Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к стали для изготовления ответственных деталей изделий, от которых требуются высокие прочность, твердость, сопротивление хрупкому разрушению и механическому износу при температуре 600°С. С целью повышения прочности, твердости и износостойкости при сохранении сопротивления хрупкому разрушению, сталь дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мае. %: углерод 0,43-0,67, марганец 0,60- 0,90. кремний 0,45-0,65, хром 0,80-1,10, никель 2,60-3,00, молибден 0,65-0,85, ванадий 0,20-0,30, ниобий 0,03-0,08, кальций 0,01-0,03, железо - остальное.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 38/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и, = 1820 МПа

op,д = 1580 МПа (21) 4880253/02 (22) 05.11.90 (46) 23.09.92; Бюл. ¹ 35 (71) Ижевский механический институт (72) В,П.Вылежнев, В,Г,Брагин, И,В.Пестов, А,А.Сухих, B.Á.Äåìåíòüåâ, С,И.Соломенников, О.И.Шаврин, Е.А.Упшинский, Ю.П.Либеров, О.А.Банных и А.М.Чуян (56) УМТУ ЦНИИЧМ 580 — 61. (54) СТАЛЬ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к стали для изготовления ответственных деталей изделий, от которых треИзобретение относится к металлургии, в частности к изысканию сталей для изготовления ответственных деталей изделий, от которых требуются высокие прочность, твердость, сопротивление хрупкому разрушению и механическому износу при повышенной температуре, Известны стали, применяемые для деталей данного типа, следующего химического состава, мас. %:

Углерод 0,31 — 0,42

Хром 1,20-1,50

Никель 3,00 — 3,40

Молибден 0,35 — 0,45

Ванадий 0,08 — 0,12

Кремний 0,17 — 0,37

Марганец 0,25 — 0,55

Железо Остальное (1);

Углерод 0,27 — 0,34

Хром 2,80 — 3,50

Молибден 2,50 — 3,00

Ванадий 0,40 — 0,60

Кремний 0,20 — 0,40

Марганец 0,30 — 0,50

„„Я „„1763509 А1 буются высокие прочность, твердость, сопротивление хрупкому разрушению и механическому износу при температуре 600 С. С целью повышения прочности, твердости и износостойкости при сохранении сопротивления хрупкому разрушению, сталь дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,43 — 0,67, марганец 0,60—

0,90. кремний 0,45 — 0,65, хром 0,80 — 1,10, никель 2,60 — 3,00, молибден 0,65 — 0,85, ванадий 0,20 — 0,30, ниобий 0,03 — 0,08, кальций 0,01-0,03, железо — остальное.

Железо Остальное (2), Упрочнение данных сталей достигается закалкой на мартенсит с последующим отпуском.

Известная сталь состава (1) обеспечивает в целом относительно высокие прочность, твердость и сопротивление хрупкому разрушению. Так, после закалки от 860 С и отпуска при 200 С сталь (1) имеет следующие свойства: временное сопротивление предел текучести относительное удлинение д=10% относительное сужение ф= 50% ударная вязкость KCU = 0,45 МДжlм твердость НВСэ 52

Однако сталь (1) при использовании в качестве конструкционногоо материала деталей, работающих при высоких контактных нагрузках в широком интервале температур

1763509

0,40 — 0,45

0,50 — 0,80

0,90 — 1,20

2,80 — 3,20

0,90 — 1,20

0,35 — 0,50

0,80 — 1,20

0,05 — 0,15

Остальное более 0,011%, фосфор не 45

Углерод

Марганец

Кремний

Хром

Никель

Молибден

Вольфрам

Ванадий

Железо примеси: сера не более 0,015% (3).

Сталь (3), например, содержащая углерода 0,41%, марганца 0,68%, кремния

1,04%, хрома 2,90%, никеля 1,03%, молиб- 50 дена 0,40%, вольфрама 0,99%, ванадия

0,12%. серы 0,011%, фосфора 0,013%, железо — остальное, обеспечивает после закалки от 1000 С и низкого отпуска более высокую прочность, твердость, сопротивление механическому износу и прочность при повышенной температуре (600 С), чем сталь (1) и превосходит сталь (2) по сопротивлению хрупкому разрушению. (До 600 С), не обеспечивает требуемого ресурса вследствие интенсивного износа рабочей поверхности деталей, обусловленного ее недостаточной теплопрочнстью (oâ =540 МПа), 5

