Сталь Советский патент 1992 года по МПК C22C38/38 

со

с

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к износостойкой литой стали, используемой для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного износа со средними ударными нагрузками (например, литые детали горно-обогатительного оборудования). Цель изобретения - повышение износостойкости и твердости стали. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мае. %: углерод 0,82-1,1; кремний 0,2-0,5; марганец 6,5-10,0; хром 2,0-4,5; ванадий 0,03-0,1, титан 0,02-0.18; кальций 0,006-0,05; азот 0,01-0,04; железо -остальное. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к разработке составов износостойких литых сталей, используемых для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного износа со средними ударными нагрузками, например литые детали горно-обогатительного оборудования.

Известна сталь (авт. св. СССР N 1305194, кл. С 22 С 38/58), которая с целью повышения износостойкости дополнительно содержит никель, титан, кальций при следующем соотношении компонентов, мае. %; Углерод0,8-1,18

Кремний0,3-0,8

Марганец6,5-8,8

Молибден0,05-0,2

Титан0,01-0,1

Ванадий0,05-0,15

Кальций0,001-0,01

Хром2,5-4,0

НикельD.2-1.0

Медь0,2-0,7

ЖелезоОстальное

Данная сталь обладает недостаточной абразивной износостойкостью.

Известна сталь (авт. св. СССР № 1337437, кл. С 22 С38/38), которая содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод0,5-1,0

Кремний0,3-0,8

Марганец4,5-10,0

Титан0,05-0.15

Ванадий0,05-0,3

Хром1,0-5,0

Алюминий0,1-1.0

Азот0,05-0,1

РЗМ0,002-0,01

ЖелезоОстальное

Сталь не обладает достаточной износостойкостью, трещиноустойчивостью и жид- котекучестью, т. к, содержит в своем составе алюминий и РЗМ. Первый образует остро

Гч

сл

угольные включения корунда и шпинелей, второй загрязняет сплав неметаллическими включениями с высокой плотностью, почти не удаляющимися из расплава.

Наиболее близким к предлагаемой ста- ли по технической сущности и достигаемому результату является сталь (1), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод0,7-1,5

Кремний0.3-1,0

Марганец5-15

Хром0,3-2,0

Титан0,03-0,15

Ванадий0,01-0,15

Алюминий0,005-0,05

Азот0,005-0,02

Кальций.0,005-0,02

ЖелезоОстальное

Сталь обладает недостаточно высокой .износостойкостью. Содержит в своем составе алюминий, образующий в расплаве высо- когяиноземистые включения остроугольной формы, которые делают сталь более чувствительной к образованию трещин. Кроме того, высокомарганцевые аустенитные стали склонны к повышенному насыщению азотом в ходе выплавки и при столь высоком содержании алюминия неизбежно образование его нитридов. Нитриды алюминия вы- деляются по границам зерен в виде как отдельных включений, так и плен, что будет характерным для этой стали. Это существенно снижает свойства стали и ее износо- етойкость. Кроме этого, высокое содержание марганца и недостаточное хрома также снижает, износостойкость и твердость из-за формирования в структуре стабилизированного аустенита. В этой стали при ударных «агрузках метастабильный аустенит не образуется.

Целью изобретения является повышение износостойкости и твердости стали.

Поставленная цель достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, ванадий, .кальций, азот, железо, содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод 0,82-1,1

Кремний0.2-0.5

Марганец6,5-10,0

Хром2,0-4,5

Ванадий0.03-0,1

Титан0.02-0,18

. Кальций0,006-0,05

Азот0.01-0,04

ЖелезоОстальное

Углерод является одним из главных уп- рочнителей стали, резко повышающим износостойкость за счет влияния на

количество остаточного аустенита и образования карбидов легирующих элементов и легирования твердого раствора. Содержание углерода менее 0,82% не обеспечивает необходимых износостойких свойств, а более 1,1% приводит к повышенному содержанию карбидной фазы, что также снижает свойства. Кремний - необходимая технологическая добавка, при выплавке стали обеспечивающая необходимые пластические свойства металла. Кроме того, кремний способствует более полному усвоению хрома, ванадия и титана, увеличению прокаливае- мости, способствует смягчению матрицы.

Содержание кремния менее 0,2% не обеспечивает нужного раскисления стали, вследствие чего металл становится хрупким. Увеличение содержания кремния более 0,5% снижает прокаливаемость и износостойкость. Марганец (6,5-10,0%) способствует увеличению прокаливаемо- сти, позволяет получать аустенитную структуру необходимой стабильности, способствует снижению вредного влияния серы. Снижение содержания марганца ниже 6,5% приводит к образованию мартен- ситной структуры, что снижает прочность и износостойкость при ударе. Увеличение содержания марганца выше 10,0% приводит к уменьшению прочности и абразивной износостойкости вследствие формирования в структуре стабилизированного аустенита.

