Литая износостойкая сталь
Изобретение относится к металлургии, в частности к литой метастабильной аустенитной износостойкой стали, используемой для деталей горно-обогатительного оборудования. Целью изобретения является повышение жидкотекучести, трещиноустойчивости и износостойкости. Это достигается дополнительным введением в сталь бора и кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,55-0,75; кремний 0,10-0,50; марганец 7,50-9,50; хром 3,80-5,20; титан 0,02-0,15; бор 0,001-0,005; кальций 0,005-0,05; железо - остальное. 2 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 С 22 С 38/38
ГОСУДАР CT ВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4792910/02 (22) 02.01.90 (46) 23.12,91, Бюл, №47 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И.Носова и Магнитогорский металлургический комбинат им. В,ИЛенина (72) В.M. Колокольцев, А, Ф. Миля ев, Л.Б.Долгополова, В.М.Долгополов, Е,Г,Козодаев, В,В.Конюхов, В.И.Стадничук, Р.И,Мячин и В.В,Костин (53) 669, 14.018.256-194(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1337437, кл. С 22 С 38/38, 1987. (54) ЛИТАЯ ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к разработке составов литых метастабильных аустенитных износостойких сталей, используемых для изготовления отливок, работающих в условиях абразивно-ударно-абразивного износа, например литые детали горно-обогатительного оборудования (щеки, конуса, валки дробилок, облицовки и др.), Известна сталь, которая с целью повышения износостойкости в слабокоррозионной среде, прочности, ударной вязкости, дополнительно содержит медь и бор при следующих соотношениях компонентов, мэс,%:
Углерод 0,9 — 1,3
Кремний 0,4-0,9
Марганец 8,0 — 12,0
Титан 0,008 — 0,03
Кальций 0,0005-0,005
Хром 1,0 — 2,3
„„SU „„1790090 А1 (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к литой метастабильной аустенитной износостойкой стали, используемой для деталей горно-обогатительного оборудования. Целью изобретения является повышение жидкотекучести, трещиноу ст-ойчивости и износостойкости. 3m достигается дополнительйым введением в сталь бора и кальция при следующем соотношении компонентов, мас,7ь; углерод
0,55-0,75; кремний 0,10 — 0,50; марганец
7,50 — 9,50; хром 3,80 — 5,20; титан 0,02 — 0,15; бор 0,001 — 0,005: кальций 0,005 — 0.05; железо — остальное. 2 табл, Медь 0,21 — 0.5
Бор 0,001 — 0,003
Железо Остальное
Сталь имеет относительно низкую износостойкость, жидкотекучесть, рещиноустойчивость, так как отличается небольшим соотношением Cr/Ñ и имеет недостаточное количество компактных звтектических карбидов типа (Fe, Сг)ТСЗ.
Известная литая сталь с высокой ударной вязкостью, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.7:
Углерод 0,2-0,5
Кремний 0,5 — 2,0
Марганец 0,5-2,0
Хром 1,0 — 6,0
Бор 0,001 — 0,01 или титан 0,01-0,1
Железо Остальное
Зта сталь обладает низкими значениями твердости и трещиноустойчивости.
1700090
Известна литая сталь, которая содержит никель, титан, кальций при следующем соотношении компонентов, мэс,, .
Углерод 0,8 — 1,18
Кремний 0,3-0,8
Марганец 6,5-8,8
Молибден 0,05 — 0,2
Титан 0,01-0.,1
ВЭНЭДИЙ 0,05 — 0,15
Квльций 0,001 — 0,01
Хром 2.5-4,0
Никель 0,2 — 1,0
Медь 0,2-0,7
Железо Оствльное
Ствль Облэдэет относительно низкой трещиноустойчивостью, жидкотекучесть о и износостойкостью.
Наиболее близкой.к предлагаемой стЭли по технической сущности и достигаемому результату является литэя износостОЧ1кея ствль, которая дополнительно содержит
РЗМ flpM следущем сООтнОшении компОнентов, мас,%:
Углерод 0,5 — 11,0
КРBмний 0,3-0,8
Марганец 4,5-10,0
Титан 0,05 — 0,15
Ванадий 0,О5 — 0,3
Хром 10 — 50
An 1Оми н ий 0,1 — 11,0
Азот 0,05 — 0,1
РЗМ 0,002 — 0,01
Железа 1. ?стальное
1 тЭЛь Имвет ОТНОСитвльн0 НМ3КМ8 3нэчения жидкотекучести и трещиноустойчивости, так как. Coqep?KMT а своем Составе РЗМ, которые загрязняют сталь неметаллическими
"клlочениями, труднО ВыВОдимыми из рвсплэва: оксиды,сульфиды, оксисульфиды, оксисульфонитриды M ffp. Это повышает
Вязкость РЭсплэвэ, а дополнительное загрязнение Включениями ведет к снижению треп„иноустойчиэости, Кроме того, при Охлэждении уже твеОдои с7эли к риствлл ические 0 KOMсул ьфиДы P 1 М расстекловываются из-за уменьшения растворимости компонентов, приобретают ОстрОУгonbHylo ФОРМУ N слУжэт KGHUBHтраторэми напряжений В отливках.
