RU2026408C1

RU2026408C1 - Steel

Info

Publication number: RU2026408C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Астафьев; В.И. Зема; В.Е. Сыч; В.П. Кривошеев; А.И. Боровко; В.Т. Алексеенко; Л.Л. Литвиненко; Ю.С. Егошин
Original assignee: Научно-производственное объединение по технологии машиностроения
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: metallurgy, machine engineering. SUBSTANCE: steel has components at the following ratio, wt.-%: carbon 0.9-1.1; manganese 10.0-12.5; chrome 0.95-1.25; silicon 0.2-0.6; aluminium 0.05-0.10; calcium 0.001-0.006; rare-earth metals 0.085-0.20, and iron - the rest. Ratio between manganese and chrome is set by the following equation: 8≅ Mn/Cr ≅ 13, and ratio between carbon and manganese - by the equation: 10 x %C + %Mn = 19-23.5. Steel can contain impurities: , wt. -%: sulfur less than 0.03; phosphorus less than 0.08, and trace of molybdenum, niobium, vanadium, nitrogen and antimony also. EFFECT: enhanced impact strength and wear resistance. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности к созданию сталей, которые могут быть использованы для изготовления деталей горнорудного оборудования, работающего в условиях ударных нагрузок и абразивного износа, например козырьки и черпаки экскаваторов, бронефутеровочные плиты. The invention relates to metallurgy and mechanical engineering, in particular to the creation of steels that can be used for the manufacture of parts for mining equipment operating under shock loads and abrasive wear, for example, visors and scoops of excavators, armored lining plates.

Известна аустенитная марганцовистая сталь, упрочняемая при деформации, состоящая из следующих компонентов, мас.%: Углерод 0,7-1,7 Марганец 5,0-18,0 Хром 0-3,0 Никель 0-4,0 Молибден 0-2,5 Фосфор менее 0,1 Титан 0-0,05 Цирконий 0-0,05 Сумма титана и циркония 0,002-0,05 Железо Остальное
Пределы изменения содержания углерода и основных легирующих элементов в этой стали столь широки, что при их определенном сочетании может наблюдаться резкое ухудшение качества стали. Например, при содержании марганца на нижнем пределе возможно образование мартенсита, приводящее к охрупчиванию. При содержании углерода, хрома и молибдена на верхнем пределе наблюдается обильное выпадение карбидов в стали, вызывающее резкое снижение ударной вязкости и уменьшение способности к наклепу. Все это в совокупности резко снижает эксплуатационную стойкость деталей, изготовленных из этой стали.Known austenitic manganese steel, hardened by deformation, consisting of the following components, wt.%: Carbon 0.7-1.7 Manganese 5.0-18.0 Chromium 0-3.0 Nickel 0-4.0 Molybdenum 0-2 5 Phosphorus less than 0.1 Titanium 0-0.05 Zirconium 0-0.05 Sum of titanium and zirconium 0.002-0.05 Iron Else
The limits of changes in the carbon content and the main alloying elements in this steel are so wide that, with a certain combination of them, a sharp deterioration in the quality of steel can be observed. For example, when the manganese content is at the lower limit, martensite may form, leading to embrittlement. With the content of carbon, chromium and molybdenum at the upper limit, abundant precipitation of carbides in steel is observed, causing a sharp decrease in toughness and a decrease in the ability to harden. All this in combination sharply reduces the operational durability of parts made of this steel.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является сталь, состоящая из следующих компонентов, мас.%: Углерод 0,9-1,5 Марганец 9-15,5 Хром 0,2-0,7 Кремний 0,3-0,7 Молибден 0,05-0,3 Ванадий 0,02-0,3 Ниобий 0,01-0,2 Азот 0,01-0,07 Алюминий 0,01-0,2 Сурьма 0,01-0,07
Вместо сурьмы сталь может содержать или кальций, или магний, или РЗМ в количестве 0,01-0,08% . Сера Менее 0,020 Фосфор Менее 0,040 Железо Остальное
Однако и эта сталь имеет существенные недостатки. Повышенное содержание углерода до 1,5% и марганца до 15,5% снижает вязкость стали и увеличивает чувствительность к трещинообразованию при отливке. Низкое содержание хрома в стали-прототипе 0,2-0,7% не обеспечивает стабильность аустенита при охлаждении. В результате выделяются карбиды, снижаются ударная вязкость и износостойкость.Closest to the technical nature of the invention is steel, consisting of the following components, wt.%: Carbon 0.9-1.5 Manganese 9-15.5 Chromium 0.2-0.7 Silicon 0.3-0.7 Molybdenum 0.05-0.3 Vanadium 0.02-0.3 Niobium 0.01-0.2 Nitrogen 0.01-0.07 Aluminum 0.01-0.2 Antimony 0.01-0.07
Instead of antimony, steel may contain either calcium, or magnesium, or rare-earth metals in an amount of 0.01-0.08%. Sulfur Less than 0.020 Phosphorus Less than 0.040 Iron Else
However, this steel has significant disadvantages. Increased carbon content up to 1.5% and manganese up to 15.5% reduces the viscosity of steel and increases the sensitivity to cracking during casting. The low chromium content in the steel of the prototype of 0.2-0.7% does not provide stability of austenite during cooling. As a result, carbides are released, toughness and wear resistance are reduced.

