Литейная сталь для отливок Советский патент 1992 года по МПК C22C38/38 

сл

С

Изобретение относится к металлургии, а именно к высокопрочной вязкой стали для литых деталей, и может быть использовано в изделиях новой техники при изготовлении тяжелонагруженных деталей сложной конфигурации, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок. Цель изобретения - повышение ударной вязкости стали при -50°С, вязкости разрушения и трещи неустойчивости при сохранении уровня прочностных и пластических свойств. Сталь дополнительно содержит азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,25; кремний 0,8-1,8; хром 5-8; марганец 3-6; молибден 0,01-0,30; ванадий 0,01- 0,15; кальций 0,01-0,25; церий 0,005-0,100; магний 0,005-0,100; азот 0,01-0,03; титан 0,05-0,10; железо остальное. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к созданию литейной стали, сочетание высокой ударной вязкости стали при отрицательной температуре (-50°С), вязкости разрушения и трещиноустойчивости с сохранением высокого уровня прочности, пластичности и вязкости при комнатной температуре позволяет использовать эту сталь в изделиях новой техники при изготовлении тяжелонагруженных деталей сложной конфигурации, работающих в условиях повышенных динамических нагрузок, а также при отрицательных температурах до 50°С включительно.

Известна литейная сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,10-0,35; кремний 1,0-3,0; хром 3,0-6,0; марганец 3,0-6,0; молибден 0,1-1,0; церий 0,002-0,02, по крайней мере один элемент

из группы, содержащей иттрий, кальций, алюминий 0,005-0,1; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств:

Предел прочности, МПа 1530-1700

Предел текучести, МПа 1330-1450

Относительное удлинение, % 9,8-14,9

Относительное сужение, % 24,0-42,0

Ударная вязкость при

комнатной температуре,

кДж/м2

Ударная вязкость

при -50°С, кДж/м2

Вязкость разрушения,

МПа-мш

Однако известная сталь при высоких значениях прочностных и пластических свойств, ударной вязкости при комнатной температуре, обладает низким уровнем

680-980

370-560

109-112.

-vl

Ю

ч1

ю

ударной вязкости при температуре -50°С, вязкости разрушения и трещиноустойчиво- сти, что не позволяет использовать ее при изготовлении литых деталей сложной конфигурации, испытывающих высокие динамические нагрузки.

Известна сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,15- 0,30; кремний 0,5-1,5; хром 1,5-3,0; марганец 1,5-3,0; ванадий 0,05-0,20; молибден 0,1-0,5; по крайней мере один элемент из группы кальций, алюминий 0,005-0,15; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств:

Предел прочности, МПа 1460-1650

Предел текучести, МПа 1250-1400

Относительное удлинение, % 12,1-14,8

Относительное сужение, % 47,2-54,3

Ударная вязкость при

комнатной температуре,

кДж/м2630-990

Ударная вязкость

при -50°С, кДж/м Вязкость разрушения, МПам1 2

100-380

110-118

Трещиноустойчивость, Н 950-980 Однако сталь имеет также низкий уровень ударной вязкости, особенно при -50°С, что не позволяет использовать ее для отливок сложной конфигурации, работающих в условиях высоких ударных нагрузок, особенно при отрицательных температурах.

Известна литейная сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,10-0,30; кремний 1,0-3,0; хром 4,0-8,0; марганец 4,0-8,0; молибден 0,01-0,40; ванадий 0,01-0,20; кальций 0,02-0,30; церий 0,05-0,20; по крайней мере один элемент из группы, содержащей магний и лантан 0,005-0,3; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств:

Предел прочности, МПа 1550-1680 Предел текучести, МПа1220-1330

Относительное удлинение, % 10,8-53 Ударная вязкость при комнатной температуре, кДж/м2850-1140

Ударная вязкость при температуре -50°С, кДж/м2 400-560 Вязкость разрушения, МПам1 295-105

Трещиноустойчивость, Н 750-850 Однако данная сталь при высоком уровне прочностных и пластических свойств, а также вязкости при комнатной температуре обладает недостаточным уровнем ударной вязкости при -50°С, вязкости разрушения и низкой трёщиноустойчивости, что ограничивает широкое применение этой стали для изготовления деталей сложного профиля, работающих в условиях высоких динамических нагрузок.

Трещиноустойчивость одна из наиболее

важных характеристик конструкционных сталей. Эту характеристику определяют по пробе как максимальную приложенную нагрузку, не вызывающую появления трещин

0 или надрывов в термическом узле отливки, представляющей собой брусок, один конец которого жестко закреплен, а к другому прикладывается усилие, фиксируемое динамометром.

5 Трещиноустойчивость всех сталей определяют в идентичных условиях, что позволяет провести их сравнительный анализ.

Вязкость разрушения определяют методом 1-интеграла.

0 Целью изобретение является повышение уровня ударной вязкости и вязкости разрушения литейной стали при -50°С, а также трёщиноустойчивости при сохранении высокого уровня прочностных и пласти5 ческих свойств и ударной вязкости при комнатной температуре, что позволит уменьшить снижение конструкционной прочности стали при изменении температурных условий эксплуатации изделий из

0 нее от обычных (средняя полоса) до экстремальных (Крайний Север и Сибирь) и соответственно заметного повышения ресурса работоспособности этих изделий в условиях

5 указанных климатических зон.

Указанная цель достигается тем, что сталь дополнительно содержит азот и титан, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,25; кремний

0 0,8-1,8; хром 5,0-8,0; марганец 3,0-6,0; молибден 0,01-0,3; ванадий 0,01-0,15;кальций 0,01-0,25; церий 0,005-0,100; магний 0,005- 0,100; азот 0,01-0,03; титан 0,05-0,10; железо остальное.