Сталь (2) обеспечивает при практически одинаковой со сталью (1) прочностью и твердостью большее сопротивление механическому износу при повышенной температуре. Так, после закалки с 1040 С и 10 отпуска при 530 С сталь (2) имеет следующие значения указанных характеристик механических свойств:

Временное сопротивление - v> = 1810 МПа 15

Предел текучести oo,z = 1720 МПа

Твердость HRCý 51

600 С

Временное сопротивление при 600 С о, = 720 МПа при износостойкости в 1,3 раза выше, чем у стали (1). 20

Однако, сопротивление хрупкому разрушению стали (2) крайне низкое. Так, например, после указанной термической обработки сталь (2) имеет относительное удлинение д = 3%; относительное сужение ф 20%; ударную вязкость RCU = 0,15

МДж/м, По данной причине изготовление

2 ответственных нагруженных деталей из стали (2) является опасным.

Из известных сталей, используемых для изготовления ответствен н ых нагруженн ых деталей такого типа, по составу компонентов наиболее близкой к предлагаемому составу является сталь, содержащая, мас. %:

g=g 7%

Достигаемый уровень указанных свойств для стали (3) характеризуется следующими значениями: временное сопротивление о, = 2100 МПа предел текучести о0д = 1800 МПа относительное удлинение относительное сужение = 31,g% ударная вязкость KCU = 0,5 МДж/м твердость HRCý 55 временное сопротивление при 600 С

o = 800 Мпа.

При данном уровне указанных свойств сталь (3) превосходит стали (1) и (2) по износостойкости в 1,4 и 1,15 раза, соответственно, Однако при сравнительно высокой износостойкости детали из стали (3) характеризуются нестабильностью по данному критерию и часто претерпевают разрушение в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является повышение прочности, твердости и износостойкости стали при сохранении сопротивления хрупкому разрушению.

Для достижения указанной цели в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, железо, дополнительно вводят ниобий и кальций, причем содержание всех указанных компонентов должно быть следующим, мас. %:

Углерод 0,43 — 0,67

Марганец 0,60 — 0,90

Кремний 0,45 — 0,65

Хром 0,80 — 1,10

Никель 2,60-3,00

Молибден 0,65 — 0,85

Ванадий 0,20 — 0,30

Ниобий 0,03-0,08

Кальций 0,01 — 0,03

Железо Остальное

В табл, 1 приведено несколько плавок стали с соотношением компонентов,оговоренных формулой изобретения и выходящих за ее граничные значения.

Выплавку стали осуществляли в вакуумной индукционной печи с последующим рафинированием методом злектрошлакового переплава.

Пределы легирования предлагаемой стали определяются характером влияния компонентов на фазовый состав, структуру и характеристики свойств при различных видах нагружения и температуре.

Содержание углерода в пределах 0,430,67% обуславливает достижение требуе1763509 мой прочности, твердости за счет искажений кристаллической решетки мартенсита и присутствия в составе карбидной фазы. При меньшем содержании углерода прочность и твердость недостаточны, а при большем— малы пластичность, вязкость и сопротивление хрупкому разрушению, Содержание кремния в пределах 0,45—

0,65, хрома 0,80 — 1,1070. молибдена 0,65—

0,85%, ванадия 0,20-0,30, ниобия

0,03 — 0,08 способствуют высокой отпускоустойчивости стали, обеспечению повышенной износостойкости в широком интервале температур и теплопрочности.

При меньшем содержании указанных элементов низок уровень теплопрочности и износостойкости, а при большем — недостаточен запас характеристики пластичности, вязкости и сопротивления хрупкому разрушению.

Ванадий и ниобий в пределах 0,200,30 и 0,03 — 0,08 являются также активными модификаторами, что позволяет получать после закалки мелкое зерно (9...11 балл) и благоприятно влиять на пластичность и вязкость.

Содержание марганца в пределах 0,600,9070 способствует хорошему раскислению, глобуля риза ции сульфидных включений, увеличению прокаливаемости.

При меньшем содержании марганца его положительное влияние на прокаливаемость мало, а при большем — развивается хрупкость стали в закаленном и низкоотпущенНОМ СОСТОЯНИИ.

Кальций впределах 0,,01-0,03 активно участвует в раскислении и десульфурации стали, что обеспечивает высокий уровень сопротивления хрупкому разрушению, При меньшем, чем 0,01 содержании кальция

его положительное влияние не проявляется, а при большем, чем 0,03/ — дальнейшего повышения сопротивления хрупкому разрушению не наблюдается.

