способ получения отливок из износостойкой стали

Формула изобретения

Способ получения отливок из износостойкой стали, включающий выплавку стали, получение отливки, очистку, обрубку и двойную нормализацию, отличающийся тем, что выплавку стали производят из стали при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,20 0,40

Марганец 0,90 1,50

Кремний 0,17 0,40

Хром 1,20 1,80

Никель 0,30 0,60

Медь 0,20 0,40

Ванадий 0,15 0,30

Бор 0,001 0,01

Алюминий 0,02 0,06

Железо Остальное

нагрев под первую нормализацию ведут до 920 930^oС, выдерживают 3 - 3,5 ч, охлаждают на воздухе до 200^oС, а нагрев под повторную нормализацию проводят до 870 880^oС, выдерживают 2,5 3 ч и охлаждают на воздухе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения отливок из износостойкой стали с высокими механическими свойствами, которые могут использоваться в качестве деталей горно-обогатительного и землеройного оборудования, работающих при повышенных ударных нагрузках и подвергающихся ударно-абразивному износу, например, зубья и стенки ковшей экскаваторов, брони шаровых мельниц и дробилок, ножи бульдозера.

Известен способ получения отливок из высокомарганцевой износостойкой стали марки 110Г133Л [1] включающий выплавку ее в дуговых электропечах, получение из нее отливок в песчаных формах, их закалку в воде с температуры нагрева 1100-1150^oC и общим временем нагрева до 22 ч. при следующем соотношении в ней компонентов, мас.

Углерод 0,8 1,5

Кремний 0,5 1,0

Марганец 11 15

Фосфор Менее 0,08

Сера Менее 0,05

Железо Остальное

Недостатками способа являются: низкая технологичность стали, затрудняющая получение из нее качественных отливок, что связано с низкой ее теплопроводностью и высокой усадкой, способствующих образованию трещин при литье и термообработке и усадочных раковин и рыхлот в массивных частях отливок; плохая обрабатываемость резанием из-за высокой склонности к наклепу, поэтому из нее получают не обрабатываемые отливки, что сильно сужает область их применения; отсутствие магнитных свойств стали, что сильно затрудняет извлечение изготовленных из нее деталей из горных пород при их поломке и являются причиной поломки горно-обогатительного оборудования при их попадании в него; высокая склонность к трещинообразованию отливок при повышенном содержании в них фосфора, что требует применения очень чистых по фосфору ферросплавов и шихтовых материалов для выплавки стали, являющихся дефицитными и дорогими; необходимость применения длительного цикла термообработки отливок с очень высокой температурой нагрева, что наряду с высоким содержанием в них марганца в стали повышает их стоимость.

Известен способ получения отливок из стали 35ГЛ [2] включающий выплавку стали, получение отливки, очистку, обработку и термическую обработку, нормализацию и отпуск, заключающуюся в нагреве отливок до 900-920^oC и выдержке при ней 2 ч с последующем охлаждением на воздухе, а затем в повторном нагреве до 600-650^oC и выдержке при ней 2 ч с последующем охлаждением на воздухе.

Недостатками известного способа являются низкая прочность и твердость стали из-за отсутствия легирующих элементов и пониженного содержания в ней марганца (Рывкин Ю.Н. Коротков М.А. Чернобыльский В.Н. Металлы и их заменители. -М. Металлургия, 1973, с.124, 128), т.к. при ее составе и вида термообработки в микроструктуре содержится повышенное количество феррита, что исключает использование ее для деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа при высоких ударных нагрузках (шаровые мельницы, дробилки, экскаваторы и т.п.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения отливок из литой износостойкой стали [3] заключающийся в ее выплавке в индукционной электропечи с основной футеровкой и получением из нее отливок, подвергающихся нормализации до 880^oC, при следующем соотношении в ней компонентов, мас.

