Сталь

Сталь

Реферат

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали для изготовления деталей автомобилей, тракторов, электровозов, дизельных двигателей. С целью снижения прокаливаемости при одновременном увеличении сопротивления хрупкому разрушению и повышения технологической пластичности, сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,50 - 0,75, кремний 0,1 - 0,30, марганец 0,08 - 0,20, хром 0,06 - 0,15, никель 0,03 - 0,15, медь 0,06 - 0,15, никель 0,06 - 0,15, ванадий 0,035 - 0,050, азот 0,006 - 0,013, свинец, цинк, сурьма, висмут, олово (сумма) 0,012 - 0,02, железо - остальное, при этом выполняются соотношения, представленные в тексте описания.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям пониженной прокаливаемости для изготовления деталей автомобилей, электровозов, дизельных двигателей и т.д. упрочняемых методами поверхностной и объемно-поверхностной индукционной закалки.

Стали пониженной прокаливаемости должны соответствовать определенным требованиям: сохранять мелкое зерно при нагреве под закалку, что обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению в закаленном состоянии и резко снижает склонность к образованию закалочных трещин; глубина закаленного слоя должна составлять 15-20% от диаметра или толщины детали в наиболее нагруженной зоне; химический состав и прокаливаемость стали должны обеспечивать отсутствие деталей при закалке и получение высоких объемно-поверхностных свойств, определяющих их эксплуатационную стойкость.

Уменьшение прокаливаемости сталей обычно достигается регулированием их химического состава содержания углерода и легирующих элементов, вредных примесей и остаточных элементов.

С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях прокаливаемость возрастает за счет уменьшения критической скорости закалки. Однако возможности регулирования прокаливаемости путем изменения содержания углерода ограничивается требованиями к механическим свойствам. Исходя из этого, содержание углерода в конструкционных доэвтектоидных сталях не может быть существенно снижено. Никель, хром, марганец и медь увеличивают устойчивость аустенита, вследствие чего при небольших добавках проявляется эффект повышения прокаливаемости стали. Кремний при содержании 0,20-0,30% оказывает незначительное влияние на повышение прокаливаемости.

Влияние на прокаливаемость известных модификаторов (титан, ванадий), вводимых в жидкий металл после раскисления, зависит от химического состава стали, степени ее раскисленности, количества микролегирующих добавок, а также температуры нагрева под закалку и продолжительности выдержки при ней.

При закалке с температур не выше 900^оС нерастворенные нитриды (карбонитриды) ванадия и титана являются дополнительными центрами кристаллизации и снижают прокаливаемость стали. Благодаря высокому сродству к азоту ванадий образует нитриды при низких содержаниях, особенно при концентрации алюминия ниже 0,025% Цветные примеси (сурьма, свинец, цинк, олово, висмут) при малых содержаниях не влияют на прокаливаемость, но уменьшение их содержания позволяет значительно повысить сопротивление хрупкому разрушению при нормальной и отрицательных температурах, а также технологическую пластичность при горячей и холодной деформации (осадка, высадка, выдавливание).

Известны стали пониженной прокаливаемости (54-60 ПП) следующего химического состава, мас.

Углерод 0,52-0,65 Марганец не более 0,20 Кремний не более 0,30 Хром не более 0,15 Никель не более 0,20 Медь не более 0,20 Существенным недостатком сталей указанного состава является повышенная и нестабильная прокаливаемость, обусловленная колебаниями содержания хрома, меди, никеля и марганца в плавках серийного производства. Нестандартность металлического лома, применяемого при выплавке сталей пониженной прокаливаемости, загрязненность его остаточными элементами, приводит к получению в стали предельно высокой суммы хрома, марганца, меди и никеля. В этом случае решающее влияние на прокаливаемость оказывает углерод, изменение содержания которого в пределах марочного состава вызывает значительные колебания твердости на расстоянии 3,0 мм от закаленного торца.

По указанным причинам фактическая прокаливаемость серийных плавок находится в пределах: Марка стали HRC/3,0 мм 54ПП 37-54 55ПП 39-57 60ПП 42-60 Целью изобретения является снижение прокаливаемости стали при одновременном повышении сопротивления хрупкому разрушению.

Эта цель достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, дополнительно содержит ванадий, азот, свинец, цинк, сурьму, висмут, олово при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,50-0,75 Кремний Не более 0,30 Марганец Не более 0,20 Хром Не более 0,15 Никель Не более 0,15 Медь Не более 0,15 Ванадий 0,035-0,050 Азот 0,006-0,013 Свинец+цинк+сурьма- висмут+олово Не более 0,020% Железо Остальное.

