Сталь
Иллюстрации
Реферат
СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, азот, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения износостойкости при трении и абразивном, изнашивании при температурах до , она дополнительно содержит хром, никель, ванадий, титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 1,40-1,65 17-20 Марганец 0,3 -1,0 Кремний 0,002-0,100 Азот 0,5 -1,5 Хром 0,1 -0,5 Никель 0,02-0,30 Вансщий i 0,01-0,15 Титан Железо Остальное (О
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
09) (11) 3659 С 22 С 38 58
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
T" "" «.с».
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ .Ф (21) 3602545/22-02 (22) 06,06.83 (46) 15.08.84. Вюл. 9 30 (72) Л.З.Андрющенко, M.A.Филиппов, В.И.Довгопол, A.A.Ôèëèïïåíêîâ и В.Ф.Карклин (71) Уральский научно-исследовательский институт черных металлов,уральский политехнический институт им. С.М.Кирова и Синарский трубный завод (53) 669,14 ° 018.256-194 (088 ° 8) (56) i,ÃÎÑT 2176-77. Сталь 110Г13Л.
2.Авторское свидетельство СССР
Р 916579, кл. С 22 С 38/16, 1981. (54) (57) СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, азот, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения износостойкости при трении и абразивном изнашивании при температурах до 600"C она дополнительно содержит хром, никель, ванадий, титан при следующем соотношении компонентов, мас.Ъ:
Углерод 1,40-1,65
Марганец 17-20
Кремний 0,3 -1,0
Азот 0,002-0,100
Хром 0 5 -1,5
Никель 0,1 -0,5
Ванадий 0,02-0,30
Титан 0,01-0,15
Железо Остальное
1108129
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким сталям, и может быть использовано в качестве материала для оправок трубных прошивных станов, бронефутеровочных плит доменных скипов 5 и агломерационных дробилок, колосников агломашин и других литых деталей, подвергающихся износу трением и ударно-абразивному износу в условиях одновременного действия высоких температур и истирающих давлений.
В настоящее время в различных отраслях промышленности для изготовления отливок, работающих в условиях ударно-абразивного .износа, широко применяется аустенитовая высокомарганцевая сталь 110Г13Л. Если при комнатной и пониженных температурах высокая способность стали 110Г13Л. к деформационному упрочнению обеспечивает ей достаточную износостой- 20 кость при действии ударных и истирающих нагрузок, то при повышенных температурах эксплуатации (400
1000 С) происходит в течение первых часов работы распад аустенита с вы-. 25 делением карбидов и образованием феррито-карбидной смеси и, как следствие, потеря износостойкости стали.
Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и дос- yg тигаемому эффекту является сталь (23 содержащая, мас.Ъ
Углерод 0,9-1,5
Марганец 17-23
Кремний 0,2-0,8 35
Алюминий 0,01-0;2
Азот 0,002-0,05
Медь Ог04 Ок4
Железо Остальное
Данная сталь обладает повышенной 4() хладостойкостью в деформированном состоянии, однако в процессе эксплуатации в условиях высоких давлений, повышенных температур и наличии теплосмен в качестве прошивных оправок трубных станов сталь имеет низкую износостойкость, склонность к схватыванию с материалом заготовки и образованию трещин уже после прошивки одной заготовки, особенно при содержании углерода ближе к нижнему 50 пределу (0,9-1,2Ъ).
Цель изобретения — повышение износостойкости при трении и абразивном изнашивании при температурах до 600 С.
Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, азот, железо, дополнительно содержит хром, никель, ванадий, титан при следующем скот-,() ношении компонентов, мас.В:
Углерод 1,4-1,65
Марганец 17-20
Кремний 0 i 3-1,0
Хром 0 5-1,5
Никель 0,1-0,5 65
Азот Oi0OZ-0,1
Ванадий 0,02-0,3
Титан 0,01-0,15
Железо Остальное
Повышение содержания углерода в предлагаемой стали по сравнению с известной вызвано тем, что действие высоких истирающих нагрузок в сочетании с повышенными температурами обусловливает обезуглевоживание поверхностных слоев отливок, что может привести при недостаточном исходном содержании углерода к развитию Э - с превращения в процессе выдержки при высоких температурах или последующего охлаждения поверхностных слоев, обезуглероженных при отливке или термообработке.
