Литейная сталь для отливок

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к высокопрочной вязкой стали для литых деталей, и может быть использовано в изделиях новой техники при изготовлении тяжелонагруженных деталей сложной конфигурации , работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок. Цель изобретения - повышение ударной вязкости стали при -50°С, вязкости разрушения и трещи неустойчивости при сохранении уровня прочностных и пластических свойств. Сталь дополнительно содержит азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,25; кремний 0,8-1,8; хром 5-8; марганец 3-6; молибден 0,01-0,30; ванадий 0,01- 0,15; кальций 0,01-0,25; церий 0,005-0,100; магний 0,005-0,100; азот 0,01-0,03; титан 0,05-0,10; железо остальное. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ.

РЕСПУБЛИК (I9) (11) (s()s С 22 С 38/38

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4789304/02 (22) 09.02.90 (46) 07,04.92. Бюл. М 13 (71) Северо-Западный заочный политехнический институт (72) Е.И.Пряхин, И.Е.Казеинова, А.А.Алалыкина, Т.Б.Иванова и Г.А.Шемонаева (53) 669.14.018.292-194(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1148891, кл. С 22 С 38/24, 1985. (54) ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ОТЛИВОК (57) Изобретение относится к металлургии, а именно к высокопрочной вязкой стали для литых деталей, и может быть использовано в изделиях новой техники при изготовлении

Изобретение относится к металлургии, а именно к созданию литейной стали, сочетание высокой ударной вязкости стали при отрицательной температуре (-50 С), вязкости разрушения и трещиноустойчивости с сохранением высокого уровня прочности, пластичности и вязкости при комнатной температуре позволяет использовать эту сталь в изделиях новой техники при изготовлении тяжелонагруженных деталей сложной конфигурации, работающих в условиях повышенных динамических нагрузок, а также при отрицательных температурах до . 50" С включительно.

Известна литейная сталь, имеющая следующий химический состав, мас. ; углерод

0,10-0,35; кремний 1,0 — 3,0; хром 3,0 — 6,0; марганец 3,0-6,0; молибден 0,1 — 1,0; церий

0,002 — 0,02, по крайней мере один элемент тяжелонагруженных деталей сложной конфигурации, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок. Цель изобретения — повышение ударной вязкости стали при -50 С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости при сохранении уровня прочностных и пластических свойств. Сталь дополнительно содержит азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас. : углерод

0,08-0,25; кремний 0,8-1,8; хром 5-8; марганец 3 — 6; молибден 0,01-0,30; ванадий 0,010,15; кальций 0,01 — 0,25; церий 0,005 — 0,100; магний 0,005 — 0,100; азот 0,01 — 0,03; титан

0,05-0,10; железо остал.ьное. 1 табл. из группы, содержащей иттрий, кальций, алюминий 0,005-0,1; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств:

Предел прочности, МПа 1530-1700

Предел текучести, МПа 1330 — 1450

Относительное удлинение, % 9,8 — 14,9

Относительное сужение, 24,0 — 42.0

Ударная вязкость при комнатной температуре, кДж/м 680-980

Ударная вязкость при -50 C, кДж/м 370 — 560

Вязкость разрушения, M f1 a. м1/2 109 — 112.

Однако известная сталь при высоких значениях прочностных и пластических свойств, ударной вязкости при комнатной температуре, обладает низким уровнем

1724721

630-990 ударной вязкости при температуре -50 С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости, что не позволяет использовать ее при изготовлении литых деталей сложной конфигурации, испытывающих высокие дина- 5 мические нагрузки.

Известна сталь, имеющая следующий химический состав, мас. : углерод 0,150,30; кремний 0,5-1,5; хром 1,5 — 3,0; марганец 1,5 — 3,0; ванадий 0,05 — 0,20; молибден 10

0,1-0,5; по крайней мере один элемент из груп и ы кал ьций, ал юмин ий 0,005 — 0,15; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств: 15

Предел прочности,МПа 1460-1650

Предел текучести, МПа 1250-1400

Относительное удлинение, 12,1 — 14,8

Относительное сужение,, 47,2-54,3

Ударная вязкость при 20 комнатной температуре, кДж/м

Ударная вязкость при -50 С, кДж/м 100 — 380

Вязкость разрушения, 25

МПа м 110 — 118

Трещиноустойчивость, Н 950 — 980

Однако сталь имеет также низкий уровень ударной вязкости, особенно при-50 С, что не позволяет использовать ее для отли- 30 вок сложной конфигурации, работающих в условиях высоких ударных нагрузок, особенно при отрицательных температурах.

