более 0,02 мас.% серы.

В частности, до нормализации и перед закалкой отливку нагревают до температуры не более 650°С и выдерживают до полного прогревания отливки.

В частности, после отпуска, следующего за нормализацией, осуществляют охлаждение на воздухе до температуры менее 300°С.

В частности, отпуск, следующий за нормализацией осуществляют c охлаждением на воздухе до температуры окружающей среды менее 50 °С.

В частности, после отпуска, следующего за нормализацией, осуществляют отрезку прибыли с отливки при температуре 200-400°С.

В частности, скорость нагрева до температуры нормализации, закалки и отпуска не превышает 100°С/ч.

В частности, закалочной средой является вода.

В частности, закалочной средой является масло.

В частности, закалочной средой является ПЗЖ.

В частности, отношение времени выдержки при отпуске, следующим за нормализацией, к времени выдержки при нормализации составляет не менее 1,05.

В частности, отличающийся тем, что в качестве отпуска, следующего за закалкой, проводят низкий, средний или высокий отпуск.

Для упрочнения стали применяется легирование компонентами, повышающими твердость и прочность феррита и измельчающими его зерно, - марганцем, кремнием, хромом, вместе с ее микролегированием компонентами, создающими упрочнение феррита путем образования дисперсных выделений дополнительных фаз - углеродом, серой. Нижние пределы Mn, Si, Cr определяют прочность стали, выполнение их ниже заявленных не позволит изготовить литейную сталь для изготовления износостойких изделий, верхние пределы этих компонентов определяют однородность структуры готового изделия, отлитого изделия из этой стали, выполнение их выше заявленных приводит к ухудшению показателей однородности и снижению прочностных характеристик.

Содержание углерода выбрано исходя из микроструктуры состава, содержание его в составе менее 0,17% не обеспечит необходимую прочность стали, а более 0,5% может привести к снижению пластичности и последующем ухудшении качества поверхности отливки и эксплуатационных свойств изделия. При этом отношение суммарного содержания марганца и кремния к углероду находится в диапазоне 8-14, что обусловлено размером зерна стали. Если отношение будет менее 8 это приведет к росту зерна и снижению показателей разразрыва на сжатие и ударной вязкости, если больше 14, литое изделие будет обладать повышенной хрупкостью, что может привести к появлению трещин и разрушению изделия под нагрузками.

Нижние пределы никеля и молибдена обусловлены необходимостью защиты от окисления. Содержание никеля и/или молибдена менее 0,2% приведет к окислению изделия и уменьшению срока его использования, особенно в условиях эксплуатации, связанных с земляными работами. Содержание никеля более 1,0% и/или молибдена более 0,6% приведет к удорожанию литейной стали. Дополнительно к никелю и молибдену сталь содержит не более 0,5% меди и не более 0,02% титана для снижения окисления изделия. Никель, молибден и титан относятся к легирующим компонентам, которыми обусловлены прочностные характеристики стали и способность эксплуатировать изделие из неё в условиях повышенного износа, что не будет обеспечиваться при значениях никеля, молибдена и титана ниже заявленных диапазонов, а применение значений выше указанных диапазонов приведет к удорожанию стали.

Сталь может содержать ванадий в количестве не более 0,02 мас. % для повышения прочности, ниобий не более 0,02 мас. % и/или бор не более 0,01 мас.% для измельчения величины зерна, повышения механических свойств и обеспечения стабильности свойств по ударной вязкости.

Присутствие в стали азота не более 0,02 мас. %. и/или алюминий не более 0,1 мас. % и/или вольфрама не более 0,03 мас. % позволяет упрочнить сталь и повысить её износостойкость, но не более, иначе это приведет к понижению пластичности и ухудшения качества стали. При этом присутствие алюминия в указанных пределах и/или кальция не более 0,01 мас. % будет служить для предотвращения образования комплексных многофазных включений. Общее содержание примесей фосфора и серы не должно превышать 0,015% и 0,02% соответственно.

