Износостойкая сталь
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемым для изготовления изделий, подверженных абразивному изнашиванию. Сталь содержит углерод, хром, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 1,00-1,50, хром 0,17-0,99, марганец 3,51-4,99, кремний 0,51-0,99, железо и неизбежные примеси - остальное. Повышается уровень технологичности при термообработке с одновременным сохранением износостойкости. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, и может быть использовано при производстве сталей, изделия из которых подвержены абразивному изнашиванию.
Известна износостойкая сталь (см. декларационный патент Украины на полезную модель №13949, М.кл.7 С22С 38/18, заявл. 21.11.2005 г., опубл. 17.04.2006 г.), содержащая углерод, хром, марганец, кремний и железо. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 1,20-1,70 |
| хром | 2,00-3,00 |
| марганец | 0,17-1,50 |
| кремний | 0,17-1,20 |
| железо | остальное |
Известная сталь обладает достаточно высокой износостойкостью, но имеет невысокий уровень технологичности при термической обработке. Это связано с тем, что перлитное превращение при охлаждении от температуры закалки известной стали начинается через относительно короткое время, что обуславливает невысокую прокаливаемость. В связи с этим известная сталь может быть использована для изготовления и термообработки деталей с небольшим сечением (~10 мм). При этом высокая износостойкость изделий может быть получена в результате закалки от достаточно высокой температуры (1070°С), что сопряжено со значительным расходом электроэнергии. Это также снижает технологичность термообработки известной стали и ограничивает область ее использования.
Наиболее близкой к заявляемой стали по технической сущности и достигаемому техническому результату является износостойкая сталь (см. JP 2004-043864 А, С22С 38/38, 12.02.2004), содержащая углерод, хром, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,90-1,20 |
| хром | 0,05-2,00 |
| марганец | 0,10-2,00 |
| кремний | 0,10-2,00 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
Однако известная износостойкая сталь содержит 0,10-2,00 мас.% марганца, что может быть недостаточно для получения аустенитной структуры, при термообработке деталей большого сечения, поскольку может привести к образованию продуктов диффузионного распада аустенита, т.е. сделать его менее устойчивым в интервале температур перлитного превращения. Как следствие, нарушаются условия закалки, снижается уровень технологичности при термообработке, значительно снижается износостойкость стали. Кроме того, даже при обеспечении закалки износостойкость стали будет ниже в связи с меньшим количеством аустенита.
В основу технического решения поставлена задача усовершенствования состава износостойкой стали, в которой новое соотношение компонентов позволяет получить аустенит, более устойчивый в интервале температур перлитного превращения, что позволяет оптимизировать условия закалки и за счет этого обеспечить повышение уровня технологичности при термообработке с одновременным сохранением износостойкости.
Поставленная задача решается тем, что в известной износостойкой стали, содержащей углерод, хром, марганец, кремний, железо, а также неизбежные примеси, новым, согласно техническому решению, является то, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 1,00-1,50 |
| хром | 0,17-0,99 |
| марганец | 3,51-4,99 |
| кремний | 0,51-0,99 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что совокупность заявляемых признаков, а именно:
- новое соотношение всех компонентов стали, содержащей (мас.%): углерод 1,00-1,50; хром 0,17-0,99; марганец 3,51-4,99; кремний 0,51-0,99; железо и неизбежные примеси - остальное,
в совокупности с известными признаками позволяет увеличить время до начала перлитного превращения и снизить температуру закалки, повысить прокаливаемость изделий из заявляемой стали и снизить энергозатраты на термообработку.
Заявляемое соотношение компонентов износостойкой стали является необходимым и достаточным для достижения необходимого технического результата.
Это объясняется следующим.
Заявляемое соотношение компонентов стали позволяет значительно затормозить процесс перлитного превращения во время закалки, то есть увеличить минимальное время до начала перлитного превращения. В результате достигается необходимая однородная аустенитная структура металла в объеме деталей, что позволит подвергать закалке изделия из заявляемой стали значительно большего сечения по сравнению с изделиями, изготовленными из стали, известной из прототипа. Наряду с этим заявляемый состав износостойкой стали позволяет получать структуру нестабильного аустенита после закалки стали от меньшей температуры, чем температура закалки известной стали, что позволяет снизить энергозатраты при закалке заявляемой стали. Таким образом, обеспечивается высокий уровень технологичности термообработки заявляемой стали.
Экспериментально установлено, что достаточно высокой износостойкостью при требуемой технологичности обладают изделия из стали, компоненты которой взяты в заявляемом соотношении. Изделия из стали, содержащей компоненты в запредельных значениях, имеют худшие эксплуатационные свойства.
Содержание углерода в заявляемой износостойкой стали находится в пределах 1,00-1,50 мас.%. Поскольку углерод способствует увеличению износостойкости стали, то в случае, если его количество будет ниже заявляемого, износостойкость стали значительно снизится. Если содержание углерода выше заявляемого, то в процессе термической обработки могут появиться избыточные карбиды, что отрицательно скажется на свойствах стали.