Исследования показали, что наличие в стали типа Г13Л сильных карбидообразующих элементов: ванадия и ниобия - оказывает отрицательное влияние на свойства стали, снижая ударную вязкость и износостойкость вследствие выделения из аустенита специальных карбидов. Studies have shown that the presence of strong carbide-forming elements in vanadium type G13L: vanadium and niobium - has a negative effect on the properties of steel, reducing toughness and wear resistance due to the release of special carbides from austenite.

Такое же отрицательное действие оказывает и азот, который в этой стали образовывает стойкие нитриды, снижающие вязкость и износостойкость стали. Nitrogen also has the same negative effect, which forms stable nitrides in this steel, which reduce the viscosity and wear resistance of steel.

Предложенное в стали-прототипе содержание молибдена слишком мало и поэтому неэффективно в части влияния на стабильность аустенита. Оно может быть с успехом заменено более высоким содержанием хрома в стали. The molybdenum content proposed in the steel prototype is too low and therefore ineffective in terms of the effect on the stability of austenite. It can be successfully replaced with a higher chromium content in steel.

Слишком низко и поэтому мало эффективно в стали-прототипе содержание модифицирующих добавок сурьмы или РЗМ в количестве 0,01-0,08%. Для обеспечения благоприятного влияния модифицирования необходимо одновременно вводить в сталь и кальций и РЗМ, при этом количество РЗМ должно быть повышено. Too low and therefore not very effective in the steel prototype, the content of modifying additives of antimony or rare-earth metals in an amount of 0.01-0.08%. To ensure the beneficial effect of the modification, it is necessary to simultaneously introduce both calcium and rare-earth metals into steel, while the number of rare-earth metals should be increased.

Целью изобретения является повышение ударной вязкости и сопротивления износу за счет повышения способности стали к наклепу. The aim of the invention is to increase the toughness and wear resistance by increasing the ability of steel to harden.

Указанная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, хром, алюминий, кальций, РЗМ, серу, фосфор, железо, согласно изобретению имеет следующий состав, мас.%: Углерод 0,90-1,10 Марганец 10,0-12,5 Хром 0,95-1,25 Кремний 0,20-0,60 Алюминий 0,05-0,10 Кальций 0,001-0,006 РЗМ 0,085-0,2 Сера менее 0,03 Фосфор менее 0,08 Железо Остальное, при этом соотношение между марганцем и хромом удовлетворяет выражению
8 ≅

≅ 13 (1), а соотношение между углеродом и марганцем удовлетворяет выражению
10 х %С + %Мn = 19-23,5 (2).This goal is achieved in that the steel containing carbon, manganese, chromium, aluminum, calcium, rare-earth metals, sulfur, phosphorus, iron, according to the invention has the following composition, wt.%: Carbon 0.90-1.10 Manganese 10.0- 12.5 Chromium 0.95-1.25 Silicon 0.20-0.60 Aluminum 0.05-0.10 Calcium 0.001-0.006 REM 0.085-0.2 Sulfur less than 0.03 Phosphorus less than 0.08 Iron Else, the ratio between manganese and chromium satisfies the expression
8 ≅

≅ 13 (1), and the ratio between carbon and manganese satisfies the expression
10 x% C +% Mn = 19-23.5 (2).