Известна литейная сталь, имеющая сле- 35 дующий химический состав, мас. : углерод

0,10 — 0,30; кремний 1,0 — 3,0; хром 4,0 — 8,0; марганец 4,0 — 8,0; молибден 0,01-0,40; ва-. надий 0,01 — 0,20; кальций 0,02 — 0,30; церий

0,05-0,20; по крайней мере один элемент из 40 группы, содержащей магний и лантан

0,005 — 0,3; железо остальное.

Сталь обеспечивает следующий уровень свойств:

Предел прочности,МПа 1550-1680 45

Предел текучести, МПа 1220 — 1330

Относительное удлинение, 10.8 — 53

Ударная вязкость при комнатной температуре, кДж/м 850 †11 50

Ударная вязкость при температуре -50 С, кДж/м 400-560

Вязкость разрушения, МЛа:м 95 — 105

Трещиноустойчивость, Н 750 — 850 55

Однако данная сталь при высоком уровне прочностных и пластических свойств, а также вязкости при комнатной температуре обладает недостаточным уровнем ударной вязкости при -50 С, вязкости разрушения и низкой трещиноустойчивости, что ограничивает широкое применение этой стали для изготовления деталей сложного профиля, работающих в условиях высоких динамических нагрузок.

Трещиноустойчивость одна из наиболее важных характеристик конструкционных сталей. Эту характеристику определяют по пробе как максимальную приложенную нагрузку, не вызывающую появления трещин или надрывов в термическом узле отливки, представляющей собой брусок, один конец которого жестко закреплен, а к другому прикладывается усилие, фиксируемое динамометром.

Трещиноустойчивость всех сталей определяют в идентичных условиях, что позволяет провести их сравнительный анализ.

Вязкость разрушения определяют методом I-интеграла.

Целью изобретение является повышение уровня ударной вязкости и вязкости разрушения литейной стали при -50 С, а также трещиноустойчивости при сохранении высокого уровня прочностных и пластических свойств и ударной вязкости при комнатной температуре, что позволит уменьшить снижение конструкционной прочности стали при изменении температурных условий эксплуатации изделий из нее от обычных (средняя полоса) до экстремальных (Крайний Север и Сибирь) и соответственно заметного повышения ресурса работоспособности этих изделий в условиях указанных климатических зон.

Указанная цель достигается тем, что сталь дополнительно содержит азот и титан, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас. : углерод 0,08 — 0,25; кремний

0,8-1,8; хром 5,0-8,0; марганец 3,0 — 6,0; молибден 0,01-0,3; ванадий 0,01-0,15; кальций

0,01-0,25; церий 0,005 — 0,100; магний 0,0050,100; азот 0,01 — 0 03; титан 0,05 — 0,10; железо остальное.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Предлагаемую сталь выплавляют в открытой индукционной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой. Кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, азот и титан вводят в виде ферросплавов, кальций,магний, церий — в виде лигатур.

Механические свойства определяют на образцах, вырезанных из пробных брусков, Испытания предлагаемой стали осуществляют после термической обработки по режиму: нормализация при 940-960 С, отпуск при 650-700 С, закалка с 880-900 С, охлаждение на воздухе, отпуск при 200-250 С.

Сталь обеспечивает следующий уровень механических свойств:

1724721

Предел прочности, МПа 1600-1720

Предел текучести. МПа 1280-1350

Относительное удлинение, %,10,5-.12,3

Относительное сужение, 41- 46, Ударная вязкость при комнатной температуре, кДж/м 830-1130

Ударная вязкость при -50 С, кДж/м 580-700

Вязкость разрушения, МПа м 112-117

Трещиноустойчивость, Н 900-950

Составы стали и механические свойства приведены в таблице.