В результате получают изделие (отливки) из износостойкой стали с микроструктурой, состоящей из отпущенного мартенсита и включений карбидов. Карбиды имеют преимущественно игольчатую, либо вытянутую форму, что обеспечивает их высокую прочность, твердость и износостойкость при умеренных значениях пластических свойств.

Заявленный состав литейной стали выбран исходя из результатов исследований по опытам влияния различного химического состава и различных способов термообработки на микроструктуру сталей и их свойства с целью выбора оптимальных из значений.

Способ термической обработки отливки из литейной износостойкой стали включает нормализацию с последующим отпуском, закалку с последующим отпуском. Нормализацию проводят при температуре 900-1000 °С с выдержкой в течении 1,5-4,5 мин на 1 мм сечения, последующий отпуск ведут при температуре 650-750 °С в течении 2,5-5,5 мин на 1 мм сечения, при этом время выдержки при отпуске, следующим за нормализацией, превышает время выдержки при нормализации. Нагрев под закалку осуществляют до температуры 900-1000 °С с выдержкой в течении 1,5-3,5 мин на 1 мм сечения, после этого охлаждают до температуры ниже 150 °С, далее проводят отпуск.

Нормализацию проводят при температуре 900-1000 °С с выдержкой в течении 1,5-4,5 мин на 1 мм сечения. При температуре менее 900°С в структуре отливки не произойдут фазовые превращения, что снизит механические свойства, а более 1000 °С вызовет рост зерна в структуре металла, что понизит прочность и ударную вязкость. Время выдержки установлено опытным путем, при выборе времени менее 1,5 мин на 1 мм сечения может привести к не прогреву центральной части отливки в месте её большего сечения, а более 4,5 мин на 1 мм сечения приведет к неравномерному прогреву отливки, что приведет к большим внутренним напряжениям и последующему появлению трещин.

Отпуск после нормализации проводят при температуре 650-750 °С в течении 2,5-5,5 мин на 1 мм сечения. Это связано с тем, что при температуре менее 650°С отливка может сохранять высокие напряжения, возможно появление трещин, а при температуре более 750 °С снимутся больше внутренние напряжения, но снизится прочность отливки. При этом время выдержки при отпуске, следующим за нормализацией, превышает время выдержки при нормализации, что обусловлено снижением температуры термической обработки. Отношение времени выдержки при отпуске, следующим за нормализацией, к времени выдержки при нормализации составляет не менее 1,05, так как при значении этого отношения более 1,05 максимально снижаются внутренние напряжения и повышаются пластические свойства.

Охлаждение на воздухе после отпуска следующим за нормализацией осуществляют до температуры менее 300°С, если необходимо продолжить производственный цикл или до температуры окружающей среды менее 50 °С, если дальнейшая обработка будет производиться позже. После отпуска и перед закалкой производят отрезку прибылей, которую рекомендовано производить при температуре 200-400°С. Это связано с тем, что прибыли содержат шлаки (неметаллические включения), когда производят срезание прибылей с отливки, место среза подкаливается и повышается твердость, поэтому необходим подогрев.

Нагрев под закалку осуществляют до температуры 900-1000 °С с выдержкой в течении 1,5-3,5 мин на 1 мм сечения. При температуре менее 900 °С внутри отливки не произойдут фазовые превращения, а при температуре более 1000 °С начнет расти зерно и снижаются механические свойства такие как, прочность и ударная вязкость. При времени менее 1,5 мин на 1 мм сечения не произойдут все фазовые превращения в отливке, что приведет к низким свойства по прочности и твердости, если время будет более 3,5 мин на 1 мм сечения, то произойдет перегрев и, как следствие, понизятся пластические свойства и ударная вязкость.

