низколегированная литейная сталь

Формула изобретения

Низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан, барий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,16-0,28
марганец	1,15-1,48
кремний	0,23-0,51
хром	0,01-0,10
никель	0,16-0,45
медь	0,23-0,57
алюминий	0,02-0,04
кальций	0,015-0,04
барий	0,015-0,04
титан	0,008-0,02
железо	остальное,

при выполнении следующих условий:

П=2C[1+Si²+Cu²+7Mn ²+10Cr²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52 6,66, где П - показатель прокаливаемости стали, мм,

Ca+Ba+Al+Ti=0,08 0,11, мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным литым сталям для ответственных деталей машин, например деталей вагонов.

Известна сталь [1], содержащая, мас.%:

Углерод	0,19-0,25
Марганец	0,5-1,2
Кремний	0,3-0,5
Хром	0,15-0,6
Никель	0,15-0,6
Алюминий	0,01-0,2
Кальций	0,0005-0,01
Иттрий	0,1-0,4
Сера	0,003-0,06
Железо	остальное.

Механические свойства этой стали превышают минимальный уровень свойств для соответствующих сталей по ГОСТ 977-88, но не всегда достаточны для экстремальных условий работы литых деталей высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Известна также сталь [2], содержащая, мас.%:

Углерод	0,10-0,20
Марганец	0,70-1,10
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,05-0,35
Никель	0,05-0,35
Медь	0,05-0,50
Алюминий	0,005-0,15
Кальций	0,001-0,05
Титан	0,005-0,025
РЗМ	0,001-0,05
Железо	остальное.

Сталь имеет недостаточно высокие механические свойства (в частности, предел текучести и ударную вязкость) для работы в экстремальных условиях больших нагрузок и отрицательных температур.

Наиболее близкой к предлагаемой является сталь [3], содержащая, мас.%:

Углерод	0,12-0,26
Марганец	0,7-1,6
Кремний	0,2-0,7
Хром	0,1-0,7
Никель	0,1-0,7
Ванадий	0,004-0,02
Алюминий	0,01-0,2
Кальций	0,0005-0,01
Азот	0,005-0,03
Титан	0,004-0,1
Барий	0,001-0,01
Железо	остальное.

Эта сталь имеет недостаточно высокие и стабильные механические свойства, особенно предел текучести, который может меняться от 250 до 350 МПа, и ударную вязкость при температурах климатического холода.

Задачей изобретения является создание в стали дисперсной структуры, состоящей из феррита, перлита и зернистого бейнита.

Технический эффект - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств стали (предела текучести, предела прочности, пластичности и ударной вязкости).

Это достигается тем, что в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, алюминий, кальций, титан и барий, дополнительно вводят медь, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,16-0,28
Марганец	1,15-1,48
Кремний	0,23-0,51
Хром	0,01-0,1
Никель	0,16-0,45
Медь	0,23-0,57
Алюминий	0,02-0,04
Кальций	0,015-0,04
Барий	0,015 -0,04
Титан	0,008-0,02
Железо	остальное.

При этом соотношение компонентов должно отвечать двум условиям:

1) П=2C[1+Si²+Cu²+7Mn²+10Cr ²+3Ni²+0,5Si(Mn+Ni)+3SiCr+MnNi+4NiCr+3CuCr]=5,52 6,66 мм,

где П - показатель прокаливаемости стали, мм, определяющий ее структуру и в указанном интервале его значений обеспечивающий оптимальное сочетание свойств после термической обработки, в том числе и после нормализации;

2) суммарное количество введенных раскислителей и модификаторов в пересчете на чистые компоненты должно составлять, мас.%:

П₂=Ca+Ba+Al+Ti=0,08 0,11.

При избытке этих компонентов ухудшается их усвоение сталью и становится возможным образование неметаллических включений неблагоприятной формы, приводящее к снижению ударной вязкости.

В качестве примесей допускается содержание в стали, мас.%: сера до 0,03, фосфор до 0,04.

Предлагаемую и известную стали выплавляли на базовой однотипной шихте на установке ИСТ-0.06 в тиглях емкостью 60 кг с кислой футеровкой по идентичной технологии для обеспечения одинаковых исходных концентраций примесей и газов. В качестве шихтовых материалов использовали отходы сталей Ст3 и 20ГЛ. Для легирования и регулирования химического состава стали использовали стандартные ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферротитан) и отходы меди, для ковшевого раскисления и модифицирования стали применяли алюминий, силикокальций, силикобарий и ферротитан. Металл в печи перегревали до 1700°С.