Легирование хромом (2,0-4,5%) способствует стабилизации аустенита, используется для обеспечения механических свойств требуемой прокаливаемое™ и высокой износостойкости благодаря образованию специальных карбидов типа СгуСз. Содержание хрома менее 2% не обеспечивает необходимых свойств, а более 4,5% приводит к чрезмерному увеличению количества карбидной фазы с карбидами типа Сг2зСе, что снижает износостойкость. Кроме того, ухудшается закаливаемость стали и хром может служить концентратором напряжений и обуславливать возникновение усталостных трещин. Введение в состав ванадия (0,03-0,1), титана (0,02-0,18) и азота (0,01-0,04) позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали за счет протекания процессов нитридо- и карбонит- ридообразования. Эти элементы также способствуют измельчению литой структуры.

Ванадий уменьшает ликвацию марганца, увеличивает прокаливаемость, устраняет хрупкость. Содержание ванадия менее 0,03% не оказывает существенного влияния на свойства стали. При содержании ванадия более 0,1% он может служить концентратором напряжений и обуславливать возникновение усталостных трещин. Титан с азотом образует мелкие твердые и тугоплавкие включения нитридов титана, которые способствуют измельчению образующихся в процессе кристаллизации сульфидов и ок- 5 сидов и играют роль центров кристаллиза ции, способствующих измельчению структуры. При концентрациях титана мень- шеО,02 ибольшеО,18% неудается получить стабильности требуемых свойств, т. к. впер- 10 вом случае весь титан расходуется на раскисление и не принимает участия в модифицировании, а во втором происходит загрязнение сплава крупными карбонитри- дами и сульфидами титана. При содержании 15 азота менее 0,01 % стабильности свойств не наблюдается, а при увеличении содержания азота более 0,04 % металл охрупчивается и вероятно появление азотистой пористости. Кальций (0,006-0,05%) является актив- 20 ным раскислителем, модификатором и глобуляризатором включений, очищает границы зерен, измельчает структуру, способствует сфероидизации графита, равномерному распределению карбидов и 25 измельчению их, снижает количество остроугольных сульфидов и оксидов и придает им округлую форму, что увеличивает трещино- устойчивость и износостойкость стали.

Содержание кальция менее 0,006% ела- 30 бо влияет на структуру стали, при концентрации более 0,05% образуются крупные оксиды и оксисульфиды, загрязняющие сплав. Кроме этого, совместное применение кальция и азота позволяет повысить 35 эффективность действия каждого элемента, способствует реализации двойного механизма измельчения грубой литой структуры. ..Кальций, являясь поверхностно-активным элементом, затрудняет рост кристаллитов, а 40 азот, участвуя в процессах нитридообразо- вания титана, способствует образованию дополнительных центров кристаллизации. Такой двойной механизм модифицирования не только измельчает зерно, но и другие 45 структурные составляющие (карбиды, неметаллические включения). Они выделяются в более благоприятных форме и размерах и, как правило, расположены внутри зерна. Кроме этого, сплав не содержит алюминия. 50 Стали данного класса склонны к повышенному насыщению азотом в ходе выплавки. При вводе алюминия как компонента сплава неизбежно образование его нитридов, которые выделяются по границам зерен в 55

виде отдельных включений и плен, что ведет к охрупчиванию стали.

Предлагаемая сталь хорошо сопротивляется ударно-абразивному изнашиванию, т. к. в этой метастабильной аустенитной стали реализуется двойной механизм упрочнения при деформации - образование мартенсита деформации плюс изменение CTDVKTVObi аустенита.

П р и м е р.В индукционной тигельной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг выплавляли опытные составы предлагаемой и известной сталей и по общепринятой тех- нологии Азот вводили в сталь в виде азотированного феррохрома совместно с ферротитаном ФТи-35 и феррованадием перед выпуском металла в ковш. Силикокаль- ций СК-45 вводили во время выпуска металла в ковш. Из опытных составов сталей заливали трефовидные пробы по ГОСТ 7769-82. Пробы подвергали термообработке по режиму: нормализация при 1050° С 5 ч, охлаждение на воздухе, Из проб вырезали образцы для определения структуры и механических свойств.

В таблице приведены свойства предлагаемой износостойкой стали и известной стали. Износостойкость определяли по ГОСТ 23.208-79. За эталон принималась ст. 45.

Структура представляет собой метаста- бильный аустенит + сфероидизированные карбиды типа СгуСз, РезС. Карбиды располагаются равномерно по телу зерна аустенита, имеют небольшие размеры, скоплений не образуют. Как видно из таблицы, предлагаемая износостойкая сталь превосходит известную по износостойкости и твердости.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, ванадий/кальций, азот, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения износостойкости и твердости, она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод0,82-1,1

Кремний0,2-0,5

Марганец6,5-10,0

Хром .2,0-4,5

Ванадий0.03-0,1

Титан0.02-0,18

Кальций0.006-0,05

Азот0,01-0,04

ЖелезоОстальное.