Высокопрочная сталь для отливок

 

ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ОТЛИВОК, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, ванадий, бор, азот, медь, алюминий и железо, отличающаяся тем, что, с целью повьппения прочности и ударной вязкости стали при низких температурах, она дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мае.%: 0,22-0,3 Углерод Марганец 0,4-0,7 0,3-0,5 Кремний 2,t-2,4 Хром 0,3-0,5 Молибден 4,0-4,3 Никель 0,1-0,15 Ванадий 0,001-0,003 Бор Азот 0,015-0,03 0,8-1,0 Медь 0,05-0,1 Алюминий 0,02-0,06 Церий 0,005-0,05 Кальций Железо Остальное

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СО,ИМ%О И

РЕСПУБЛИН..SU, А

31Р) С 22 С 38/54

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕ П=ЛЬСТВУ тем, что, с целью повьппения прочности и ударной вязкости стали при низких температурах, она дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.Ж: (21) 36210; 9/22-02 (22) 13.07.83 (46) 23.11.84. Бюл. N 43 (72) А.А.Ежов, М.И.Маресев, С.А.Гладышев, Л.Г.Грибов, Б.М.Шадхин, Ю.П.Солнцев, С.И.Ривкин, Б.Б.Гуляев, Л.Е.Солнцева, В.А.Козин и В.А.Веселов (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им.М.И.Калинина (53) 669. 15-194(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 602595, кл. С 22 С 38/46, 1977.

2. Патент Японии Р 55-30048, кл. С 22 С 38/32, 1980, (54)(57) ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ ДПЯ

ОТЛИВОК, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, ванадий, бор, азот, медь, алюминий н железо, отличающаяся

Углерод

Марганец

Кремний

Хром

Молибден

Никель

Ванадий

Бор

Азот

Медь

Алюминий

Церий

Кальций

Железо

0,22-0,3

0,4-0,7

0,3-0,5

2, 1-2,4

0,3-0,5

4,0-4,3

0,1-0,15

0 001-0,003

0; 015-0,03

О, 8-1,0

0,05-0 1

0,02-0,06

0 005-0 05

Остальное

86

Никель

Ванадий

Бор

Азот

Медь

Алюминий

Церий

Кальций

Железо

4,0-4,3

0,1-0,15

0,001-0,003

0 015-0,03

0,8-1,0

0,05-0,1

0,02-0,06

0,005-0,05

Остальное

0,05-0,25

0,3-2

0 05=0 6

О, 1-2 «3,5 «О, 15

0 05-1 0

0,0005-0,004

0,004-0,12

0,02-0,07

4(1 0,15

Остальное

Углерод

Марганец

Кремний

Хром

Молибден

О, 22-0,3

0,4-0,7

0,3-0,5

2,1-2,4

0,3-0,5

1 11252

Изобретение относится к металлур= гии, а именно к высокопрочным сталям для массивных отливок.

Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,2-0,28, марганец 0,4-0,7, кремний 0,17-0,7, хром 1,0-1,5, никель 2,55-2,85, молибден 0,66-0,75, ванадий 0,01-0,05, алюминий 0,02 0,04, кальций 0,005-0,05, железо ос тальное. 10

Однако сталь имеет недостаточный уровень прочностных .свойств: временное сопротивление 870-920 МПа, предел текучести 720-830 ИПа, относительное удлинение 19,3-22 Х, сужение 15

64-707, ударная вязкость при +20 С о составляет 1,2-1,72 МПж/м, при

-80 С вЂ” 0,6 — 1,15 МЦж/м (1) .

Наиболее близкой к изобретению является высокопрочная сталь для от-. ливок следующего химического состава, мас. 7:

Углерод

Марганец

Кремний 25

Хром

Никель

Ванадий

Молибден

Бор

ЗО

Азот

Алюминий

Медь

Ниобий

Железо

Известная сталь имеет временное сопротивление более 700 МПа и высокую ударную вязкость при нормальной температуре (2) .

Однако при отрицательных температурах (ниже — 40 С) уровень ударной

0 вязкости недостаточен.

Цель изобретения — повышение прочности и ударной вязкости стали при

45 низких климатических температурах.

Указанная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод,марганец, кремний, хром, молибден, никель, ванадий, бор, азот, медь, алюминий. и железо, дополнительно содержит це- 50 рий и кальций при следукнцем соотношении компонентов, мас.%:

Повышение прочности предлагаемой стали по сравнению с известной осущесту влено за счет более высокого содержания хрома и никеля, а повьппение ударной вязкости обеспечивается микролегированием стали кальцием и церием.