Обеспечение высокого уровня ударной вязкости при -50 С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости при сохранении высокого уровня прочности, пластичности и ударной вязкости при комнатной температуре достигается дополнительным (по сравнению с прототипом) легированием стали азотом и титаном.

Влияние легирующих элементов, вводимых в предлагаемую сталь, заключается в следующем.

Хром, марганец и кремний, взяты@ в больших количествах (5,0 — 8,0; 3,0-6,0 и 0,81,8 мас.% соответственно) снижают температуру начала мартенситного превращения, уп рочня ют кристаллическую решетку а -железа и способствуют образованию реечного мартенсита, что обеспечивает высокую прочность стали. Кроме того, повышенное содержание этих элементов способствует более полному раскислению стали. Хром и марганец также повышают уровень трещиноустойчивости стали за счет увеличения ее высокотемпературной прочности.

Кальций в пределах 0,01 — 0,25 мас.% приводит к очищению границ зерен и изменению их энергетического состояния. Кальций также предохраняет сталь от повторного окисления и способствует десульфурации стали за счет связывания серы из расплава в сульфиды кальция, удаляемые при скачивании шлака.

Церий в пределах 0,005-0,100 мас.о уменьшает количество неметаллических включений в стали, придает им глобуляризованную форму, очищает границы зерен и упрочняет металлическую матрицу. Церий также способствует обессериванию стали в результате образования легковсплываю-, щих тугоплавких оксисульфидных включений.

Магний, являясь поверхностно-активным элементом и находясь при температуре кристаллизации в парообразном состоянии, обладает минимальным значением поверхностной энергии и адсорбируется на поверВысокий уровень вязкости разрушения и ударной вязкости при отрицательной температуре обусловлен тонкой структурой стали, и редставляющей. собой дислокационный (реечный) мартенсит и узкие прослойки остаточного аустенита по границам мартенситных кристаллов. По данным рентгеноструктурного анализа количество остаточного аустенита составляет

4 — 6о

Полученные данные показывают преимущество предлагаемой стали по сравнению с известной по ударной вязкости при

-50 С, вязкости разрушения и трещиноустойчивости при сохранении высокой прочности, пластичности и ударной вязкости при комнатной температуре.

55 хности раздела расплав-кристалл. При этом образуется сплошная мономолекулярная пленка, тормозящая развитие кристаллов. В результате в стали происходит образование

5 мелкоглобулярной структуры. Кроме того, магний в указанном, количестве изменяет состав, форму и характер расположения неметаллических включений, что способствует повышению трещиноустойчивости.

10 Молибден способствует очищению границ зерен, что повышает вязкость разрушения, пластичность и трещиноустойчивость стали, снижает склонность к отпускной хруп кости.

15 Ванадий в указанном количестве значительно измельчает зерно, образуя мелкодисперсные карбиды, а в присутствии азота — также и нитриды, чем способствует получению высокого уровня вязкости (особенно

20 при отрицательной температуре) и вязкости разрушения.

Титан в количестве 0,05-0,1 мас.o совместно с азотом (001-005мас.%) влияет на первичную структуру стали, образуя туго25 плавкие нитриды титана, которые играют роль центров кристаллизации. В результате за счет измельчения структуры повышаются трещиноустойчивость, ударная вязкость (особенно при отрицательных температу30 рах), вязкость разрушения.

При содержании титана в стали менее

0,05 мас. указанное положительное влияние отсутствует. Увеличение содержания титана (более 0,1 мас. ) вызывает

35 охрупчивание стали (при указанном содержании легирующих элементов). Кроме того, азот, являясь аустенитобразующим элементом, способствует стабилизации остаточного аустенита, повышая тем самым вязкость

40 стали при отрицательной температуре и вязкость разрушения.

1724721 прочностных и пластических свойств, она дополнительно содержит азот и титан при следующем соотношении компонентов, мас. : углерод 0,08-0,25; кремний 0,8 — 1,8;

5 хром 5,0-8,0; марганец 3,0-6,0; молибден

0,01-0,30; ванадий 0,01-0,15; кальций 0,010,25; церий 0,005-0,100; магний 0,0050,100; азот 0,01-0.03; титан 0,05-0,10; железо остальное.

