Износостойкая сталь для фасонных отливок

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу износостойкой стали для фасонных отливок. Предлагаемая сталь имеет повышенную твердость, износостойкость и жидкотекучесть, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,25-0,35; кремний 0,3-0,9; марганец 0,9-1,5; хром 0,5-1; никель 0,8-1,3; молибден 0,2-0,4; ванадий 0,02-0,1; медь 0,5-1; железо остальное. Из стали могут изготавливаться литые детали оборудования для горнодобывающей, дорожно-строительной и других отраслей народного хозяйства. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в машиностроении, в частности, для изготовления литых изнашиваемых деталей дробильно-размольного оборудования, зубьев ковшей экскаваторов и драг, работающих в условиях одновременного воздействия высоких контактных нагрузок, абразивных частиц и трения.

Для изготовления износостойких деталей применяются стали аустенитного, перлитного и мартенситного классов. Стали аустенитного класса обладают недостаточной стойкостью при износе без приложения достаточных давлений ударного действия. Наиболее широко применяются в промышленности в настоящее время стали перлитного класса, например 20ГЛ, 30ХЛ, 35ХМФЛ (ГОСТ 21357 "Отливки из хладостойкой и износостойкой стали"). Однако, их твердость после термической обработки (не более HRC 28) обеспечивает высокую износостойкость только при сравнительно низком уровне энергии внешнего воздействия. С возрастанием же степени ударного воздействия абразивных частив наиболее широко используются стали мартенситного класса, например 30Х3НЗ, 65Х4Н4М, 70Х3Н3, 25ХГНЗМ (Погодаев Л.М. Лукин Н.В. Режимы работы и долговечность деталей землесосных снарядов. М. Транспорт, 1990, с. 192).

Наиболее близкой по составу ингредиентов к предлагаемой стали является низкоуглеродистая свариваемая сталь (авт. св. СССР N 174931 кл. C 22 C 38/58) мартенситного класса, содержащая, мас.

Углерод 0,12-0,20 Кремний 0,20-0,40 Марганец 1,50-2,40 Никель 0,50-0,80 Хром 1,50-2,00 Молибден 0,20-0,40 Железо Остальное Сталь-прототип не обладает достаточной твердостью, абразивной износостойкостью и жидкотекучестью, отличается крупнозернистостью, неравномерностью механических свойств, ярко выраженными границами первичной кристаллизации.

Целью изобретения является создание износостойкой стали, обладающей повышенной твердостью, износостойкостью и жидкотекучестью, предназначенной для фасонных отливок.

Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден и железо, дополнительно содержит ванадий и медь.

Предлагаемая сталь содержит, мас.

Углерод 0,25-0,35 Кремний 0,30-0,90 Марганец 0,90-1,50
Хром 0,50-1,00
Никель 0,80-1,30
Молибден 0,20-0,40
Ванадий 0,02-0,10
Медь 0,50-1,00
Железо Остальное
Углерод является одним из главных упрочнителей стали, резко повышающим износостойкость за счет образования карбидов легирующих элементов и легирования твердого раствора. Содержание углерода менее 0,25 мас. не обеспечивает необходимой твердости и износостойкости стали, а более 0,35 мас. приводит к заметному снижению пластических и вязких характеристик предлагаемой стали и к повышению вероятности возникновения трещин при проведении закалки с охлаждением в воду отливок сложной формы.

Кремний необходимая технологическая добавка для раскисления стали при ее выплавке, что обеспечивает необходимые пластические свойства стали. Содержание кремния менее 0,30 мас. не обеспечивает нужной степени раскисления стали, вследствие чего металл становится хрупким. Увеличение содержания кремния более 0,90 мас. снижает ударную вязкость и износостойкость стали.

Марганец способствует снижению вредного влияния серы и увеличению прокаливаемости стали. Содержание марганца менее 0,90 мас. не обеспечивает необходимого упрочнения феррита. Содержание марганца свыше 1,50 мас. приводит к увеличению чувствительности стали к перегреву при закалке и склонности к необратимой хрупкости в интервале температур 200-500^oC.