Никель повышает прочность, прокаливаемость, структурную равномерность и изотропность механических свойств.

Упрочняя раствор железа никель ослабляет закрепление дислокаций атома ми внедрения и облегчает пластическую деформацию, уменьшает опасность хруп1 кого разрушения и способствует повышению ударной вязкости при отрицательных температурах. Его влияние наиболее эффективно при содержании 4,04,3 мас.%.

Хром образует упрочняющие матрицу карбиды, увеличивает прочность межатомной связи в кристаллической решетке, что положительно сказывается на сопротивлении отрыву. Хром вместе с никелем и молибденом увеличивает прокаливаемость стали. При добавке хрома свьппе 2,4% резко ухудшается хладноломкость, при содержании менее

2,1Х не обеспечивается необходимого уровня прочности.

Введение в сталь азота 0,015-0,037. вместе с ванадием 0,1-0,15% и алюминием 0,05-0,17 приводит к образованию мелкодисперсных нитридов и карбонитридов, упрочняющих матрицу и иэмельчающих зерно. Карбонитриды ванадия обесйечивают дисперсионное твердение и повышение предела текучести. Совместное. введение азота и нитридообразующих элементов в укаэанных пределах наиболее эффективно. При содержании азота более 0,03%, алюминия более

0,1% и ванадия более 0,157 мас.% происходит охрупчивание стали, а при содержании менее 0,015Х, 0,17. и 0,05% соответственно не достигается пеобходимого уровня прочности, снижается .эффект дисперсионного твердения.

3 11252

Кремний до 0,3 действует только как раскислитель, а при содержании его более 0,5 наблюдается повышение температуры хрупковязкого перехода.

Марганец и кремний повышают прочность феррита. Марганец снижает температуру превращения аустенита. При .содержании менее 0,4 падает предел текучести, а при превышении 0,7 наблюдается охрупчивание стали.. 10

Бор в количестве 0,001-0,003 по" вышает прокаливаемость, структурную равномерность и изотропность свойств.

Заполняя дефекты по границам зерен, бор уменьшает неравномерность в распределении карбидов и углерода, различие в механических свойствах приграничньа: и глубинных объемов зерна.

При содержании бора более 0,003 происходит охрупчивание, а добавки менее 20

0,001 неэффективны.

Медь обеспечивает дисперсионное твердение, упрочняет феррит и пре. пятствует раэупрочнению при отпуске.

При содержании меди менее 0,8Х не 2, достигается необходимого значения пре. дела текучести, а увеличение ее содержания сверх i неэкономично.

Молибден позволяет повысить изотропность свойств метапла и литых дета- З0 лей с разЛичной толщиной стенок, что

1важно для снижения вероятности хрупкого разрушения отливок в условиях низких температур. В пределах 0,3-0,5 молибден заметно повышает механические свойства, способствует измельчению зерна. При содержании более 0,5 повышается температура перехода в хрупкое состояние.

Церий в количестве 0,02-0,06 поз 40 воляет получить достаточно чистые границы зерен за счет уменьшения углов разориентировки зерен микроструктуры и снижения величины свободной энергии границы между ними, За счет 45 рафинирующего действия церия относительно серы и кислорода, а также равномерного распределения серы по объему металла достигается повыше-. ние механических свойств. Церий поз- 50 воляет повысить хладостойкость стали, способствуя диспергированию и повышению равномерности распределения нитридов ванадия, что достигается за счет поверхностно-активного-действия 55 церия. Свыше 0,06 церий отрицательно влияет на механические свойства стали, образуя скопление сульфидов.

86 4

Кальций, как и церий, приводит к . очищению границ зерен и изменению их энергетического состояния. Вызывая глобулиризацию неметаллических включений кальций повышает жидкотекучесть и ударную вязкость, снижает концентрацию напряжений. Кроме того, кальций предохраняет металл от повторного окисления при разливке. Являясь поверхностно-активным элементом и адсорбируясь на гранях растущих кристаллов кальций в количестве более

0,005% вызывает. интенсивное модифицирование первичной структуры. Повышение его содержания более 0,052 технологически затруднительно и вызывает нежелательное явление затягива" ния стопора ковша при разливке.

Комплексное повышение прочностных свойств и ударной вязкости в предла- гаемой стали осуществляется за счет оптимального соотношения легирующих элементов, найденного методом мате-. матического планирования.

Сталь выплавляют в 60 кг индукционной печи с основной футеровкой.

