RU2414523C2

RU2414523C2 - Structure low alloyed cast steel

Info

Publication number: RU2414523C2
Application number: RU2009107453/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Алов (RU); Виктор Анатольевич Алов; Михаил Иванович Карпенко (BY); Михаил Иванович Карпенко; Олег Модестович Епархин (RU); Олег Модестович Епархин; Александр Николаевич Попков (RU); Александр Николаевич Попков; Ирина Марковна Соцкая (RU); Ирина Марковна Соцкая; Валентина Шагаровна Дайникова (RU); Валентина Шагаровна Дайникова; Ульяна Сергеевна Бадюкова (BY); Ульяна Сергеевна Бадюкова; Вера Федоровна Ершова (RU); Вера Федоровна Ершова
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2011-03-20
Also published as: RU2009107453A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: steel contains carbon, silicon, manganese, chromium, chromium, nickel, calcium, aluminium, nitrogen, sulphur, phosphorus and iron at following ratio of components, wt %: carbon 0.30 - 0.35, silicon 0.20 - 0.40, manganese 0.20 - 0.35, chromium 0.15 - 0.35, nickel 0.02 - 0.06, calcium 0.02 - 0.05, aluminium 0.02 - 0.05, nitrogen 0.002 - 0.03, sulphur 0.01 - 0.04, phosphorus 0.02 - 0.04, iron - the rest.

EFFECT: increased elastoplastic properties, wear resistance and fracture strength.

2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкционным низколегированным литейным сталям, используемым для изготовления ответственных деталей машин и механизмов с толщиной стенок до 50 мм, работающих при ударных и циклически изменяющихся нагрузках и в условиях трения (балансиры, барабаны, кронштейны, катки и др.).The invention relates to the field of metallurgy, in particular to structural low alloy casting steels used for the manufacture of critical parts of machines and mechanisms with wall thicknesses up to 50 mm, operating under shock and cyclically changing loads and under friction conditions (balancers, drums, brackets, rollers, etc. .).

Известна конструкционная низколегированная литейная сталь (А.с. СССР №595419, МПК С22С 38/50, 1978), содержащая, мас.%:Known structural low alloy cast steel (AS USSR No. 595419, IPC C22C 38/50, 1978), containing, wt.%:

УглеродCarbon 0,15-0,200.15-0.20 КремнийSilicon 0,30-0,600.30-0.60 МарганецManganese 1,20-1,501.20-1.50 ХромChromium 1,20-1,501.20-1.50 НикельNickel 1,80-2,201.80-2.20 МолибденMolybdenum 0,20-0,300.20-0.30 МедьCopper 0,80-1,200.80-1.20 ТитанTitanium 0,10-0,150.10-0.15 ЦерийCerium 0,05-0,100.05-0.10 ВанадийVanadium 0,10-0,150.10-0.15 КальцийCalcium 0,03-0,080.03-0.08 АзотNitrogen 0,008-0,020.008-0.02 БарийBarium 0,05-0,100.05-0.10 ЖелезоIron остальное.rest.

Известная сталь имеет высокую прочность и износостойкость, но низкую ударную вязкость и повышенную склонность к трещинообразованию.Known steel has high strength and wear resistance, but low toughness and increased tendency to crack formation.

Известна также конструкционная низколегированная сталь (А.с. ЧССР №185825, МПК С22С 38/44, 1980) следующего состава, мас.%:Also known is structural low alloy steel (A.S. Czechoslovakia No. 185825, IPC С22С 38/44, 1980) of the following composition, wt.%:

УглеродCarbon 0,25-0,350.25-0.35 КремнийSilicon 0,40-0,600.40-0.60 МарганецManganese 0,40-0,800.40-0.80 НикельNickel 0,40-0,600.40-0.60 ХромChromium 0,50-0,700.50-0.70 МолибденMolybdenum 0,40-0,600.40-0.60 ВанадийVanadium 0,05-0,100.05-0.10 ФосфорPhosphorus до 0,025up to 0.025 СераSulfur до 0,025up to 0.025 ЖелезоIron остальное.rest.