Закалку проводят в закалочной среде, например, в воде, масле, полимерной закалочной жидкости, а после этого охлаждают до температуры ниже 150 °С, с максимальной скоростью охлаждения для получения мелкозернистого мартенсита с включениями карбидов, с целью получения высокой прочности и износостойкости изделия. Далее проводят отпуск, который может быть низкотемпературный, среднетемпературный или высокотемпературный. В зависимости от требований к готовому изделию после термообработки, при высоком отпуске будут преобладать пониженные прочностные свойства и высокие пластические, при низком отпуске, наоборот – высокие прочностные свойства и умеренные пластические показатели, при среднем отпуске – невысокие прочностные свойства при умеренных пластических показателях.

Для достоверности прогрева отливки и предотвращения термоудара перед нормализацией и перед закалкой отливка может предварительно выдерживаться при температуры до 650 °С до полного прогрева отливки, время будет зависеть от её размера, температура обусловлена порогом начала фазовых превращений в отливке. Скорость нагрева до температуры нормализации, закалки и отпуска не превышает 100°С/ч, так как скорость выше приведет к появлению внутренних напряжений и возможному появлению трещин.

Таким образом, в результате комплексного легирования при строгом соотношении легирующих элементов в пределах предложенного состава достигаются необходимые характеристики износостойкости литейной стали, отраженные в изделии при его отливке, а способом термической обработки более повышены механические свойства изделия и достигнуто оптимальное соотношение прочностных и пластических свойств, а также свойств коррозионной стойкости, обеспечивающих износостойкость изделия в условиях эксплуатации, связанных с контактом, как с мокрыми породами, способными вызывать коррозию, так и с сухими фракциями, способными быстро изнашивать элементы, при этом указанный состав и способ позволяет выполнить поставленную задачу без удорожания самой стали и готового изделия.

В опытных лабораторных условиях проведено опробование предлагаемого состава стали и способа термической обработки, после положительных результатов изделия были запущены в производство.

Обоснование пределов предлагаемого состава литейной стали и способа его термической обработки базируется на результатах опытов, результаты которых приведены в табл. 1 и 2.

Компоненты стали смешивали, после выплавляли, при соотношении компонентов, мас.%, приведенных в табл. 1, далее расплав разливали по формам для готовых изделий, после чего проводили термическую обработку полученных отливок с режимами, приведенными в табл. 2, свойства изделий, полученные после обработки приведены в таблице 3.

Таблица 1

№ плавки С: 0,17 - 0,5 Si: 1,5 - 2,5 Mn: 1,0 - 2,0 Cr: 0,3-1,0 Ni: 0,2 - 1,0 Cu: не более 0,5 Мо: 0,2-0,6 Ti: не более 0,2 железо и неизбежные примеси остальное отношение суммарного содержания марганца и кремния к углероду 1 0,35 2,3 1,7 0,85 0,7 0,1 0,3 0,1 остальное 11,4

Таблица 2

№ плавки Температура нормализации 900-1000 °С Выдержка при нормализации (1,5-4,5 мин на 1 мм сечения ) Температура отпуска 650-750 °С Выдержка при отпуске (2,5-5,5 мин на 1 мм сечения) Температура закалки 900-1000 °С Выдержка при закалке (1,5-3,5 мин на 1 мм сечения) Среда охлаждения Температура отпуска 1 (1) 950 2,0 710 4,0 970 2,3 Вода 200 1 (2) 930 3,5 720 4,5 980 2,0 Масло 200

Образец 1 (1) перед закалкой предварительно нагревали и выдерживали при температуре 600°С в течении 2,5 часов, после закалки охлаждали в воде, а образец 1 (2) охлаждали в масле. Скорость нагрева под нормализацию составляла не более 60°С/ч, под закалку не более 80°С/ч, а под отпуск не более 100°С/ч.

Таблица 3

№ плавки Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Ударная вязкость, Дж/см2 Твердость, HB 1 (1) 1480 1802 8 15 30/32 546-600 1 (2) 1305 1610 14 15 48/50 487-536

Примеры приведены только с низкотемпературным отпуском, но после закалки также нет препятствия для проведения среднетемпературного и высокотемпературного отпуска, при условии, что в готовом изделии необходимо достичь сниженных значений прочности и более высоких показателей пластических свойств.