Плавки проводят согласно рекомендациям по выплавке хладостойкой стали (приложение к ГОСТ 21357-75). Пробные бруски отливают по ГОСТ 21357-75.

Бруски термообрабатывают по режиму: гомогениэация при 1 130 С 13 ч, норо мализация с выпержкой. 5 ч при 980 С, о отпуск при 660 С с выдержкой 10 ч о

Э закалка с температуры 960 С после 5 ч выдержки, высокий отпуск при 640 С с выдержкой,11 ч. Хиьыческий состав сталей приведены в табл. 1. Механические свойства сталей представлены в табл. 2. Сталь обеспечивает временное сопротивление 1120-1200 МПа,. предел текучести 930-1000 ИПа, относительное удлинение 14-172, относительное сужение 35-42Х, ударную вязкость при +20оС 0,95-1,2 ИДж/м, при -70 С 0,54-0,62 МДж/м .Критический коэффициент интенсивности напряжений К1 при -70 С изменяется в пределах 72-80 МПа м1(2

По сравнению с известной предлагаемая сталь имеет более высокий уровень. механических характеристик, особенно ударной вязкости при пониженных температурах. Предел прочности увеличивается по сравнению с известным на 160-220 МПа, предел текучести — на 150-190 МПа. Ударная вязкость возросла при +20 С на 0,191125286 таблaöà 1

Седеркавве элементов э нас. 3

Стеээь l

Предлагаемая

0,22 0,4 0,3 2, 1 О,З 4,0 О, 10 О ° 8 0,05 0,02 О ° 005 0,001 0,015

030 07 05 2 ° 3 04 43 010 10 О t0 006 002 0003 002

0,25 0,5 0,4 2,1 0,5 4,2 0,12 0,8 0,07 0,03 0,03 О;002 0,015

0,3 4,0 0,15 0,8 0,10 0,02 0,01 0,001 0,03

0,22 0,4 0,3 2,4

5 0,25 0,6 0,4 2,3

0,4 4 ° 2 0,12 Оэ9 Оэ07 0,04. О,ОЭ 0,002 0,02

0,30 0,7 0,5 2,4 0,5 4,3 О, 15 1,0 0,10 0,06 0,05 0,003 0,03

0,20 0,3 0,3 1э8 0,25 3,7 0,08 О ° 50 0,03 0,015 0,003 0,0005 0,01

0,33 0,9 0,7 2,7 0,65 4,6 0,20 1,2 О, 15 0,08 0,06 0,005 0,035

Известная

Оэ22 Оэ4 0 ° 3 1 э5 О ° 4 3 эО Оэ 1О Оэ8 Оэ05 Оэ 001 0,015

0,4 3,2 0,12 0,5 0,07 - - Оэ002 0,03

4Ю

0,25 0,5 0,4 1,0

Оэ4 ИДв/м э а при -70 C - на 0,20,26 ИДж/м . Хоровая технологичность высокие прочностные свойства и ударная вязкость стали позволяют повысить надекность, долговечность и хладостойкость промышленных изделий, сократить расход металла в конструк-

ЦКЯХ И СНИЗИТЬ ИХ СТОИМОСТЬ, Сталь рекомендуется для массивных разностенных отливок, испытывающих

5 высокие статические и динамические нагрузки при пониженных температурах.

1)25286,Таблица 2

-To

5с

Ю

ИПа м бт, ИПа

Сталь е

ИПа

Ударная вязкость, ИДж/м

+ о

KCU

- о - о -to

KCU KCU KCU

Предлагаемая

1120 930 17 42 : } 2

1170 960 15 36 1,0

41 0,96

37 1,1

1130 940 14

0,74

0 ° 79

1150 930 16

5, 0,54 72

0,36 68

0,24 59

Известная

960 780 14 37 0,80

980 810 13 36 :0,76

0,36 64

0,34 68

0,57 0,45

0,56. 0,42

Составитель И.Петренко

Редактор Н.Бобкова ТехредИ.Гергель. Корректор Е. Сирохман

Заказ 8438/20 Тираж 602 Подписное

ВНИИПИ Государстненного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5

Филиал ППП "Патент" ° r.Óæãîðîä.,óë.Ïðîåêòíàÿ, 4

1200 1000 14 39 1,15

1180 970 15 35 0 95

1010 820 14 35 0,80

1220 1020 11 30 0,61.

0,80 0,78

0,79 0,70

0,76 0,69

0,82 0,77

0,74 0,68

0,55 0,44

0,43 0,30

0,62 80

0,56 73

0,54 76

0 58 75

0,61 78