Низколегированная литейная сталь

Низколегированная литейная сталь

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным литым сталям для ответственных деталей машин, например деталей вагонов.

Известна сталь [1], содержащая, мас.%:

Углерод	0,19-0,25
Марганец	0,5-1,2
Кремний	0,3-0,5
Хром	0,15-0,6
Никель	0,15-0,6
Алюминий	0,01-0,2
Кальций	0,0005-0,01
Иттрий	0,1-0,4
Сера	0,003-0,06
Железо	остальное.

Механические свойства этой стали превышают минимальный уровень свойств для соответствующих сталей по ГОСТ 977-88, но не всегда достаточны для экстремальных условий работы литых деталей высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Известна также сталь [2], содержащая, мас.%:

Углерод	0,10-0,20
Марганец	0,70-1,10
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,05-0,35
Никель	0,05-0,35
Медь	0,05-0,50
Алюминий	0,005-0,15
Кальций	0,001-0,05
Титан	0,005-0,025
РЗМ	0,001-0,05
Железо	остальное.

Сталь имеет недостаточно высокие механические свойства (в частности, предел текучести и ударную вязкость) для работы в экстремальных условиях больших нагрузок и отрицательных температур.

Наиболее близкой к предлагаемой является сталь [3], содержащая, мас.%:

Углерод	0,12-0,26
Марганец	0,7-1,6
Кремний	0,2-0,7
Хром	0,1-0,7
Никель	0,1-0,7
Ванадий	0,004-0,02
Алюминий	0,01-0,2
Кальций	0,0005-0,01
Азот	0,005-0,03
Титан	0,004-0,1
Барий	0,001-0,01
Железо	остальное.

Эта сталь имеет недостаточно высокие и стабильные механические свойства, особенно предел текучести, который может меняться от 250 до 350 МПа, и ударную вязкость при температурах климатического холода.

Задачей изобретения является создание в стали дисперсной структуры, состоящей из феррита, перлита и зернистого бейнита.

Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).

Это достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан и барий, дополнительно вводят медь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,16-0,28
Марганец	1,15-1,48
Кремний	0,23-0,51
Хром	0,01-0,1
Никель	0,16-0,45
Медь	0,23-0,57
Алюминий	0,02-0,04
Кальций	0,015-0,04
Барий	0,015 -0,04
Титан	0,008-0,02
Железо	остальное.

При этом соотношение компонентов должно отвечать двум условиям:

1) П=2C[1+Si²+Cu²+7Mn²+10Cr²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52…6,66 мм,

где П - показатель прокаливаемости стали, мм, определяющий ее структуру и в указанном интервале его значений обеспечивающий оптимальное сочетание свойств после термической обработки, в том числе и после нормализации;

2) суммарное количество введенных раскислителей и модификаторов в пересчете на чистые компоненты должно составлять, мас.%:

П₂=Ca+Ba+Al+Ti=0,08…0,11.

При избытке этих компонентов ухудшается их усвоение сталью и становится возможным образование неметаллических включений неблагоприятной формы, приводящее к снижению ударной вязкости.

В качестве примесей допускается содержание в стали, мас.%: сера до 0,03, фосфор до 0,04.

Предлагаемую и известную стали выплавляли на базовой однотипной шихте на установке ИСТ-0.06 в тиглях емкостью 60 кг с кислой футеровкой по идентичной технологии для обеспечения одинаковых исходных концентраций примесей и газов. В качестве шихтовых материалов использовали отходы сталей Ст3 и 20ГЛ. Для легирования и регулирования химического состава стали использовали стандартные ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферротитан) и отходы меди, для ковшевого раскисления и модифицирования стали применяли алюминий, силикокальций, силикобарий и ферротитан. Металл в печи перегревали до 1700°С.

От каждой плавки отбирали трефовидные стандартные пробы, из которых изготавливали заготовки образцов для механических испытаний. Заготовки подвергали нормализации от 930°С. При механических испытаниях на растяжение определяли временное сопротивление разрыву σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение образцов ψ. Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре МК-30, определяя KCU и KCV при температурах +20 и -60°С.

Химические составы сталей приведены в табл.1, результаты механических испытаний - в табл.2.

Ограничение содержания углерода в пределах 0,16-0,29% обеспечивает возможность получения в нормализованной стали хорошего сочетания прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости.