Сталь может содержать примеси: следы ниобия, молибдена, ванадия, азота и сурьмы. Steel may contain impurities: traces of niobium, molybdenum, vanadium, nitrogen and antimony.

Содержание в марганцовистой аустенитной стали хрома в количестве 0,95-1,25 мас. % при заданном количестве и соотношении углерода и марганца увеличивает ударную вязкость и износостойкость стали при ударном нагружении за счет увеличения прокаливаемости и повышения способности к наклепу. The content in the manganese austenitic steel of chromium in the amount of 0.95-1.25 wt. % at a given amount and ratio of carbon to manganese increases the toughness and wear resistance of steel under shock loading due to an increase in hardenability and an increase in hardenability.

При содержании хрома ниже нижнего предела происходит уменьшение прокаливаемости, в структуре наблюдается выпадение карбидов, ударная вязкость снижается, способность к наклепу и износостойкость стали уменьшаются. When the chromium content is below the lower limit, hardenability decreases, carbides precipitate in the structure, impact strength decreases, hardenability and wear resistance of steel decrease.

При содержании хрома выше верхнего предела наблюдается интенсивное выпадение карбидов и это приводит к снижению ударной вязкости и износостойкости. When the chromium content is above the upper limit, an intensive precipitation of carbides is observed and this leads to a decrease in toughness and wear resistance.

Содержание хрома зависит от количества марганца в стали, ибо и тот и другой элемент увеличивают прокаливаемость стали, затрудняют выпадение избыточных карбидов, которые отрицательно влияют на все свойства стали. Поэтому при увеличении содержания марганца в рамках заданного состава целесообразно снижать количество хрома в пределах, оговоренных выражением (1), иначе появятся избыточные карбиды, снижаются ударная вязкость и износостойкость. The chromium content depends on the amount of manganese in the steel, because both of these elements increase the hardenability of steel, making it difficult to deposit excess carbides, which negatively affect all the properties of steel. Therefore, with an increase in the manganese content within a given composition, it is advisable to reduce the amount of chromium within the limits specified by expression (1), otherwise excess carbides will appear, impact strength and wear resistance will decrease.

При снижении содержания марганца в рамках заданного состава целесообразно увеличивать количество хрома в пределах, оговоренных выражением (1), иначе может проявиться пониженная прокаливаемость стали, в процессе термической обработки выпадают карбиды, уменьшаются ударная вязкость и износостойкость. With a decrease in the manganese content within a given composition, it is advisable to increase the amount of chromium within the limits specified by expression (1), otherwise reduced hardenability of the steel may appear, carbides precipitate during heat treatment, and impact strength and wear resistance decrease.

В свою очередь, необходимо регламентировать количество и соотношение углерода и марганца по уравнению (2). Углерод и марганец являются основными элементами, которые, находясь в твердом растворе, придают стали способность интенсивно наклепываться при приложении нагрузки и в связи с этим увеличивать износостойкость. Поэтому при снижении суммарного содержания углерода и марганца ниже нижнего предела, оговоренного уравнением (2), наблюдается уменьшение износостойкости вследствие снижения способности стали к наклепу. In turn, it is necessary to regulate the amount and ratio of carbon and manganese according to equation (2). Carbon and manganese are the main elements that, being in a solid solution, give the steel the ability to intensively rivet under application of a load and, therefore, increase wear resistance. Therefore, with a decrease in the total carbon and manganese content below the lower limit specified by equation (2), a decrease in wear resistance is observed due to a decrease in the ability of steel to harden.

