Литая износостойкая сталь Советский патент 1991 года по МПК C22C38/38 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к разработке составов литых метастабильных аустенитных износостойких сталей, используемых для изготовления отливок, работающих в условиях абразивно-ударно-абразивного износа, например литые детали горно-обогатительного оборудования (щеки, конуса, валки дробилок, облицовки и др.).

Известна сталь, которая с целью повышения износостойкости в слабокоррозионной среде, прочности, ударной вязкости, дополнительно содержит медь и бор при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Углерод0,9-1,3

Кремний0,4-0,9

Марганец8,0-12,0

Титан0,008-0,03

Кальций0,0005-0,005

Хром1,0-2,3

Медь0,21-05

Бор0,001-0,003

ЖелезоОстальное

Сталь имеет относительно низкую износостойкость, жидкотскучесть, трещи- ноустойчивость, так как отличается небольшим соотношением Cr/С и имеет недостаточное количество компактных эвтектических карбидов типа (Fe, .

Известная литая сталь с высокой ударной вязкостью, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод0,2-0,5

Кремний0,5-2.0

Марганец0,5-2,0

Хром1,0-6,0

Бор0,001-0,01

или титан0,01-0,1

ЖелезоОстальное

Эта сталь обладает низкими значениями твердости и трещиноустойчивости.

«.Ј XI

О

ю

Известна литая сталь, которая содерит никель, титан, кальций при.следующем оотношении компонентов, мае,%: Углерод0,8-1,18

Кремний0,3-0,85

Марганец 6,5-8,8

Молибден0,05-0,2

Титан0,01-0,1

Ванадий0,05-0,15

Кальций0,001-0,0110

Хром2,5-4,0

Никель0,2-1,0

Медь0,2-0,7

ЖелезоОстальное

Сталь обладает относительно низкой 15 рещмноустойчивостью, жидкотекучестыо и износостойкостью.

Наиболее близкой, к предлагаемой стаи по технической сущности и достигаемому результату является литая износостойкая 20 сталь, которая дополнительно содержит РЗМ при следущем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод, 0,5-1,0

Кремний0,3-0,8 -25

Марганец4,5-10,0

Титан0,05-0,15

Ванадий0,05-0,3

Хром1,0-5.0

Алюминий . 0,1-1,030

Азот0,05-0,1

РЗМ0,002-0,01

Железо©стальное

Сталь имеетотьосичельно низкие значения жидкотекучести и трещмноустойчивости, 35 так как содержит s своем составе РЗМ, ко- торь 8 загрязняют сталь неметаллическими включениями, трудно выводимыми из расплава: оксиды,сульфиды, оксисульфиды, ок- смсульфонитриды и др. Это повышает ло вязкость расплава, а дополнительное загрязнение включениями ведет к снижению трещиноустойчивости. Кроме того, при охлаждении уже твердой стали кристаллические оксисульфиды РЗМ 45 расстеклоаываются из-за уменьшения растворимости компонентов, приобретают остроугольную форму и служат концен- траторами напряжений в отливках. Алюминий также ухудшает эта свойства 50 стали из-за образования плен, рстроуголь- ных включений корунда, шпинелей,1, нитридов алюминия. Высокие содержания

алюминия и азота непременно приводят к

образованию пленочных нитридов алюми- 55 ния, располагающихся по границам кристаллитов, что резко ухудшает все свойства степей. Вдобавок к этому содержание азота более 0,05% увеличивает опасность поражения отливок азотистой пористостью.

Целью изобретения является повышение жидкотекучести,, трещиноустойчивости и износостойкости стали.

Поставленная цель достигается тем, что известная литая износостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром титан, железо, дополнительно содержит бор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0 5-0,75

Кремний0,10-0.50

Марганец7,50-9,50

Хром3,80-5,20

Титан0,02-0,15

Бор0,001-0,005

Кальций0,005-0,05

ЖелезоОстальное

Углерод является «дним из главных уп- рочнителей стали, способствует образованию ауетенитной структуры, повышению твердости, износостойкости и жидкотекучести. Содержание углерода менееО,55 мае. % не обеспечивает необходимых значений свойств, а более 0,75 мас.% приводит к появлению крупных карбидов разветвленной формы по границам аустенитных зерен, вызывающих резкое снижение пластичности и ударной вязкости.