Содержание углерода, меди и никеля в стали с целью обеспечения комплекса свойств низкой прокаливаемости и достаточно высокой прочности в закаленном состоянии определяется следующим уравнением, полученным при математической обработке экспериментальных данных: K ; где С, Сu, Ni массовые проценты содержания углерода, меди и никеля в стали.

К должно находиться в пределах 1,7-7,0.

При величине К больше 7,0 прокаливаемость стали существенно возрастает. При К<1,7 не удается обеспечить необходимую прочность деталей после закалки.

Содержание ванадия в стали обусловлено необходимостью образования нитридов ванадия, не растворяющихся при нагреве под закалку и обеспечивающих увеличение критической скорости закалки, снижение прокаливаемости и получение стабильно мелкого зерна. Отношение содержания ванадия к содержанию азота должно находиться в пределах 2-8. При отношении менее 2 прокаливаемость снижается не достаточно. При отношении > 8 возрастает вероятность образования карбидов ванадия, вследствие чего аустенит обедняется углеродом при нагреве под закалку и снижаются прочностные свойства. С целью повышения сопротивления стали хрупкому разрушению и технологической пластичности при горячей деформации суммарное содержание свинца, цинка, сурьмы, висмута и олова должно быть не более 0,020% Снижение содержания свинца, цинка, сурьмы, висмута и олова до указанных пределов достаточно для повышения сопротивления стали хрупкому разрушению и повышения технологической пластичности стали при горячей деформации. Дальнейшее снижение содержания этих элементов в стали приведет к значительному усложнению ее производства. Наличие этих признаков позволяет классифицировать заявляемое изобретение как соответствующее критерию "новизна".

В других известных технических решениях не обнаружены отличительные принципы, характеризующие заявляемое изобретение. На основании проведенного сопоставительного анализа можно сделать вывод о том, что заявляемая сталь обладает "существенными отличиями", а заявляемая совокупность признаков позволяет понизить прокаливаемость стали и повысить ее сопротивление хрупкому разрушению.

Результаты экспериментов по выбору рационального химического состава стали, обеспечивающих необходимое наличие свойств, приведены в таблице.

Составы стали 1-5 с содержанием элементов на нижнем, среднем и высоком уровнях обеспечивающих низкую прокаливаемость (для стали с содержанием углерода 0,51-0,55% не более 37 НRC).

Сталь с содержанием углерода 0,56% имеет 39,5 с содержанием углерода 0,61% 41 что ниже уровня прока- ливаемости для известных сталей с таким содержанием углерода.

Стали составов 1-5 имеют мелкое зерно, высокое сопротивление хрупкому разрушению, характеризуемое ударной вязкостью на образцах с острым надрезом при 40^оС (КСV>4,0 Дж/см²), высокой технологической пластичностью при высоких температурах, характеризуемой числом скручиваний до разрушения при температуре 1000^оС (число скручиваний 98).

Сталь состава 6, не содержащая V, имеет более высокую прокаливаемость.

П р и м е р. Выплавку стали производят в электропечи. Для завалки используют металлолом и металлизованные окатыши в соотношении, позволяющим получить в стали необходимое суммарное содержание свинца, цинка, сурьмы, висмута и олова. При достижении заданного содержания углерода металл выпускают в ковш, где производят его легирование марганцем, кремнием, ванадием.

Экономическая эффективность от внедрения предлагаемой стали обусловлена уменьшением брака и отходов на 4% вследствие понижения прокаливаемости, увеличения сопротивления стали хрупкому разрушению, уменьшения закалочных трещин.

Формула изобретения

СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, железо, отличающееся тем, что она дополнительно содержит ванадий, азот, свинец, цинк, сурьму, висмут, олово при следующем соотношении компонентов, мас. %: Углерод - 0,50 - 0,75 Марганец - 0,08 - 0,20 Кремний - 0,1 - 0,30 Хром - 0,06 - 0,15 Никель - 0,03 - 0,15 Медь - 0,06 - 0,15 Ванадий - 0,035 - 0,050 Азот - 0,006 - 0,013 Свинец, цинк, сурьма, висмут, олово (сумма) - 0,012 - 0,02 Железо - Остальное при этом выполняются следующие соотношения:

РИСУНКИ

Рисунок 1