Алюминий твкже ухудшвет Эти свойстВВ
СТЭЛИ N3-38 ООРЭЗОВЭНИЯ ПЛ8Н, 1;1СТРОУГОЛЬных Включ8ний корундэ, шпинелей,, нит"
Ридов Элlоминия, Высокие содержания алюминия и азота непременно приводят к. образованию пленочных нитридов алюминия, располага1ощихся по границам кристаллитов, что Резко ухудшает В<..8 свойстве ствлей, Вдобавок к зтому содержвние азота более 0,05% увеличивает опасность поражения отливок азотистой пористостью.
Целью изобретения является повышение жидкотекучести,, трещиноустойчивости и износостОЙкости стэли.
Поставленная цель достигается тем, что
5 изв8стнЭЯ литэЯ износостойкэЯ c78nk,, СОдержвщая углерод, кремний, марганец, хром.,титан, железо, дополни;ельна содержит бор и кэльций opN следу1аи ем CGGTHGш8нии компонентОВ, IN&c %
1О Углерод (K55 — 0,75
Кремний 0,10 — 0,50
Марганец 7,50 — 9,50
Хром 3,80 — 5,20
TMT8H О 02 — 0,15 г
0,001 — 0,005
КЭЛЬЦИЙ 0,005 — 0,05 гКелезо Остальное
Углерод является -Одним из глэвных упрочнителей cTBJIN, способствует 06Р8зовв20 нию эустени7нОЙ структуры, повь1шению
7вердости, износостОЙкости и ?кидкотекуч8сти, Содержание Углерода менее0,55 мэс.% не обеспечиввет необходимых значений свойств, 8 более 0,75 мас.% приводит к
25 появлению крупных карбидов рэзветвленнои формы по грэницам эустенитных зерен, вызывэющих резкое cHM?K8HN8 пластичности и удэрнОЙ Вязкости.
КР8мниЙ ЯвлЯетсЯ н806?;ОДимай технО30 логической Добавкой при въ1плавке сплава, об спечивает необходимую пластичность метэлла, Содержание кремния 0,1 — 0,5 мас.% способствует смягчению матрицы, увеличиВасТ прокаливаемасть стали, Содержание
35 кремния менее 0,1 мас,% Не обеспечивает нужного раскисления стэли, вследствие чеГО М8ТЭЛЛ CTBHOBNТСЯ ХОУПКИМ, Повышение содержания кремния более
0,5 vi8c,% пpMBopMT к сни;;:ению Раствори40 мости Углерода B BycTBHMTe, Диффузии его к границам зерен и нежелвгельному выделе:-гию там карбидов. 3ro вредно скэзь1вается нэ саойствах стали.
Легировэние маргэнцем (7.5 — 9,5 мэс.%)
45 loBBGënåò получать метасгабильную Эустенитную cTpyKT ipy сплввэ с Bbfcof 50 7,"= мас.% сталь переходит в мартечситнсЭусгенитный класс. 7,8. Мартенсит в не1л присутствует y?l.е flocn8 Охлэждения «fIG Kov: нэтной температуры, Зто нежелательно, тэк как cHM?K887cn вязкость. Увеличение кон55 центрвции мэрганцв более 9.,5 I 1700090 Получение технологичной метастабильной аустенитной стали на основе системы Fe — Мп — С без дополнительного легирования — задача сложная, так как в процессе выплавки неизбежны колебания углерода и ма рганца, А это приведет к резкому изменению стабильности аустенита и положению точки начала мартенситного превращения (Мн). Известно, что уменьшение содержания марганца на 1% в стали с 1 4 углерода повышает температуру Мн на 50 С, а уменьшение концентрации углерода на 0,1 — на 32 С. Для устранения этого явления износостойкие метастабильные аустенитные стали необходимо легировать хромом. Храм также снижает точку Мн, но влияние его примерно вдвое слабее, чем марганца. Для предлагаемой стали содержание хрома должно находиться в пределах 3,8— 5,2 мас.%, Это обеспечивает получение необходимой метастабильной аустенитной структуры, а образование в стали карбидоз хрома дополнительно увеличивает ее износостойкость. Изменение концентрации хрома в ту или иную сторону затрудняет достижение цели. В первом случае (< 3,8 мас.% Cr) доля карбидов невелика и прирост износостойкости незначителен. Во втором (>5,2 мас.% Сг) случае снижается способность к деформационному упрочнению рабочей поверхности вследствие повышения стабильности аустенита, что также снижает износостойкость. Кроме того, вследствие обильного пленообразования снижаются жидкотекучесть и трещиноустойчивость. Немаловажно и отношение Сг/С = 6-8, обеспечивающее стали хорошую износостойкость вследствие наличия в матрицс термообработан ного сплава компактных карбидов типа (Fe, Сг)7Сз и мелкодисперсных вторичных карбидов такого же типа, выделившихся в результате певращения аустейита при охлаждении с температуры нормализации 1050 — 1100 С. Совместное присутствие титана, бора и кальция позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали, Титан микролегирует и модифицирует сталь. Нитриды титана образуется в жидкой стали, имеют небольшие размеоы (2 — 6 мкм) и являются активными дополнительными центрами кристаллизации. Кроме того, титан способствует очищению стали от неметаллических включений за счет флюсующего действия на них, а его совместное присутствие с бором ведет к равномерному распределению карбидов, устранению карбидной сетки. Все это улучшает свойства стали и отливок из нее. Содержание титана менее 0,02 мас.