5 Изобретение осуществляется следующим образом.

Предлагаемую сталь выплавляют в открытой индукционной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой. Кремний, хром,

0 марганец, молибден, ванадий, азот и титан вводят в виде ферросплавов, кальций, магний, церий - в виде лигатур.

Механические свойства определяют на образцах, вырезанных из пробных брусков.

5 Испытания предлагаемой стали осуществляют после термической обработки по режиму: нормализация при 940-960°С, отпуск при 650-700°С, закалка с 880-900°С, охлаждение на воздухе, отпуск при 200-250°С.

Сталь обеспечивает следующий уровень механических свойств:

Предел прочности, МПа 1600-1720

Предел текучести, МПа 12180-13 0

Относительное удлинение, % ,10,5-12,3

Относительное сужение, % 41-46

Ударная вязкость при

комнатной температуре,

кДж/м2830-1130

Ударная вязкость при-50°С,

кДж/м2580-700

Вязкость разрушения,

МПам1 2112-117

Трещиноустойчивость, Н 900-950

Составы стали и механические свойства приведены в таблице.

Обеспечение высокого уровня ударной вязкости при -50°С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости при сохранении высокого уровня прочности, пластичности и ударной вязкости при комнатной температуре достигается дополнительным (по сравнению с прототипом) легированием стали азотом и титаном.

Влияние легирующих элементов, вводимых в предлагаемую сталь, заключается в следующем.

Хром, марганец и кремний, взятые в больших количествах (5,0-8,0; 3,0-6,0 и 0,8- 1,8 мас.% соответственно) снижают температуру начала мартенситного превращения, упрочняют кристаллическую решетку «-железа и способствуют образованию реечного мартенсита, что обеспечивает высокую прочность стали. Кроме того, повышенное содержание этих элементов способствует более полному раскислению стали. Хром и марганец также повышают уровень трещиноустойчивости стали за счет увеличения ее высокотемпературной прочности.

Кальций в пределах 0,01-0,25 мас.% приводит к очищению границ зерен и изменению их энергетического состояния. Кальций также предохраняет сталь от повторного окисления и способствует де- сульфурации стали за счет связывания серы из расплава в сульфиды кальция, удаляемые при скачивании шлака.

Церий в пределах 0,005-0,100 мас.% уменьшает количество неметаллических включений в стали, придает им глобуляри- зованную форму, очищает границы зерен и упрочняет металлическую матрицу. Церий также способствует обессериванию стали в результате образования легковсплываю-. щих тугоплавких оксисульфидных включений.

Магний, являясь поверхностногактив- ным элементом и находясь при температуре кристаллизации в парообразном состоянии, обладает минимальным значением поверхностной энергии и адсорбируется на поверхности раздела расплав-кристалл. При этом образуется сплошная мономолекулярная пленка, тормозящая развитие кристаллов. В результате в стали происходит образование

мелкоглобулярной структуры. Кроме того, магний в указанном .количестве изменяет состав, форму и характер расположения неметаллических включений, что способствует повышению трещиноустойчивости.

Молибден способствует очищению границ зерен, что повышает вязкость разруше-. ния, пластичность и Трещиноустойчивость стали, снижает склонность к отпускной хрупкости.

Ванадий в указанном количестве значительно измельчает зерно, образуя мелкодисперсные карбиды, а в присутствии азота - также и нитриды, чем способствует получению высокого уровня вязкости (особенно

при отрицательной температуре) и вязкости разрушения.

Титан в количестве 0,05-0,1 мас.% совместно с азотом (0,01-0,05мас.%) влияет на первичную структуру стали, образуя тугоплавкие нитриды титана, которые играют роль центров кристаллизации. В результате за счет измельчения структуры повышаются Трещиноустойчивость, ударная вязкость (особенно при отрицательных температуpax), вязкость разрушения.

При содержании титана в стали менее 0,05 мас.% указанное положительное влияние отсутствует. Увеличение содержания ти- тана (более 0,1 мас.%) вызывает

охрупчивание стали (при указанном содержании легирующих элементов). Кроме того, азот, являясь аустенитобразующим элементом, способствует стабилизации остаточного аустенита, повышая тем самым вязкость

стали при отрицательной температуре и вязкость разрушения.

Высокий уровень вязкости разрушения и ударной вязкости при отрицательной температуре обусловлен тонкой структурой ста- ли,представляющейсобой

дислокационный (реечный) мартенсит и узкие прослойки остаточного аустенита по границам мартенситных кристаллов. По

данным рентгеноструктурного анализа количество остаточного аустенита составляет 4-6%.

Полученные данные показывают пре- имущество предлагаемой стали по сравнению с известной по ударной вязкости при -50°С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости при сохранении высокой прочности, пластичности и ударной вязкости при комнатной температуре.

Формула изобретения

Литейная сталь для отливок, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, кальций, церий, магний, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения ударной вязкости при температуре -50°С, вязкости разрушения и трещи- ноустойчивости при сохранений уровня

0

прочностных и пластических свойств, она дополнительно содержит азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,25; кремний 0,8-1,8; хром 5,0-8,0; марганец 3,0-6,0; молибден 0,01-0,30; ванадий 0,01-0,15; кальций 0,01- 0,25; церий 0,005-0,100; магний 0,005- 0,100; азот 0,01-0,03; титан 0,05-0,10; железо остальное.