Как видно из таблицы 3, заявленная литейная сталь и способ термической обработки позволяют создать изделия, обеспечивающие высокие механические свойства для эксплуатации в абразивных условиях, относительно аналогов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки отливки из литейной износостойкой стали с высокими механическими свойствами, которая далее может использоваться в качестве деталей горно-обогатительного и землеройного оборудования, работающих при повышенных ударных нагрузках и подвергающихся ударно-абразивному износу, например, зубья, коронки зубьев, межзубные защиты и стенки ковшей экскаваторов, брони шаровых мельниц и дробилок, ножи бульдозеров. Способ термической обработки включает нормализацию с последующим отпуском и закалку с последующим отпуском. Отливка выполнена из литейной износостойкой стали, содержащей компоненты, мас.%: С: 0,17-0,5, Si: 1,5-2,5, Mn: 1,0-2,0, Cr: 0,3-1,0, Ni: 0,2-1,0, Cu: не более 0,5 (не включая 0), Мо: 0,2-0,6, Ti: не более 0,2 (не включая 0), при необходимости по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: ванадий не более 0,02, ниобий не более 0,02, азот не более 0,02, алюминий не более 0,1, кальций не более 0,01, бор не более 0,01 и вольфрам не более 0,03, остальное - железо и неизбежные примеси. Нормализацию проводят при температуре 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-4,5 мин на 1 мм сечения, а последующий отпуск ведут при температуре 650-750 °С в течение 2,5-5,5 мин на 1 мм сечения. Время выдержки при отпуске, следующем за нормализацией, превышает время выдержки при нормализации. Нагрев под закалку осуществляют до температуры 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-3,5 мин на 1 мм сечения, затем охлаждают до температуры ниже 150 °С и проводят отпуск. Обеспечиваются высокие механические свойства, позволяющие эксплуатировать изделие, изготовленное из стали и подвергнутое термической обработке в условиях высокого износа. 7 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ термической обработки отливки из литейной износостойкой стали, включающий нормализацию с последующим отпуском и закалку с последующим отпуском, отличающийся тем, что отливку из литейной износостойкой стали, содержащей компоненты, мас.%: С: 0,17-0,5, Si: 1,5-2,5, Mn: 1,0-2,0, Cr: 0,3-1,0, Ni: 0,2-1,0, Cu: не более 0,5 (не включая 0), Мо: 0,2-0,6, Ti: не более 0,2 (не включая 0), при необходимости по меньшей мере один компонент, выбранный из группы: ванадий не более 0,02, ниобий не более 0,02, азот не более 0,02, алюминий не более 0,1, кальций не более 0,01, бор не более 0,01 и вольфрам не более 0,03, остальное - железо и неизбежные примеси, подвергают нормализации при температуре 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-4,5 мин на 1 мм сечения, последующий отпуск ведут при температуре 650-750 °С в течение 2,5-5,5 мин на 1 мм сечения, при этом время выдержки при отпуске, следующем за нормализацией, превышает время выдержки при нормализации, нагрев под закалку осуществляют до температуры 900-1000 °С с выдержкой в течение 1,5-3,5 мин на 1 мм сечения, затем охлаждают до температуры ниже 150 °С и проводят отпуск.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливку из литейной износостойкой стали, содержащей в качестве неизбежных примесей не более 0,015 мас.% фосфора и не более 0,02 мас.% серы.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что до нормализации и перед закалкой отливку нагревают до температуры не более 650 °С и выдерживают до полного прогревания отливки.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после отпуска, следующего за нормализацией, осуществляют охлаждение на воздухе до температуры менее 300 °С.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после отпуска, следующего за нормализацией, осуществляют отрезку прибыли с отливки при температуре 200-400 °С.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что скорость нагрева до температуры нормализации, закалки и отпуска не превышает 100 °С/ч.

7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отношение времени выдержки при отпуске, следующем за нормализацией, к времени выдержки при нормализации составляет не менее 1,05.

8. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве отпуска, следующего за закалкой, проводят низкий, средний или высокий отпуск.