% не повзоляет эффективно воздействовать нэ структуру стали, а более 0 15 мас. приводит к образованию крупных нитридов и карбонитридов и склонности стали к вторичному окислению, что ухудшает жидкотекучесть, тоещиноустойчивость, износостойко ;;ть. Бор — один из сильнейших карбидообрэзующих и модификаторов-ингибиторов стали, способствует измельчению кристаллической структуры и увеличению прокализаемости стали .".одержание бора менее 0,001 мас.% не;,ает модифицирующего эффектэ, а более О, 05 мас, приводит к выделению по границам кристаллитов легкоплавкой боридной эвтектики, снижают ей свойства стали, в том числе трещино:устойчивость и износостойкость. Кальций является активным раскислителем, модификатором и глобуляризатором включений, способствует равномерному распределению включений по объему отливок и г олучению однородной структуры. Содержание кальция менее 0,005 мас.% неэффективно, так как слабо влияет на дендритную структуру стали и морфологию неметалличес";-их включений, а более 0,05 мас, приводит к выделению крупных оксидов и оксисульфидов облачного типа, трудноудалимых из расплава и вредно влияющих на >кидкотекучесть, трещиноустойчивость, износостойкость, П р и и е р. В индукционной тигельной печи емкость,о 60 кг с основной футеровкой выплавляют опытные составы предлагаемой стали и известной стали (табл. 1} по общепринятой технологии. Титан, бор икальций вводят в сталь в виде ферротитана ФТи 35а, ферробора ФБ-1, силикокальция СК 45 во время выпуска металла в ковш, Из опытных составов отливают следующие пробы для исследования структуры v: свойств: Спиральные нэ жидкотекучесть; нэ трещиноустойчивость пои затрудненной усадке; трефовидные, Трефовидные пробы подвергают термической обработке по режиму; нормализация при 1100 С, выдержка 4 ч, охлаждение нэ воздухе. Для исследования трещиноустойчивости заливают специальные образцы размером 30х30х305 мм с прибылью посередине. которые в процессе охлаждения и затвердевания претерпевают затрудненную усадку при постоянной и переменной нагрузках. Момент образования горячих трещин фиксируется стрелкой индикатора, затем контролируется визуально по излому обоазца. 1700090 Таблица 1 Таблица 2 Составитель В.Колокольцев Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Максимишинец Редак.гор H.Áoáêîâà Заказ 4445 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Для определения минимальной нагрузки, вызывающей образование горячей трещины, сначала на одном образце создают нагрузку явно недостаточную для образования трещины. На втором образце создают нагрузку, вызывающую трещину. При последующих опытах разницу между двумя, этими нагрузками последовательно уменьшают до такой критической величины, выше которой трещина образуется„а ниже не образуется. Такая минимальная нагрузка по-! казывает уровень трещиноустойчивости стали, Чувствительность прибора м10 Н, Износостойкость определяют согласно - ГОСТУ на установке, на которой при одинаковых условиях (одинаковой скорости вращения вала, постоянной нагрузке) производят трение образцов из исследуемых и эталонного образцов об абразивный материал, В качестве эталона использована сталь 45, в качестве образива-электрокорунд зернистостью М 16-П по ГОСТУ. Износостойкость исследуемых образцов оценивают путем сравнения его износа с износом эталонного образца. Износ определлют путем взвешивания до и после испытаний с погрешностью не более 0,1 мг, находят среднее арифметическое значение потери массы эталонного(оа) и исследуемых (ци) образцов. Относительную износостойкость (Ки) вычисляют по формуле Яэ 4 Ки = g р й. где /Ъ и/Ъ- плотности эталонного и исследуемого материалов, г/см; N и N — количество оборотов ролика при испытаниях эталонного и исследуемого 5 материалов, В табл. 2 приведены свойства предлагаемой иэносостойкой стали и известной стали. Структура предлатаемой стали в литом 10 состоянии представляет собой метастабильный аустенит со сфероидизированными карбидами типа (Fe, Сг)7Сз, располагающимися равномерно по телу зерна аустенита, Как видно из табл. 2, предлагаемая из15 носостойкая сталь существенно превосходит известную по трещиноустойчивости. износостойкости и жидкотекучести. Формула изобретения Литая износостойкая сталь, содержа20 щая углерод, кремний, марганец, хром, титан, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения жидкотекучести, трещиноустойчивости и износостойкости, она дополнительно содержит бор и кальций при 25 следующем соотношении компонентов, мас,%, Углерод 0,55-0,75 Кремний 0.10 — 0,50 Марганец 7,50 — 9,50 30 Хром 3,80 — 5.20 Титан 0,02 — 0,15 Бор 0,001 — 0,005 Кальций 0,005 — 0,05 Железо Остальное