Формула изобретения

Литейная сталь для отливок. содержащая углерод, кремний. хром. марганец, молибден, ванадий, кальций, церий, магний, железо. отл ича ю ща я ся тем,что. с целью повышения ударной вязкости при температуре -50 С, вязкости разрушения и трещи.ноустойчивости при сохранении уровня

Солернаиие вленентов, насА Некаинческие свойства

3> (/ 11> I» > "I>,, >д j >) 1>1"> 1"1, (нI »>I,(1„, 1 ноа ноа кдн/иб кйи/ие ноа. н ит

Состав, стали реаииостолчиость, Н

0,30 2 ° 5 8,5 6 ° 5 0,25 . 0,4 0,35 Р>15 0,15

0,04 0,20 Oc" тальков

О ° 175 1,5. 7,0 5,0 . О ° 10 0,18 0,15 0,05. 0,08 0,02 0,08

0,08 0,8 5>0 3,0 .0,01 0,0! 0,01 О ° 005 0,005 0>01. 0,05

«1б

0,20 1,5 8,0 6,0 .0,10 0>3 0,20 0,10 . 0,10 0,015 0,07 (,23 1,75 6,45 5,95 0,12 О ° 15 0,16 0,08 0,01, 0,01 0,06

«1 l««

0,10 1,2 7,0 3,0 0,15 0,30 0,20 0>008 0,009 0,025 О ° 08

1,8

6,5 6,0 0,12 0,13 О ° 15 0,10. 0,10 0,015 0,08

0,15

0,10 1,0 4,0 4,0 0,01 0,01 0,01 0,05 О ° 005 0,025 0,10

0,05 0,6 3,5 2,7 0,008 0,007 0,005 0,025 0,003 0 005 О ° 02

4 О 4 О Обо!

8,о S,6 о 3о

Невестнь>0 б

О 10

0,30

О 01 О 01 б б

0,30 0,30

O,05 O.ÎÎ О,О1 О,О5

0,20 0,35 0,03 0,10

1 О б

3>0

45

Составитель Е.Пряхин

Техред М.Моргентал Корректор Л.Бескид

Редактор Н.Гунько

Заказ 1152 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

2 : 0,25 1,8 8,0 6,0 .0,15 0,3 0,25 0,100 0,100 0,03,0,10

7 0,10 0,9 4>0 4,0 0,01 0,01 0,01 0,05 0>005 0>015 0,07

1390 1755

1400 1750

1390 1750

1350 1720

1345 1715

1330 1710

1315 1700

1320 1675

1320 1690

1280 1640

1290 1630

1280 1650

1325 1715

1340 1720

1345 1720

1310 1700

1350 1720 !

320 1700

1285 1660

1290 1675

1285 1655

1300 1650

1310 . 1640

1290 1635

1315 1700

1315 1690

1320 1700

1300 1665

1300 1650

1295 1665

1200 1450

1190 1465

1210 1460

10,0

10, 4

10,2

11,3

01,5

11 ° 5

l1,4

ll,2

11>9

12,0

12,2

12,0

11,0

10 5

11 ° 7

10,5

10,7

11>О

1! 5

12,0

ll ° 7

12,5

l2,3

12 3

10 ° 5 I 1>2

11,5

11,0

11,6

1l ° 2

11,0

10,5

10,7

10>8

12,0

32,0

35,0

34,2

41,0

42,0.

42,5

41 ° 5

42,0

41,0

43,5

45,0

44,0

41 О

42,5

42>0

41,5

41,5

42,0

43,о

45>О

44,5

44 ° 5

45,0

46,0

41,4

42,5

43,0

43,0

45,0

44,5

44,0

46,0

46,0

43>Î

53,0

1 130

lО5О

98о

970 .

1!60

1. 30

560

95 820

112 950

114

113 920

1!3

I 15 900

117

112 930

112

114

112 920

113

1 15

115 900

117

113

117 900

117

112 830

114

115 900

113

116

109 780

1 !5

112

23. ПО

105 50