Эта сталь с большим содержанием легирующих добавок обладает высокой твердостью и износостойкостью, но низкими показателями ударной вязкости и используется только для массивных отливок, не подвергаемых ударным нагрузкам.This steel with a high content of alloying additives has high hardness and wear resistance, but low impact strength and is used only for massive castings that are not subjected to impact loads.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкционная низколегированная литейная сталь марки 32Х06Л (ГОСТ 977-88), содержащая, мас.%:The closest in technical essence and the achieved effect is structural low alloy cast steel grade 32X06L (GOST 977-88), containing, wt.%:

УглеродCarbon 0,25-0,350.25-0.35 КремнийSilicon 0,20-0,400.20-0.40 МарганецManganese 0,40-0,900.40-0.90 ХромChromium 0,50-0,800.50-0.80 ФосфорPhosphorus до 0,05up to 0.05 СераSulfur до 0,05up to 0.05 ЖелезоIron остальное.rest.

После закалки и отпуска известная сталь обладает следующими свойствами: предел текучести - 441-450 МПа; ударная вязкость - 49,1-53,0 Дж/см²; средний износ при сухом трении - 420-450 мг/гс. Известная сталь склонна к трещинам и обладает низкой пластичностью. Относительное удлинение составляет 10-12%.After quenching and tempering, the known steel has the following properties: yield strength - 441-450 MPa; impact strength - 49.1-53.0 J / cm ² ; the average wear during dry friction is 420-450 mg / g. Known steel is prone to cracking and has low ductility. Elongation is 10-12%.

Задачей данного технического решения является повышение упругопластических свойств, износо- и трещиностойкости стали.The objective of this technical solution is to increase the elastoplastic properties, wear and crack resistance of steel.

Поставленная задача решается тем, что конструкционная низколегированная литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит никель, кальций, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is solved in that the structural low-alloy cast steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, phosphorus, sulfur and iron additionally contains nickel, calcium, aluminum and nitrogen in the following ratio of components, wt.%:

УглеродCarbon 0,30-0,350.30-0.35 КремнийSilicon 0,20-0,400.20-0.40 МарганецManganese 0,20-0,350.20-0.35 ХромChromium 0,15-0,350.15-0.35 НикельNickel 0,02-0,060.02-0.06 КальцийCalcium 0,02-0,050.02-0.05 АлюминийAluminum 0,02-0,050.02-0.05 ФосфорPhosphorus 0,02-0,040.02-0.04 СераSulfur 0,01-0,040.01-0.04 АзотNitrogen 0,002-0,030.002-0.03 ЖелезоIron остальное.rest.

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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.The analysis of the proposed technical solution showed that at the moment there are no known technical solutions that would reflect the indicated differences. In addition, these signs are necessary and sufficient to achieve the positive effect indicated in the purpose of the invention. This allows us to conclude that these differences are significant.

Никель 0,02-0,06% и хром в количестве от 0,15 до 0,35% являются основными микролегирующими элементами, повышающими твердость, износостойкость, предел выносливости стали в отливках. Однако при увеличении концентрации никеля и хрома соответственно более 0,06% и 0,35% повышается содержание в структуре по границам зерен карбидов и карбонитридов, что снижает трещиностойкость, эксплуатационные и упругопластические свойства. При их концентрации соответственно менее 0,02% и 0,15% прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются и недостаточны.Nickel 0.02-0.06% and chromium in an amount of from 0.15 to 0.35% are the main microalloying elements that increase hardness, wear resistance, endurance of steel in castings. However, with an increase in the concentration of nickel and chromium more than 0.06% and 0.35%, respectively, the content in the structure along the grain boundaries of carbides and carbonitrides increases, which reduces crack resistance, operational and elastoplastic properties. At their concentration, respectively, less than 0.02% and 0.15%, strength, hardness, wear resistance and endurance limit are significantly reduced and insufficient.

Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% кальция обусловлено высокой его модифицирующей способностью и химической активностью, что оказывает значительное влияние на форму и дисперсность структурных составляющих металлической основы, существенно повышая износостойкость, упругопластические свойства и трещиностойкость. При концентрации его менее 0,02% микролегирующее действие и дисперсность структуры недостаточны, а при увеличении содержания кальция более 0,05% значительно повышается угар и снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.The additional introduction of 0.02-0.05% calcium into steel is due to its high modifying ability and chemical activity, which has a significant effect on the shape and dispersion of the structural components of the metal base, significantly increasing wear resistance, elastoplastic properties and crack resistance. At a concentration of less than 0.02%, the microalloying effect and dispersion of the structure are insufficient, and with an increase in the calcium content of more than 0.05%, fumes increase significantly and the uniformity of the structure and elastoplastic properties decrease.