Кремний является необходимой технологической добавкой при выплавке сплава, обеспечивает необходимую пластичность металла. Содержание кремния 0,1-0,5 мас.% способствует смягчению матрицы, увеличивает прокаливаемость стали. Содержание кремния менее 0,1 мас.% не обеспечивает нужного раскисления стали, вследствие чего металл становится хрупким.

Повышение содержания кремния более 0,5 мас.% приводит к снижению растворимости углерода в аустените, диффузии его к границам зерен и нежелательному выделению там карбидов. Это вредно сказывается на свойствах стали.

Легирование маргснцем (7,5-9,5 мае. %) позволяет получать метастабильную аусте- нитную структуру сплава с высокой прочностью и пластичностью, снижает вредное действие серы, увеличивают прокаливаемость. При содержании марганца менее 7,5 мас.% сталь переходит в мартенситно- аусгенитный класс, т.е. мартенсит в ней присутствует уже после охлаждения до комнатной температуры, Это нежелательно, так как снижается вязкость. Увеличение концентрации марганца более 9,5 мас.% приводит к повышению стабильности аустенмта, уменьшению количества мартенсита деформации прм деформационном мартенситном превращении и снижению износостойкости.

Получение технологичной метастабиль- ной аустенитной стали на основе системы Fe - Мп - С без -дополнительного легирования - задача сложная, так как в процессе выплавки неизбежны колебания углерода и марганца. А это приведет к резкому изменению стабильности аустенита и положению точки начала мартенситного превращения (Мн). Известно, что уменьшение содержания марганца на 1% в стали с 1% углерода повышает температуру Мн на 50 С, а уменьшение концентрации углерода на 0,1 % - на 32° С. Для устранения этого явления износостойкие метастабильные аустенитные стали необходимо легировать хромом. Хром также снижает точку Мн, но влияние его примерно вдвое слабее, чем марганца.

Для предлагаемой стали содержание хрома должно находиться в пределах 3,8- 5,2 мас.%. Это обеспечивает-получение необходимой мета стабильной аустенитной структуры, а образование в стали карбидов хрома дополнительно увеличивает ее износостойкость. Изменение концентрации хрома в ту или иную сторону затрудняет достижение цели. В первом случае ( 3,8 мас.% Сг) доля карбидов невелика и прирост износостойкости незначителен. Во втором (5,2 мас.% Сг) случае снижается способность к деформационному упрочнению рабочей поверхности вследствие повышения стабильности аустенита, что также снижает износостойкость. Кроме того, вследствие обильного пленообразования снижаются жидкотеку- честь и трещиноустойчивость.

Немаловажно и отношение Сг/С 6-8, обеспечивающее стали хорошую износостойкость вследствие наличия в матрице термообработанного сплава компактных карбидов типа (Fe, Сг)Сз и мелкодисперсных вторичных карбидов такого же типа, выделившихся в результате певращения аустенита при охлаждении с температуры нормализации 1050-1100° С.

Совместное присутствие титана, бора и кальция позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали. Титан микролегирует и модифицирует сталь. Нитриды титана образуется в жидкой стали, имеют небольшие размеры (2-6 мкм) и являются активными дополнительными центрами кристаллизации. Кроме того, титан способствует очищению стали от неметаллических включений за счет флюсующего действия на них, а его совместное присутствие с бором ведет к равномерному распределению карбидов, устранению карбидной сетки. Все это улучшает свойства стали и отливок из нее. Содержание титана менее 0,02 мас.% не по- взоляет эффективно воздействовать на структуру стали, а более 0,15 мас.% приводит к образованию крупных нитридов 5 и карбонитридов и склонности стали к вторичному окислению, что ухудшает жидкотекучесть, трещиноустойчивость, износостойкость,

Бор - один из сильнейших карбидооб0 разующих и модификаторов-ингибиторов стали, способствует измельчению кристаллической структура и увеличению прокали- ааемости стали Содержание бора менее 0,001 лас.% не дает кодифицирующего эф5 фектэ, а более 0,ГЮ5 мас.% приводит к выделению по границам криста ллитов легкоплавкой боридной эвтектики, снижающей свойства стали, в том числе трещиноустойчивость и износостойкость.