Углерод 0,40 0,50

Марганец 0,20 0,70

Кремний 0,60 1,00

Хром 1,50 2,00

Никель 0,10 0,50

Ванадий 0,02 0,25

Медь 0,10 0,30

Алюминий 0,01 0,05

Кальций 0,005 0,05

Редкоземельные металлы 0,005 0,008

Барий 0,001 0,050

Железо Остальное

Недостатками известного способа являются: низкая ударная вязкость и пониженная прочность и пластичность стали, т.к. при ее составе в микроструктуре образуется карбиды ванадия и хрома и повышенное количество оксисульфидных неметаллических включений бария, редкоземельных металлов и алюминия, что снижает вязкость, пластичность и прочность стали; применение редкоземельных металлов при выплавке стали приводит к образованию пироэффекта и большого дымовыделения, содержащего вредные вещества, что ухудшает санитарно-гигиенические и экологические условия; применение очень дорогих элементов бария, редкоземельных металлов и кальция, что увеличивает стоимость отливок.

Задачей изобретения является получение отливок из износостойкой стали с высокой ударной вязкостью, прочностью, твердостью и износостойкостью и низкой стоимостью.

Для решения указанной задачи сталь выплавляют в электропечи, получают из нее отливки, подвергают их обрубке и очистке, а затем подвергают термообработке двойной нормализации, заключающейся в первоначальном их нагреве до 920-930^oC и выдержке при ней 3-3,5 ч с последующим охлаждением на воздухе до 200^oC, а затем в поворотном нагреве до (870-880^oC и выдержке при ней 2,5-3,0 ч с последующим охлаждением на воздухе до 20^oC, при этом используют сталь следующего химического состава, мас.

Углерод 0,20 0,40

Марганец 0,90 1,50

Кремний 0,17 0,40

Хром 1,20 1,80

Никель 0,30 0,60

Медь 0,20 0,40

Ванадий 0,15 0,30

Бор 0,001 0,01

Алюминий 0,02 0,06

Железо Остальное

В результате получают отливки из износостойкой стали с мелкозернистой микроструктурой, состоящей из смеси сорбитообразного перлита, сорбита, троостита и бейнита и мелкодисперсной корбонитридной фазы бора, что обеспечивает их высокую удорную вязкость, прочность, твердость и износостокость при пониженной стоимости.

Такой способ получения отливок из износостойкой стали выбран на основе проведенных исследований влияния различного химического состава и различных способов термообработки на их микроструктуру и свойства с целью выбора оптимальных из значений.

Содержание в заявленной стали 0,20-0,40% углерода способствует получению высокой ее ударной вязкости, твердости, прочности и износостойкости. Снижение содержания углерода ниже нижнего указанного предела приводит к резкому снижению ее твердости и износостойкости, а повышение его содержания сверх верхнего указанного предела приводит к резкому снижению ее ударной вязкости. Состав легирующих элементов в заявленной стали принят такой, чтобы они усиливали положительное влияние друг друга на ее свойства.

Совместное содержание в заявленной стали легирующих элементов марганца, хрома, никеля, ванадия и меди в заявленных пределах повышает ее ударную вязкость, прочность, твердость и износостойкость вследствие упрочнения и измельчения ими микроструктуры.

При снижении содержания в заявленной стали приведенных выше элементов ниже нижнего указанного их предела существенно снижается их положительное влияние на ее свойства, а при превышении их верхнего указанного предела они резко снижают ее ударную вязкость, т.к. способствуют образованию увеличивающих ее хрупкость карбидов и трооститно-бейнитно-мартенситной структуры.

Содержание алюминия и кремния в заявленной стали принято на уровне постоянных примесей, количество которых обычно попадает в сталь при ее раскислении при выплавке.

Бор образует с содержащимся в заявленной стали углеродом мелкодисперсную упрочняющую карбонитридную фазу, что повышает ее прочность, твердость и износостойкость.

При снижении содержания бора в заявленной стали ниже нижнего указанного предела резко снижается его положительное влияние на ее свойства, а при превышении верхнего указанного предела он снижает ее ударную вязкость.

Применение двойной нормализации отливок из заявленной стали в наибольшей степени способствует повышению их вязкости, твердости, прочности и износостойкости вследствие образования в них равновесной мелкозернистой микроструктуры, состоящей из смеси сорбитообразного перлита, сорбита, троостита, бейнита и мелкодисперсной упрочняющей корбонитридной фазы бора, и исключению образования термических трещин, обычно сопутствующих закалке с отпуском. Наилучшие свойства при этом достигаются при нагреве отливок при первой нормализации до 920-930^oC и выдержке при ней 3-3,5 ч с последующим их охлаждением на воздухе до 200^oC, а при второй до 870-880^oC, выдержке при ней 2,5-3 ч и последующим их охлаждением на воздухе до 20^oC.