Марганец является элементом, способствующим получению аустенитной структуры стали, так как он существенно замедляет перлитное превращение и снижает температуру начала мартенситного превращения стали. Поэтому недостаточное количество марганца в стали (ниже заявляемого) не обеспечит получения аустенитной структуры вследствие возможного образования продуктов диффузионного распада аустенита, что приводит к снижению износостойкости.
При увеличении количества марганца в заявляемой стали выше заявляемого повышается стабильность аустенита термообработанной стали, что также снижает износостойкость.
При содержании хрома в стали ниже нижнего предела происходит уменьшение прокаливаемости, износостойкость стали уменьшается.
Содержание хрома выше верхнего предела приводит к выпадению карбидов, что снижает износостойкость и механические свойства стали.
Таким образом, одновременное введение в состав износостойкой стали компонентов в заявляемом соотношении обеспечивает повышение уровня технологичности при термообработке стали с сохранением износостойкости.
Были изготовлены опытные образцы из износостойкой стали, содержащей углерод, хром, марганец, кремний, железо, с заявляемым соотношением компонентов, а также с соотношением, выходящим за заявляемые пределы. Образцы подвергались закалке, которая проводилась в одинаковых условиях, после чего осуществляли исследование влияния состава стали на ее свойства. Результаты исследования представлены в таблице, где τ - минимальное время до начала перлитного превращения, Тз - температура закалки, ε - относительная износостойкость.
| № п/п | Содержание компонентов стали, мас.% | τ, с | Тз, °С | Е | ||||
| С | Cr | Mn | Si | Fe | ||||
| 1. | 0,80 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | остальное | 100 | 890 | 1,8 |
| 2. | 1,00 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | -“- | 100 | 910 | 2,2 |
| 3. | 1,20 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | -“- | 100 | 930 | 2,1 |
| 4. | 1,50 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | -“- | 100 | 1030 | 2,0 |
| 5. | 1,70 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | -“- | 100 | 1120 | 1,9 |
| 6. | 1,30 | 0,50 | 0,50 | 0,70 | -“- | 10 | 850 | 1,8 |
| 7. | 1,30 | 0,50 | 3,51 | 0,70 | -“- | 60 | 900 | 2,2 |
| 8. | 1,30 | 0,50 | 4,00 | 0,70 | -“- | 100 | 930 | 2,1 |
| 9. | 1,30 | 0,50 | 4,99 | 0,70 | -“- | 100 | 950 | 2,0 |
| 10. | 1,30 | 0,50 | 6,00 | 0,70 | -“- | 500 | 980 | 1,8 |
| 11. | 1,20 | 1,50 | 0,30 | 0,50 | -“- | 10 | 1070 | 1,8 |
В примерах 1-5 приведены показатели опытных образцов, изготовленных из стали, содержащей среднее количество компонентов, а именно: марганец 4,00 мас.%, кремний 0,70 мас.% и хром 0,50 мас.%, а количество углерода составило, соответственно 0,80; 1,00; 1,20; 1,50; 1,70 мас.%. Наилучшие показатели, характеризующиеся температурой закалки и относительной износостойкостью, получены в примерах 2-4. При этом показатели, характеризующие относительную износостойкость образцов из стали, содержащей углерод в количестве меньше заявляемого, значительно ниже (пример 1). При увеличении количества углерода больше заявляемого относительная износостойкость также низкая и составляет 1,9, что обусловлено избыточным содержанием углерода. Кроме того, в этом случае увеличивается температура закалки, что дополнительно ухудшает технологичность (пример 5).
В примерах 6-10 исследовали образцы, изготовленные из стали, содержащей среднее количество углерода 1,30 мас.%, хрома 0,50 мас.%, кремния 0,70 мас.%, а количество марганца составило, соответственно 0,50; 3,51; 4,00; 4,99; 6,00 мас.%.
Наилучшие показатели минимального времени начала перлитного превращения и температуры закалки, а также относительной износостойкости получены в примерах 7-9, т.е., для образцов, содержащих марганец в заявляемых пределах. В случае, когда сталь содержит марганца менее чем 3,51 мас.% или более 4,99 мас.%, изготовленные из таких сталей образцы имеют более низкую износостойкость по сравнению с заявляемыми.
В примере 11 приведены данные, характеризующие известную сталь по прототипу, содержащую углерод 1,20 мас.%, хром 1,50 мас.%, марганец 0,30 мас.%, кремний 0,50 мас.%, железо - остальное. Минимальное время до начала перлитного превращения таких образцов составляет 10 секунд, температура закалки 1070°С, относительная износостойкость образцов 1,8.
Промышленная применимость заявляемого изобретения подтверждается возможностью получения износостойкой стали из известных компонентов, взятых в заявляемом количестве, на известном оборудовании.
Таким образом, заявляемая износостойкая сталь обладает повышенным уровнем технологичности при термообработке изделий, изготовленных из нее при сохранении достаточно высокой износостойкости, что позволит изготовленным из заявляемой стали изделиям найти повышенный спрос у потребителя.
Износостойкая сталь, содержащая углерод, хром, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 1,00-1,50 |
| хром | 0,17-0,99 |
| марганец | 3,51-4,99 |
| кремний | 0,51-0,99 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