Легирование хромом используется для обеспечения высокой износостойкости стали за счет образования преимущественно специальных карбидов Cr₇C₃, что в свою очередь способствует увеличению содержания марганца в феррите, при этом повышается прокаливаемость и твердость стали. Содержание хрома менее 0,50 мас. не обеспечивает необходимой твердости стали, а более 1,00 мас. приводит к чрезмерному увеличению содержания карбидной фазы. Карбиды хрома могут служить концентраторами напряжений и обуславливать возникновение усталостных трещин.

Легирование никелем (0,80-1,30 мас.) существенно повышает прокаливаемость стали, уровень ее пластических свойств, способствует получению отливок с большей равномерностью механических свойств и снижает склонность стали к перегреву при термической обработке.

Присадка в сталь молибдена в пределах 0,20-0,40 мас. повышает прокаливаемость стали и способствует получению износостойкой структуры с высокой твердостью и вязкостью, а также уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости в интервале температур 500-600^oC.

Введение в сталь 0,02-0,10 мас. ванадия позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали за счет протекания процессов карбидообразования и способствует измельчению литой структуры. Образование мелкодисперсных, равномерно распределенных в структуре, карбидов ванадия приводит к повышению твердости стали и ее износостойкости без снижения значений ударной вязкости. Содержание ванадия менее 0,02 мас. не оказывает существенного влияния на свойства стали. При содержании ванадия более 0,10 мас. избыточные карбиды ванадия могут служить концентраторами напряжений и привести к возникновению усталостных трещин.

С целью повышения жидкотекучести с одновременным сохранением пластичности и ударной вязкости в сталь вводится 0,50-1,00 мас. меди. При легировании медью понижается температура солидуса на 50-20^oC и ликвидуса на 60-30^oC, что способствует увеличению практической жидкотекучести стали без увеличения интервала затвердевания стали. Увеличение содержания меди более 1,00 мас. приводит к выделению в процессе отпуска дисперсной медистой ε-фазы, вызывающей снижение пластичности и ударной вязкости стали.

Пример.

Предлагаемая сталь исследована на металле лабораторных и промышленных плавок.

В индукционной печи с магнезитовой футеровкой и емкостью тигля 100 кг выплавляли опытные составы предлагаемой и известной сталей по общепринятой технологии. Окончательное раскисление осуществляли в ковше силикокальцием в количестве 0,2 мас. и алюминием в количестве 0,05 мас. Металл разливался в сухие песчано-глинистые формы с получением слитков сечением 130х130 мм. Слитки подвергались термической обработке: нормализации, закалке и отпуску. После термической обработки из слитков вырезали образцы для определения твердости и износостойкости стали. В термически обработанном состоянии структура стали представляет собой тонкодисперсный сорбит отпуска, ориентированный по мартенситу. Стойкость на абразивное изнашивание оценивалась при трении о нежестко закрепленные частицы и на ударно-абразивное изнашивание - многократными прямыми ударами изнашивающейся поверхности об абразивную прослойку. Величина износостойкости оценивалась как среднее значение по потерям веса трех образцов с единицы площади их рабочей поверхности после испытаний в течение определенного времени.

В таблице приведены химический состав и свойства предлагаемой износостойкой стали и известной стали.

При выходе за пределы предложенного состава стали свойства стали ухудшаются.

Эксплуатационные испытания показали, что ресурс работы отливок из предлагаемой стали увеличился в 1,3-1,5 раза по сравнению с известной сталью.

Сталь предлагаемого состава имеет высокую стойкость при абразивном и ударно-абразивном изнашивании и низкую склонность к трещинообразованию при литье и термической обработке. Предлагаемая сталь обладает хорошими литейными свойствами и может использоваться для отливок любой массы и конфигурации.

Указанные преимущества позволяют использовать предлагаемую сталь для изделий машиностроения, работающих в условиях одновременного воздействия высоких контактных нагрузок, абразивных частиц и трения.

Формула изобретения

Износостойкая сталь для фасонных отливок, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и медь при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,25 0,35
Кремний 0,3 0,9
Марганец 0,9 1,5
Хром 0,5 1,0
Никель 0,8 1,3
Молибден 0,2 0,4
Ванадий 0,02 0,10
Медь 0,5 1,0
Железо Остальноео

РИСУНКИ

Рисунок 1