При увеличении суммарного содержания углерода и марганца выше верхнего предела, оговоренного уравнением (2), происходит выделение карбидов, что вызывает снижение вязкости и износостойкости. With an increase in the total carbon and manganese content above the upper limit specified by equation (2), carbides precipitate, which causes a decrease in viscosity and wear resistance.

В предлагаемой стали в отличие от прототипа не содержится сильных карбидообразующих элементов: ванадия и ниобия, а также азота, которые по исследованиям оказывают отрицательное воздействие на свойства стали, вызывая образование специальных карбидов и нитридов, снижающих ударную вязкость и износостойкость. The proposed steel, unlike the prototype, does not contain strong carbide-forming elements: vanadium and niobium, as well as nitrogen, which, according to research, have a negative effect on the properties of steel, causing the formation of special carbides and nitrides that reduce toughness and wear resistance.

В предлагаемой стали не содержится также молибдена, который заменен на более высокое содержание хрома. The proposed steel also does not contain molybdenum, which is replaced by a higher chromium content.

Предлагаемая сталь в отличие от стали-прототипа обязательно содержит кальций в пределах 0,001-0,006 мас.%. Кальций, являясь хорошим раскислителем и дегазатором, существенно улучшает свойства стали. The proposed steel, unlike the prototype steel, necessarily contains calcium in the range of 0.001-0.006 wt.%. Calcium, being a good deoxidizer and degasser, significantly improves the properties of steel.

При содержании кальция менее 0,001 мас.% его действие неэффективно вследствие малого содержания. При содержании кальция более 0,006 мас.% увеличивается количество продуктов раскисления в стали, снижающих ее качество и в первую очередь ударную вязкость. When the calcium content is less than 0.001 wt.%, Its effect is ineffective due to the low content. When the calcium content of more than 0.006 wt.% Increases the number of deoxidation products in steel, reducing its quality and primarily impact strength.

Предлагаемая сталь в отличие от стали-прототипа обязательно содержит РЗМ в пределах 0,085-0,2 мас.%. Введение в сталь РЗМ в указанном количестве обеспечивает модифицирующее воздействие, связывает азот и серу, приводит к образованию мелких и равномерно распределенных неметаллических включений, обеспечивает измельчение зерна, способствующее повышению ударной вязкости и износостойкости стали. The proposed steel, in contrast to the prototype steel, necessarily contains rare-earth metals in the range of 0.085-0.2 wt.%. The introduction of rare-earth metals in steel in the specified amount provides a modifying effect, binds nitrogen and sulfur, leads to the formation of small and evenly distributed non-metallic inclusions, provides grain refinement, which contributes to an increase in the toughness and wear resistance of steel.

При содержании в стали РЗМ менее 0,085 мас.% модифицирующее воздействие РЗМ проявляется слабо, измельчения зерна не происходит и свойства стали не улучшаются. При содержании РЗМ более 0,2 мас.% наблюдается повышение избыточного содержания РЗМ в твердом растворе стали, что приводит к снижению вязкости стали. When the content of rare-earth metals in steel is less than 0.085 wt.%, The modifying effect of rare-earth metals is weak, grain refinement does not occur and the properties of the steel do not improve. When the content of rare-earth metals is more than 0.2 wt.%, An increase in the excess content of rare-earth metals in the solid solution of steel is observed, which leads to a decrease in the viscosity of steel.

Проводилось исследование свойств на четырех опытных составах предлагаемой стали (плавки 1-4), одном составе стали, использованной в качестве прототипа (плавка 7) и на двух плавках (плавки 5 и 6), имеющих отклонения от заданного состава. The properties were studied on four experimental compositions of the proposed steel (melts 1-4), one composition of the steel used as a prototype (melting 7) and on two melts (melts 5 and 6) that have deviations from the given composition.

Химический состав исследованных сталей представлен в табл. 1. The chemical composition of the studied steels is presented in table. 1.