Изменения в химический состав стали внесены с целью обеспечения:

1) регулирования показателя прокаливаемости в оптимальных пределах (см. условие 1, в частности, за счет дополнительного легирования стали медью), не выходя при этом за указанные выше пределы содержания углерода,

2) более глубокого рафинирующего и модифицирующего эффекта со значительным измельчением структуры стали (см. условие 2, в частности, за счет увеличения количества вводимого кальция и бария в пределах 0,015-0,04% по каждому из них),

3) возможности формирования в структуре стали зон с ультрадисперсным зернистым бейнитом за счет более жесткого ограничения содержания марганца в пределах 1,15…1,48% и дополнительного легирования стали медью в количестве 0,23-0,57%.

В таблицах приведено сопоставление химических составов и механических свойств сопоставляемых сталей: заявляемых сталей по составам, ограниченным формулой изобретения (первые 4 состава); сталей с составами, выходящими за пределы формулы изобретения (составы 5 и 6); стали-прототипа (последний состав). Для всех составов в табл.1 приведены рассчитанные значения параметров оптимизации П₁ и П₂, а в табл.2 - примечания с характеристикой уровня достигаемых механических свойств.

Видно, что предлагаемый химический состав стали обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие и стабильные значения механических свойств, особенно прочностных свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах.

При выходе химического состава стали за предлагаемые пределы существенно ухудшаются все свойства стали (вариант 6) или сочетание свойств (по варианту 5 при высоких прочностных свойствах значительно понижен уровень пластичности и ударной вязкости).

Источники информации

1. Низколегированная литейная сталь / Дружевский М.А., Грузных И.В., Соболев А.Ю. и др. // Авторское свидетельство СССР №1770441, МКИ С22С 38/40.

2. Низколегированная сталь / Зикеев В.Н., Овчинников В.А., Иржов Г.Г. и др. // Патент РФ №2002851, МКИ С22С 38/50.

3. Сталь / Рязанов А.С., Кривошеев М.И., Савин А.М. и др. // Авторское свидетельство СССР №1463790, МКИ С22С 38/50, 38/58.

Таблица 1
№№ п/п	Химический состав сталей, мас.%	Параметры
С	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	Al	Са	Ва	Ti	П1, мм	П2, %
1	0,16	1,39	0,51	0,10	0,45	0,44	0,03	0,02	0,04	0,01	5,52	0,10
2	0,19	1,48	0,32	0,01	0,16	0,57	0,02	0,015	0,03	0,015	6,60	0,08
3	0,24	1,15	0,38	0,10	0,41	0,23	0,02	0,04	0,015	0,015	5,84	0,09
4	0,28	1,18	0,23	0,08	0,28	0,30	0,04	0,02	0,03	0,02	6,66	0,11
5	0,15	1,66	0,82	0,18	0,55	0,71	0,01	0,05	0,05	0,03	7,72	0,14
6	0,31	0,98	0,20	0,005	0,12	0,22	0,05	0,005	0,01	0,005	5,01	0,07
Прототип	0,20	0,87	0,49	0,40	0,18	-	0,01	0,01	0,01	0,01	3,78	0,05

Таблица 2
№№ п/п	Механические свойства	Примечания
σв	σ0,2	δ	ψ	KCU+20	KCU-60	KCV+20	KCV-60
МПа	%	Дж/см2
1	572	380	27	57	140	63	112	58	Высокий уровень всех механических свойств
2	596	392	28	60	138	62	103	54
3	580	386	28	60	136	65	110	56
4	600	395	27	58	140	61	100	54
5	606	400	24	51	120	45	74	31	Пониженный уровень пластичности и ударной вязкости
6	560	356	24	50	120	58	90	44	Пониженный уровень всех свойств
Прототип	528	350	23	44	105	51	59	28

Низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан, барий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,16-0,28
марганец	1,15-1,48
кремний	0,23-0,51
хром	0,01-0,10
никель	0,16-0,45
медь	0,23-0,57
алюминий	0,02-0,04
кальций	0,015-0,04
барий	0,015-0,04
титан	0,008-0,02
железо	остальное,

при выполнении следующих условий:П=2C[1+Si²+Cu²+7Mn²+10Cr²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52…6,66, где П - показатель прокаливаемости стали, мм,Ca+Ba+Al+Ti=0,08…0,11, мас.%.