Снижение температуры нагрева и времени выдержки при нормализации отливок ниже нижних указанных процессов и получение указанной выше микроструктуры стали в них и поэтому не повышает их свойств, а превышение же их выше верхних указанных пределов приводит к росту зерна в их микроструктуре и короблению, что снижает их свойства.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в достижении высокой ударной вязкости, прочности, твердости и износостойкости отливок, что повышает их эксплуатационную стойкость.

Это достигается получением в отливках мелкозернистой равновесной микроструктуры, состоящей из смеси сорбитообразного перлита, сорбита, троостита и бейнита и мелкодисперсной упрочняющей корбонитридной фазы бора, и исключением образования термических трещин в них. Такие отливки могут использоваться в качестве сменных быстроизнашивающихся деталей, например, зубьев ковшей экскаваторов, фетуровок и других деталей шаровых мельниц и дробилок, мелющих шаров и других деталей в горнорудной промышленности, где одновременно требуется высокая абразивно-ударная износостойкость и ударопрочность.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технических приемов и средств.

Плавку стали осуществляют в плавильных электродуговых или индукционных электропечах. Отливки получают путем заливки жидкой стали в литейные формы. После извлечения из форм отливки подвергают очистке и обрубке обычно применяемыми для этого способами. Очищенные и обрубленные отливки подвергают термической обработке двойной нормализации в обычно применяемых для этих целей термических печах. Химический состав, механические свойства и микроструктуру отливок проверяют стандартными методами.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивает получение качественных отливок с заявленными свойствами.

Пример: В индукционной плавильной электропечи распыляли шихтовые материалы и получали жидкую сталь известного состава /3/. Таким же способом получали сталь заявленного состава с содержанием компонентов, мас.

Углерод 0,31

Марганец 1,34

Кремний 0,32

Хром 1,43

Никель 0,44

Медь 0,27

Ванадий 0,24

Бор 0,006

Алюминий 0,05

Железо Остальное

Из жидкой стали получали отливки стандартных проб, обычно используемых для определения химического состава, механических свойств и микроструктуры стали. Полученные отливки проб подвергали обрубке и очистке, после чего их подвергали термической обработке. Отливки из заявленной стали подвергали двойной нормализации, при этом первую нормализацию их осуществляли путем нагрева до 925^oC и выдерживали при ней 3 ч и 15 мин с последующим охлаждением на воздухе до 200^oC, после чего производили вторую нормализацию путем нагрева до 875^oC и выдерживали при ней 3 ч с последующим охлаждением на воздухе до 20^oC.

Отливки из известной стали подвергали нормализации до 880^oC /3/. Химический состав, механические свойства и микроструктуру стали определяли стандартными методами. Износостойкость отливок определяли путем изнашивания изготовленных из них образцов по закрепленному абразиву на машине трения Х4Б. Сравнительные свойства отливок, полученных известным и заявленным способами, приведены в таблице. Из таблицы видно, что свойства отливок, полученных заявленным способом, выше аналогичных свойств отливок, полученных известным способом, а именно ударная вязкость в 2,2 раза, прочность и твердость в 1,1 раза, пластичность в 3 и 4 раза, относительная абразивная износостойкость 1,23 раза. Стоимость отливок, полученных заявленным способом, на 7% ниже стоимости отливок, полученных известным способом. Заявленным способом получены отливки зуба ковша восьмикубового карьерного экскаватора и деталей шаровых мельниц, перерабатывающих железную руду. Эксплуатационная стойкость этих отливок высокая.

Источники информации.

1. Свойства стали Г13Л и современная технология ее выплавки в электропечах. /Сборники статей под.ред. А.Соколова. М. ВПТИст-ройдормаш. 1958, 105с.

2. Шиколаев В.П. Новая технология термической обработки отливок из стали 35ГЛ. Металловедение и термическая обработка металлов, 1966, N 7, с.72.

3. Авторское свидетельство СССР N 1654369, кл. C 22 C 38/46, 1991.