конструкционная низколегированная литейная сталь

Формула изобретения

Конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,17-0,25
кремний	0,17-0,35
марганец	0,90-1,20
хром	0,90-1,20
титан	1,02-1,50
сурьма	0,03-0,30
фосфор	0,02-0,06
сера	0,02-0,06
алюминий	0,07-0,23
кальций	0,02-0,05
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления крестовин, рычагов для топливных опор, фланцев, шестерен, звездочек и других ответственных деталей, работающих при циклических и изменяющихся нагрузок.

Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (авт. св. СССР № 595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:

Углерод	15-0,20
Кремний	30-0,60
Марганец	20-1,50
Хром	20-1,50
Никель	80-2,20
Молибден	20-0,30
Медь	80-1,20
Титан	10-0,15
Церий	05-0,10
Ванадий	0,10-0,15
Кальций	03-0,08
Азот	0,008-0,02
Барий	0,05-0,10
Железо	остальное

Известная сталь имеет высокие характеристики прочности, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.

Известна также конструкционная низколегированная сталь (патент ЧССР № 185825, МПК С22С 38/44, 1980) следующего состава, мас.%:

Углерод	0,25-0,35
Кремний	0,40-0,60
Марганец	0,40-0,80
Никель	0,40-0,60
Хром	0,50-0,70
Молибден	0,40-0,60
Ванадий	0,05-0,10
Фосфор	до 0,025
Сера	до 0,025
Железо	Остальное

Эта сталь содержит большое количество карбидообразующих элементов, обладает низкими характеристиками пластичности, предела текучести и используется только для массивных зубчатых колес и других литых деталей, не подвергаемым ударным нагрузкам.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предложенной является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 25ХГЛ (ГОСТ 977 - 88), содержащая, мас.%:

Углерод	0,20-0,30
Кремний	0,20-0,50
Марганец	0,85-1,15
Хром	0,90-1,30
Фосфор	до 0,04
Сера	до 0,04
Железо	Остальное

Известная сталь обладает средней категорией прочности (КТ 35), но недостаточными упругопластическими свойствами и трещиностойкостью. Механические свойства известной стали: предел текучести - 383-400 МПа; относительное удлинение - 10-12%; относительное сужение - 20-22%; ударная вязкость - 16,7 18,5 Дж/см². Предел коррозионной усталости стали составляет 175-190 МПа.

Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств и трещиностойкости стали.

Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, отличается тем, что она дополнительно содержит титан, сурьму, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,17-0,25
Кремний	0,17-0,35
Марганец	0,90-1,20
Хром	0,90-1,20
Титан	1,02-1,50
Сурьма	0,03-0,30
Фосфор	0,02-0,06
Сера	0,02-0,06
Алюминий	0,07-0,23
Кальций	0,02-0,05
Железо	Остальное

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Содержание углерода (0,17-0,25) мас.%, кремния (0,17-0,35) мас.%, фосфора (0,02-0,06) мас.% и серы (0,02-0,06) мас.% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с преимущественно мелкозернистой перлитной структурой, с высокими характеристиками упругопластических свойств. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,25 мас.% и 0,35 мас.% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при уменьшении их концентрации соответственно ниже 0,17 мас.% каждого снижаются однородность и стабильность структуры и трещиностойкость отливок.

Дополнительное введение титана в количестве 1,02-1,50 мас.% обусловлено его высокой химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 1,02 мас.% модифицирующий эффект, пластические свойства и трещиностойкость низкие, а при увеличении содержания титана более 1,50 мас.% увеличивается угар, снижаются однородность и упругопластические свойства.

Сурьма в количестве 0,03-0,30 мас.% является легирующим и перлитизирующим структуру компонентом, повышающим упругопластические свойства и предел выносливости. При снижении концентрации сурьмы менее 0,03 мас.% упругопластические свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,30 мас.% снижаются характеристики предела текучести, трещиностойкости и относительного удлинения.

Дополнительное введение алюминия в количестве (0,07-0,23) мас.% обусловлено его раскисляющей и модифицирующей активностью и значительным влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. При концентрации его менее 0,07 мас.% модифицирующий эффект и упругопластические свойства низкие, а при увеличении содержания алюминия более 0,23 мас.% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры и трещиностойкость стали.

Дополнительное введение кальция 0,02-0,05 мас.% обусловлено его высокой рафинирующей активностью, он очищает границы зерен и оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая упругопластические свойства.

При концентрации его менее 0,02 мас.% модифицирующий эффект, трещиностойкость и упругопластические свойства стали низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 мас.% он полностью не растворяется в металлической основе, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.

Хром и марганец в количествах от 0,9 до 1,2 мас.% являются основными легирующими элементами, повышающими прочность, твердость, трещиностойкость, предел выносливости, коррозионную стойкость стали в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и марганца более 1,2 мас.% каждого повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает упругопластические свойства. При их концентрации менее 0,9 мас.% каждого прочность, трещиностойкость, твердость, предел текучести значительно снижаются и недостаточны.

Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального низколегированного лома, металлического марганца, низкоуглеродистого хрома, металлической сурьмы, ферросиликомарганца, ферротитана, силикокальция и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1560-1600°С, а при раскислении алюминием - 1610-1630°С. Легирование расплава ферросиликомарганцем, хромом и сурьмой производят в печи, а модифицирование - в ковше с использованием алюминотермических присадок в виде таблеток диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Для определения свойств стали заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний в сухие и жидкостекольные литейные формы. В таблице 1 приведены химические составы литейных сталей опытных плавок.

Определение прочностных свойств сталей проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм, с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 10⁷ циклов. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.

Как видно из таблицы 2, предложенная низколегированная литейная сталь обладает более высокими упругопластическими свойствами и трещиностойкостью в литых технологических пробах, чем известная.

Таблица 1
Компоненты	Содержание компонентов (железо - остальное) в литейных сталях для сплавов, мас.%
1 (Изв.)	2	3	4	5	6
Углерод	0,25	0,1	0,17	0,23	0,25	0,28
Кремний	0,35	0,12	0,17	0,27	0,35	0,41
Марганец	1,05	0,81	0,90	1,12	1,20	1,40
Хром	1,12	0,77	0,90	1,13	1,20	1,30
Титан	-	0,51	1,02	1,3	1,5	1,7
Сурьма	-	0,02	0,03	0,2	0,3	0,4
Фосфор	0,03	0,01	0,02	0,04	0,06	0,1
Сера	0,03	0,01	0,02	0,04	0,06	0,1
Алюминий	-	0,03	0,07	0,11	0,23	0,3
Кальций	-	0,01	0,02	0,03	0,05	0,07

Таблица 2
	Показатели свойств для составов литейных сталей
Свойства литейных сталей	опытных плавок
1(Изв.)	2	3	4	5	6
Предел текучести,	395	390	405	430	445	395
МПа
Относительное	12	12	15	18	17	14
удлинение, %
Склонность к
трещинообразованию (количество трещин	9,6	8,5	8,1	7,2	7,5	8,3
в пробе)
Предел
коррозионной	192	182	210	225	218	195
усталости, МПа
Относительное	21	20	25	28	27	22
сужение, %
Ударная вязкость, Дж/см2	18	18	26	37	34	24