Нижний предел содержания углерода (1,40%) обеспечивает .предотвращение образования мартенситной или трооститной фазы в обеэуглероженных поверхностных слоях отливок. Верхний предел содержания углерода (1,65%) определяется макимально возможным содержанием его в твердом растворе (аустените) без образования значительного количества нерастворившейся при нагреве под закалку карбидной фазы, наличие которой способствует образованию трещин в процессе эксплуатации.
Сужение интервала содержания марганца в предлагаемой стали вызвано необходимостью повышения концентрации углерода в стали до 1,40-1,65% и связано с трудностью растворения карбидной фазы при нагреве под закалку. Наличие в предлагаемой стали марганца в количестве свыше 20% не позволяет получить структуру аустенита без допустимого количества легированного цементита даже при повышении температуры закалки до 1150 С.
Легирование предлагаемой стали хромом в количестве свыше 0,5%, уменьшая диффузионную подвижность атомов углерода и марганца и увеличивая энергию связи в аустените, способствует увеличению термической и деформационной стабильности твердого раствора при нагреве до 1080 С поверхностных слоев отливок и резких теплосменах, уменьшает склонность аустенита к раэупрочнению нри высоких температурах, повышает окалиностойкость. Увеличение содержания хрома свыше 1,5Ъ нецелесообразно, так как вызывает образование труднорастворимых выделений легированного цементита.
Введение никеля в количестве 0,050,5В стабилизирует аустенит предлагаемой стали по отношению к распаду при повышенных температурах. Никель, входя в состав твердого раствора, снижает склонность к карбидообразованию и тепловому схрупчиванию. При содержании никеля в стали менее 0,1%
1108129
Т а блица 1
Содержание элементов, .мас.%
О
Состав предлагаемой С стали
Mn Si Cr Ni Ti V N
1,40 17,0 0,3 0,5 0,1 0,01 0,02 0,002 Остальное
1,65 20,0 1,0 1,5 0,5 0,15 0,3 0,1
1,55 18,5 0,6 1,0 0,3 0,1 0,2 0 05 его влияние на стабильность аустенита и тепловое охрупчивание становится несущественным. Повышение концентрации никеля свыше 0,5% в предлагаемой стали снижает способность марганцевого аустенита к деформационно- 5 му упрочнению и, как следствие, иэносостойкости стали, а также нецелесообразно по экономическим соображениям.
Совместное легирование стали титаном с ванадием в количестве 0,010,15 и 0,02-0,30Ъ соответственно уменьшает склонность к росту зерна при нагреве под закалку и в процессе трения при высоких температурах, а также приводит к измельчению первичной структуры литой стали эа счет выделения карбидов.(карбонитридов) титана и ванадия в процессе кристаллизации и нагрева под .закалку, а .. также рабочих нагревов поверхности отливок. Наличие дисперсных карбонитридов в предлагаемой стали повышает твердость и износостойкость отливок в процессе трения и износа при повышенных температурах, затрудняет протекание динамической рекри-. сталлизации,.препятствуя разупрочнению аустенита.
Термообработка литых оправок всех сталей проводилась по режиму: выдержка в среде природного газа при температуре 1070 С 5 ч с последующим охлаждением в воде. Такой режим обеспечивал получение аустенитной структурыв центре отливок и аустенитной структуры с мелкими глобулярными карбидами по границам и телу зерна аустенита у поверхности отливок у всех сталей без признаков обезуглерожи- 55 вания поверхностного слоя.