Содержание углерода 0,30-0,35% и кремния 0,2-0,4% принято исходя из опыта производства литейных сталей для отливок с перлитной структурой и с высокими характеристиками пластичности. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 0,35% и 0,40% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются упругопластические характеристики стали, а при снижении их концентрации соответственно ниже 0,30% и 0,20% увеличивается содержание феррита в структуре и снижаются твердость, предел текучести, износостойкость и литейные свойства.The carbon content of 0.30-0.35% and silicon 0.2-0.4% is based on experience in the production of foundry steels for castings with a pearlite structure and with high ductility characteristics. With an increase in the concentration of carbon and silicon, respectively, above 0.35% and 0.40%, the residual thermal stresses in the castings increase and the elastoplastic characteristics of the steel decrease, and with a decrease in their concentration, respectively, below 0.30% and 0.20%, the ferrite content in the structure increases and reduced hardness, yield strength, wear resistance and casting properties.

Содержание марганца снижено до концентрации 0,20-0,35%, так как при содержании более 0,35% он снижает ударную вязкость и увеличивает склонность к трещинам. При концентрации марганца менее 0,20% износостойкость в отливках недостаточна.The manganese content is reduced to a concentration of 0.20-0.35%, since when the content is more than 0.35%, it reduces the toughness and increases the tendency to cracks. When the concentration of manganese is less than 0.20%, the wear resistance in the castings is insufficient.

Дополнительное введение азота в количестве 0,002-0,03% обусловлено его влиянием на дисперсность структуры и повышение упругопластических свойств. Снижение пластичности отмечается при повышении содержания азота более 0,03%. При концентрации его менее 0,002% износостойкость и упругопластические свойства недостаточны.The additional introduction of nitrogen in an amount of 0.002-0.03% is due to its effect on the dispersion of the structure and increase elastoplastic properties. A decrease in ductility is noted with an increase in nitrogen content of more than 0.03%. When its concentration is less than 0.002%, wear resistance and elastoplastic properties are insufficient.

Дополнительное введение в сталь 0,02-0,05% алюминия обусловлено его высокой раскисляющей и нитридообразующей способностью, которая оказывает значительное влияние на дисперсность структуры, повышая упругопластические свойства. При концентрации его менее 0,02% дисперсность структуры недостаточна, а при увеличении содержания его более 0,05% повышается концентрация нитридов алюминия по границам зерен, что снижает однородность структуры и упругопластические свойства стали.An additional introduction of 0.02-0.05% aluminum into steel is due to its high deoxidizing and nitride-forming ability, which has a significant effect on the dispersion of the structure, increasing the elastoplastic properties. With a concentration of less than 0.02%, the dispersion of the structure is insufficient, and with an increase in its content of more than 0.05%, the concentration of aluminum nitrides at the grain boundaries increases, which reduces the uniformity of the structure and the elastoplastic properties of steel.

При содержании серы в количестве от 0,01 до 0,04% не отмечается снижение упругопластических свойств, износостойкости, предела выносливости и эксплуатационных свойств. Для снижения концентрации серы менее 0,01% необходимы более чистые и дорогие шихтовые материалы и ферросплавы, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.When the sulfur content in an amount of from 0.01 to 0.04%, there is no decrease in elastoplastic properties, wear resistance, endurance limit and operational properties. To reduce the sulfur concentration of less than 0.01%, cleaner and more expensive charge materials and ferroalloys are needed, and with an increase in its content of more than 0.04%, the characteristics of impact strength, wear resistance and crack resistance are reduced.

Фосфор является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим литейные свойства, износостойкость и предел выносливости. Его содержание в количестве от 0,02 до 0,04% обеспечивает существенное повышение трещиностойкости, предела выносливости и литейных свойств. При снижении концентрации фосфора менее 0,02% литейные свойства и трещиностойкость недостаточны, а при увеличении ее содержания более 0,04% снижаются характеристики ударной вязкости, износостойкости и трещиностойкости.Phosphorus is a perlitizing structure component that improves casting properties, wear resistance and endurance. Its content in an amount of from 0.02 to 0.04% provides a significant increase in crack resistance, endurance and casting properties. With a decrease in phosphorus concentration of less than 0.02%, the casting properties and crack resistance are insufficient, and with an increase in its content of more than 0.04%, the characteristics of impact strength, wear resistance and crack resistance decrease.