0 Кальций является активным раскисли- телем, модификатором и глобул я ризетором включений, способствует равномерному распределению включений по объему отливок и пол чению однородной структуры. Со5 держание кальция менее 0,005 мас.% неэффективно, так как слабо влияет на дендритную структуру стали и морфологию неметаллических включений, а более 0,05 мас.% приводит к выделению круп0 ных оксидов и оксисульфидов облачного типа, трудноудалимых из расплава и вредно влияющих на жидкотекучесгь трещиноустойчивость, износостойкость,

П р и м е р. В индукционной тигельной

5 печи емкостью 60 кг с осноаной футеровкой выплавляют опытные составы предлагаемой стали и известной стали (табл. 1) по общепринятой технологии. Титан, бор и кальций вводят в сталь в виде ферротитана

0 ФТи 35а, ферроборэ ФБ-1, силикокальция СК 45 во время выпуска металла в ковш. Из опытных составов отливают следующие пробы для исследования структуры v. свойств:

5 Спиральные на жидкотекучесть; на трещиноустойчивость пои затрудненной усадке; трефовидные.

Трефовидные пробы подвергают термической обработке по режиму: нормализация

0 при 1100° С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе.

Для исследования трещиноустойчиво- сти заливают специальные образцы размером 30x30x305 мм с прибылью посередине,

5 которые в процессе охлаждения и затвердевания претерпевают затрудненную усадку при постоянной и переменной нагрузках, Момент образования горячих тоещин фиксируется стрелкой индикатора, затем контролируется визуально по излому образца.

Для определения минимальной нагрузки, вызывающей образование горячей трещины, сначала на одном образце создают нагрузку явно недостаточную для образования трещины. На втором образце создают нагрузку, вызывающую трещину. При последующих опытах разницу между двумя этими нагрузками последовательно уменьшают до такой критической величины, выше которой трещина образуется, а ниже не об- разуется. Такая минимальная нагрузка показывает уровень трещиноустойчивости стали, Чувствительность прибора 10 Н.

Износостойкость определяют согласно ГОСТу на установке, на которой при одина- ковых условиях (одинаковой скорости вращения вала, постоянной нагрузке) производят трение образцов из исследуемых и эталонного образцов об образивный материал. В качестве эталона использована сталь 45, в качестве образива-электроко- рунд зернистостью № 16-П по ГОСТу. Износостойкость исследуемых образцов оценивают путем сравнения его износа с износом эталонного образца. Износ опре- деля ют путем взвешивания до и после испытаний с погрешностью не боле.е 0,1 мп, находят среднее арифметическое значение потери массы эталонного (дЧ) и исследуемых (ди) образцов. Относительную износостой- кость (Ки) вычисляют по формуле

К - Ээ РИ NM

и ди рэ N3

где рз и/9и- плотности эталонного и исследуемого материалов, г/см3;

Ыэ и Ми - количество оборотов ролика при испытаниях эталонного и исследуемого материалов.

В табл. 2 приведены свойства предлагаемой износостойкой стали и известной стали.

Структура предлагаемой стали в литом состоянии представляет собой метаста- бильный аустенит со сфероидизированными карбидами типа (Fe, Сг)Сз, располагающимися равномерно по телу зерна аустенита,

Как видно из табл. 2, предлагаемая износостойкая сталь существенно превосходит известную по трещиноустойчивости, износостойкости и жидкотекучести.

Формула изобретения

Литая износостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения жидкотекучести, трещиноустойчивости и износостойкости, она дополнительно содержит бор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Титан

Бор

Кальций

Железо

0,55-0,75 0,10-0,50 7,50-9,50 3,80-5,20 0,02-0,15 0,001-0,005 0,005-0,05 Остальное

Изобретение относится к металлургии, в частности к литой метастабильной аусте- нитной износостойкой стали, используемой для деталей горно-обогатительного оборудования. Целью изобретения является повышение жидкотекучести, трещино- устойчивости и износостойкости. Это достигается дополнительным введением в сталь бора и кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,55-0,75; кремний 0,10-0,50; марганец 7,50-9,50; хром 3,80-5,20; титан 0,02-0,15; бор 0,001-0,005; кальций 0,005-0,05; железо - остальное. 2 табл.

Таблица 2