Исследование иэносостойкости стали проводилось на литых оправках длиной 175 мм и диаметром 55 мм при про- 60 шивке заготовок из нержавеющей стали
l2X18H1OT на промышленном прошивном стане. После прошивки одной заготовки оценивался линейный износ оправки, уменьшение длины по отношению .к исСодержание титана и ванадия в предлагаемой стали ниже 0,01 и 0,02Ú соответственно не вызывает измельчения зерна и повышения иэносостойкости стали, а увеличение концентрации титана и ванадия свыше 0,15 и
О,ЗЪ приводит к снижению ударной вязкости и трещиностойкости стали при циклических теплосменах в присутствии истирающих нагрузок, Таким образом, комплексное легирование никелем, хромом, титаном и ванадием обеспечивает высокую износостойкость предлагаемой стали при повышенных температурах в условиях резких теплосмен в сочетании с истирающими нагрузками, а также малую склонность к схватыванию при высокотемпературном трении по сравнению с известной сталью.
Пример ы. Предлагаемая и известная стали выплавлялись в дуговой электропечи ДЧМ 1,5 и разливались в земляные формы для оправок. В качестве шихтовых материалов использовались ферросплавы технической чистоты.
Химический состав исследуемых сталей приведен в табл. 1. ходной и склонность к схватыванию при трении по величине слоя налипания металла заготовки. Наличие и глубина трещин изучалась .на микрошлифах и макротемллетах, вырезанных вблизи рабочей поверхности. Способность к упрочнению аустенита в .прр-. ,цессе высокотемпературного трения .. оценивалась по приросту твердости рабочей поверхности оправок ° Оценка износостойкости при ударно-абразивном изнашивании в условиях высоких .. температур проводилась на экспериментальной лабораторной дробилке с подогревом образцов с помощью ТВЧ до температуры 6004С. Измерялся весовой износ образцов размером 45 20 < 15 мм, вырезанных из литых оправок, после размола
10 кг гранитного щебня фракции
4-5 мм.
1108129
Таблица 2
Износостойкость
Твердость, НВ
Состав стали
Уменьшение длины после
4 циклов, %
После работы
До работы
ПредлагаемоЯ
400
9,3
240
15,4
1,4
445
8,5
269
22,7
1,48
285
465
45,4
6,0
1,42
380
245
11,0
Известной
1,0
Таблица 3
Трещиностойкость
Склонность к схватыванию
Состав стали
Число циклов до появления трещин
Относительное увеличение, %
Предлагаемой
Малая
100
Известной
Средняя
ВНИИПИ, Заказ 5841/19, Тираж 603 Подписное
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная,4
В табл. 2 йриведены данные по износотойкости и упрочнению исследуемых стаВ табл. 3 приведены данные по трещиностойкости при циклических теплосменах и склонности к схватыванию исследуемых сталей при прошивке заготовок иэ стали 12Х18Н10Т, Сравнительные испытания показали что предлагаемая сталь имеет более высокую способность к упрочнению при горячеЯ прошивке, чем известная сталь, а износостойкость при этом виде работы на 15-45% более высокую, чем износостойкость известной стали.
Износостойкость предлагаемой стали
В условиях ударно-абразивного изна- 60 шивания при повышенных температурах
Относитель- При ударноное увели- абразивном чение иэно- износе состойкости, % леЯ при прошивке заготовок иэ стали
12Х18Н10Т и ударно-абразивном износе. не менее чем в 1 4 раза превышает износостоЯкость известной стали (табл. 2). Трещиностойкость предлагаемой стали на 50-100% выше, чем известной стали (табл. 3) . Кроме того, предлагаемая сталь обладает пониженной склонностью к схватыванию в условиях высоких температур и давлений. Повышенная износостойкость и трещиностойкость предлагаемой стали, ее малая склонность к схватыванию обеспечили увеличение срока службы прошивных оправок без замены в
1,5-2 раза по сравнению с оправками из известной стали, а также более высокое качество.