Опытные плавки литейных сталей проводят в индукционных тигельных среднечастотных печах с использованием стального лома, низкоуглеродистого феррохрома, азотированного ферромарганца, ферроникеля и других ферросплавов. Температура расплава перед рафинированием 1650-1670°С. Легирование феррохромом, азотированным ферромарганцем и ферроникелем, производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - алюминотермическими таблетками, содержащими силикокальций, - в стопорном ковше. Для определения свойств сталей 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.Experimental melting of foundry steels is carried out in induction crucible medium-frequency furnaces using steel scrap, low-carbon ferrochrome, nitrided ferromanganese, ferronickel and other ferroalloys. The melt temperature before refining 1650-1670 ° C. Doping with ferrochrome, nitrided with ferromanganese and ferronickel is carried out after refining the melt in the furnace, and modification with aluminothermic tablets containing silicocalcium in the retainer bucket. To determine the properties of steels, lattice, star-shaped and step technological samples, castings and samples for mechanical tests are poured into dry and liquid-glass casting molds. Table 1 shows the chemical compositions of cast steels of experimental swimming trunks.

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. Для определения ударной вязкости использовались образцы 10×10×55 мм. В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах после закалки с температуры 880-890°С и отпуска при 560-600°С.The strength properties of steels are determined according to GOST 1497-84 on specimens with a diameter of 14 mm with an estimated length of 70 mm, crack resistance - on star-shaped 250 mm technological samples 140 mm high, and the corrosion fatigue limit - on standard samples when tested on the basis of 10 ⁷ cycles. To determine the impact strength, samples of 10 × 10 × 55 mm were used. Table 2 shows the mechanical and operational properties of the steel of the experimental melts in castings, samples and technological samples after quenching from a temperature of 880-890 ° C and tempering at 560-600 ° C.

Таблица 1Table 1 Химические составы литейных сталей опытных плавокChemical compositions of cast steels of experimental swimming trunks КомпонентыComponents Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное) литейных сталях для составовContent of components, wt.% (Iron - the rest) of casting steels for compositions 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 УглеродCarbon 0,270.27 0,120.12 0,300.30 0,330.33 0,350.35 0,380.38 КремнийSilicon 0,350.35 0,180.18 0,200.20 0,270.27 0,400.40 0,460.46 МарганецManganese 0,780.78 0,170.17 0,200.20 0,220.22 0,350.35 0,440.44 ХромChromium 0,700.70 0,120.12 0,150.15 0,230.23 0,250.25 0,380.38 ФосфорPhosphorus 0,040.04 0,010.01 0,020.02 0,030,03 0,040.04 0,070,07 НикельNickel -- 0,010.01 0,020.02 0,040.04 0,060.06 0,080.08 КальцийCalcium -- 0,010.01 0,020.02 0,040.04 0,050.05 0,060.06 АлюминийAluminum -- 0,010.01 0,020.02 0,030,03 0,040.04 0,050.05 СераSulfur 0,050.05 0,010.01 0,010.01 0,020.02 0,040.04 0,050.05 АзотNitrogen -- 0,0010.001 0,0020.002 0,0120.012 0,030,03 0,0350,035

Таблица 2table 2 Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавокMechanical and operational properties of steels of experimental swimming trunks Свойства литейных сталейCast Steel Properties Показатели свойств для составов литейных сталей опытных плавокProperties for casting compositions of pilot melts 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 Предел текучести, МПаYield Strength, MPa 445445 437437 452452 468468 460460 448448 Относительное удлинение, %Relative extension, % 1212 1212 1616 20twenty 18eighteen 14fourteen Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе)Cracking tendency (number of cracks in the sample) 9,29.2 8,48.4 6,06.0 7,57.5 7,27.2 8,18.1 Предел коррозионной усталости, МПаThe limit of corrosion fatigue, MPa 192192 194194 212212 225225 232232 220220 Скорость изнашивания при сухом трении, мг/гсDry friction wear rate, mg / gf 425425 418418 340340 325325 308308 392392 Ударная вязкость, Дж/см² Impact strength, J / cm ² 4646 5151 5656 6565 6161 5454

Claims

Structural low-alloy cast steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, calcium, aluminum, nitrogen, sulfur, phosphorus and iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
carbon 0.30-0.35 silicon 0.20-0.40 manganese 0.20-0.35 chromium 0.15-0.35 nickel 0.02-0.06 calcium 0.02-0.05 aluminum 0.02-0.05 nitrogen 0.002-0.03 sulfur 0.01-0.04 phosphorus 0.02-0.04 iron rest