Выплавка сталей проводилась в шестидесятикилограммовой индукционной печи с основным тиглем. Разливка стали осуществлялась в четырехлепестковые трефы (толщина лепестка 18 мм). Трефы проходили термическую обработку по режиму: нагрев до 1150^оС, выдержка 2 ч, охлаждение в воде.Steel was smelted in a sixty-kilogram induction furnace with a main crucible. Steel casting was carried out in four-petal clubs (petal thickness 18 mm). Trefil passed the heat treatment under the regime: heating to 1150 ^{° C,} holding 2 hours, cooling in water.

Проводились исследования качества всех выплавленных сталей: изучалась микроструктура, определялась ударная вязкость, замерялась твердость по Бринеллю в исходном после термообработки состоянии, а также после ударного нагружения падающим грузом с энергией удара 1,5 тм. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Studies of the quality of all smelted steels were carried out: the microstructure was studied, the toughness was determined, the Brinell hardness was measured in the initial state after heat treatment, and also after impact loading by a falling load with an impact energy of 1.5 tm. The test results are presented in table. 2.

В плавках описываемой стали (плавки 1-4) после термической обработки по указанному режиму наблюдается однородная структура аустенита без выделений карбидов. В плавке известной стали (плавка 7), а также в плавках, имеющих отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6), наблюдаются выделения карбидов. Таким образом, описываемая сталь в отличие от известной стали имеет однородную структуру аустенита без выделений карбидов. In the melts of the steel described (melts 1–4), after heat treatment according to the indicated regime, a uniform austenite structure without precipitation of carbides is observed. In smelting of known steel (smelting 7), as well as in smelting having deviations from a given composition (smelting 5 and 6), carbide precipitates are observed. Thus, the described steel, in contrast to the known steel, has a uniform austenite structure without precipitating carbides.

Такая структура описываемой стали (плавки 1-4) обеспечивает получение высоких значений ударной вязкости, которые значительно превосходят свойства известной стали (плавка 7), а также сталей, имеющих отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6) (см. табл. 2). Such a structure of the described steel (melts 1-4) provides high impact strengths that significantly exceed the properties of the known steel (melting 7), as well as steels having deviations from the given composition (melting 5 and 6) (see table 2) .

Исходная твердость всех исследованных сталей несущественно различается, хотя отмечается небольшое повышение твердости у плавок (1-4) описываемой стали. Однако твердость после наклепа ударом с энергией 1,5 тм повышается значительно более интенсивно в плавках 1-4 описываемой стали по сравнению с известной сталью (плавка 7) и плавками, имеющими отклонения от заданного состава (плавки 5 и 6) (см. табл. 2). The initial hardness of all the studied steels differs insignificantly, although there is a slight increase in hardness in the melts (1-4) of the described steel. However, the hardness after hardening by impact with an energy of 1.5 tm increases significantly more intensively in melts 1–4 of the described steel compared to the known steel (melt 7) and melts having deviations from the given composition (melts 5 and 6) (see table. 2).

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что описываемая сталь в отличие от известной стали имеет более благоприятную однородную структуру аустенита, высокие значения ударной вязкости и обладает повышенной способностью к наклепу, что обеспечивает при эксплуатации этой стали длительную работоспособность в условиях ударных нагрузок и воздействия износа, что является особенно важным для горнорудного оборудования. Thus, as a result of the studies, it was found that the described steel, in contrast to the known steel, has a more favorable uniform austenite structure, high impact toughness and has high hardening ability, which ensures the long-term operation of this steel under shock loads and wear , which is especially important for mining equipment.

Claims

STEEL containing carbon, manganese, chromium, silicon, aluminum, calcium, rare earth metals, iron, characterized in that, in order to increase toughness and wear resistance, it contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.90 - 1.10
Manganese - 10.0 - 12.5
Silicon - 0.20 - 0.60
Aluminum - 0.05 - 0.10
Calcium - 0.001 - 0.006
Chrome - 0.96 - 1.25
Rare earth metals - 0.085 - 0.20
Iron - Else
the following relationships are true:

10 carbon + manganese = 19 + 23.5.