От каждой плавки отбирали трефовидные стандартные пробы, из которых изготавливали заготовки образцов для механических испытаний. Заготовки подвергали нормализации от 930°С. При механических испытаниях на растяжение определяли временное сопротивление разрыву _в, предел текучести _0,2, относительное удлинение , относительное сужение образцов . Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре МК-30, определяя KCU и KCV при температурах +20 и -60°С.

Химические составы сталей приведены в табл.1, результаты механических испытаний - в табл.2.

Ограничение содержания углерода в пределах 0,16-0,29% обеспечивает возможность получения в нормализованной стали хорошего сочетания прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости.

Изменения в химический состав стали внесены с целью обеспечения:

1) регулирования показателя прокаливаемости в оптимальных пределах (см. условие 1, в частности, за счет дополнительного легирования стали медью), не выходя при этом за указанные выше пределы содержания углерода,

2) более глубокого рафинирующего и модифицирующего эффекта со значительным измельчением структуры стали (см. условие 2, в частности, за счет увеличения количества вводимого кальция и бария в пределах 0,015-0,04% по каждому из них),

3) возможности формирования в структуре стали зон с ультрадисперсным зернистым бейнитом за счет более жесткого ограничения содержания марганца в пределах 1,15 1,48% и дополнительного легирования стали медью в количестве 0,23-0,57%.

В таблицах приведено сопоставление химических составов и механических свойств сопоставляемых сталей: заявляемых сталей по составам, ограниченным формулой изобретения (первые 4 состава); сталей с составами, выходящими за пределы формулы изобретения (составы 5 и 6); стали-прототипа (последний состав). Для всех составов в табл.1 приведены рассчитанные значения параметров оптимизации П₁ и П₂, а в табл.2 - примечания с характеристикой уровня достигаемых механических свойств.

Видно, что предлагаемый химический состав стали обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие и стабильные значения механических свойств, особенно прочностных свойств и ударной вязкости при отрицательных температурах.

При выходе химического состава стали за предлагаемые пределы существенно ухудшаются все свойства стали (вариант 6) или сочетание свойств (по варианту 5 при высоких прочностных свойствах значительно понижен уровень пластичности и ударной вязкости).

Источники информации

1. Низколегированная литейная сталь / Дружевский М.А., Грузных И.В., Соболев А.Ю. и др. // Авторское свидетельство СССР № 1770441, МКИ С22С 38/40.

2. Низколегированная сталь / Зикеев В.Н., Овчинников В.А., Иржов Г.Г. и др. // Патент РФ № 2002851, МКИ С22С 38/50.

3. Сталь / Рязанов А.С., Кривошеев М.И., Савин А.М. и др. // Авторское свидетельство СССР № 1463790, МКИ С22С 38/50, 38/58.

Таблица 1
№ № п/п	Химический состав сталей, мас.%	Параметры
С	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	Al	Са	Ва	Ti	П1, мм	П2, %
1	0,16	1,39	0,51	0,10	0,45	0,44	0,03	0,02	0,04	0,01	5,52	0,10
2	0,19	1,48	0,32	0,01	0,16	0,57	0,02	0,015	0,03	0,015	6,60	0,08
3	0,24	1,15	0,38	0,10	0,41	0,23	0,02	0,04	0,015	0,015	5,84	0,09
4	0,28	1,18	0,23	0,08	0,28	0,30	0,04	0,02	0,03	0,02	6,66	0,11
5	0,15	1,66	0,82	0,18	0,55	0,71	0,01	0,05	0,05	0,03	7,72	0,14
6	0,31	0,98	0,20	0,005	0,12	0,22	0,05	0,005	0,01	0,005	5,01	0,07
Прототип	0,20	0,87	0,49	0,40	0,18	-	0,01	0,01	0,01	0,01	3,78	0,05

Таблица 2
№ № п/п	Механические свойства	Примечания
в	0,2			KCU+20	KCU-60	KCV+20	KCV-60
МПа	%	Дж/см2
1	572	380	27	57	140	63	112	58	Высокий уровень всех механических свойств
2	596	392	28	60	138	62	103	54
3	580	386	28	60	136	65	110	56
4	600	395	27	58	140	61	100	54
5	606	400	24	51	120	45	74	31	Пониженный уровень пластичности и ударной вязкости
6	560	356	24	50	120	58	90	44	Пониженный уровень всех свойств
Прототип	528	350	23	44	105	51	59	28