Никель в пределах 2,60 — 3,00 сообщает стали высокую прокаливаемость, стабильные твердость, прочность и сопротивление хрупкому разрушению в крупных сечениях.

При меньшем содержании никеля мало сопротивление хрупкому разрушению, а при большем — в структуре стали после закалки присутствует большое количество остаточной у-фазы, отрицательно влияющей на износостойкость, прочность, твердость, В табл, 2 приведены значения стандартных механических свойств износостойкости и теплопрочности предлагаемой стали в сравнении с прототипом (3), выбранном одновременно базовым образцом, Стандартные механические характеристики при

55 тельно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас, :

Углерод

Марганец

Кремний

Хром

0,43 — 0,67

0,60 — 0,90

0,45 — 0,65

0,80 — 1,10 растяжении ((7>, 0o,z, д, ф) определяли на образцах с диаметром рабочей части 5 мм по ГОСТ 1497-73, теплопрочность (o> 600 с) по ГОСТ 9651 — 73, ударную вязкость (KCU)—

5 на образцах типа l по ГОСТ 9454 — 80, Износостойкость при температуре 600 С определяли на фрагментах деталей при взаимодействии с разжимающейся втулкой диаметром 30 мм из твердого сплава ВК8 в

10 условиях трения скольжения при возвратнопоступательном движении с частотой 3 Гц и удельном контактном давлении 0, = 300

МПа по числу циклов (ходов) до увеличения внутреннего диаметра детали на 0,4 мм, Результаты испытаний свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь (составы

1-6) обладает по сравнению с прототипом (3), являющимся базовым образцом, повышенными прочностью, твердостью, тепло20 прочностью, износостойкостью в 1,3 — 1,6 раза при практически равных пластичности, вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, При этом только предлагаемая совокупность компонентов, взятая в указанных соотношениях, позволяет получать новый положительный эффект. Повышение в сравнении с предлагаемым содержанием углерода, марганца, кремния, хрома, молибдена, ванадия, ниобия приводит к уменьшению пластичности, вязкости, сопротивления хрупкому разрушению.

Пониженное их содержание — к падению прочности, твердости, теплопрочности, 35 износостойкости. Меньшее, чем предлагаемое содержание никеля и кальция, ухудшает сопротивление хрупкому разрушению, а повышенное содержание никеля приводит к недостаточной прочности и износостойко40 сти (см. табл, 2, составы 7 — 10).

Использование предлагаемой стали позволит повысить работоспособность ответственных тяжелонагруженных деталей изделий, в частности, валков станов прокат45 ки, торсионов, сосудов высокого давления.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что, с

50 целью повышения прочности, твердости, износостойкости при сохранении сопротивления хрупкому разрушению, она дополни1763509

0,03 — 0,08

0,01 — 0,03

Остальное.

2,6-3,0

0,65 — 0,85

0,2-0.3

Ниобий

Кальций

Железо

Таблица!

Сталь!

III пп примеси Ре

> J P J> j>>

0,60 0,45

0,61 0,57

0,90 0,65

0,86 0,60

0,89 0,52

0,79 0,49

Остальное

То же

7 Заграничное содержание компонентов

0,51 0,45

0,63 0,55

0,69 0,57

0,97 0,71

0,68 1,04

0,01 0,09

0,08 0,02

0,07 0 05

0,10 0,04

i>i

0,99

««> i »»

10

«»»

«»

»»

11 Прототип (3) »

Таблица2

66 °

И Па

» t

И Па

HRCý г»!

)",2 (7,2

ИзнОсОстОЙкОсть по числу циклов вааинодействия со втулкой иа сплава ОКО (бс 300 Mila) при 600 С мс

МПа

Сталь

KCV

Mgw7мг

Термическая обработка 1910 14,0

45,0 Предлагаемая

0,61

2081

2250

57 815

Закалка с

860... 880 С

7 Заграничное содержание компонентов

0,63 53>5 750

0,22 59 818

0,50 55 800

0,34 56 8!5

9

»и

»»

11 Прототип (3) 31,9

2100 1800 9 7

55 800

1440

0,50

Составитель С,Соломенников

Техред М.Моргентал Корректор М.Петрова

Редактор

Заказ 3431 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Никель

Молибден

Ванадий

1 Предлагаеиая

2 То же

4

То we

>l

ll

»

0,43

О ° 52

0,56

0,60

0,63

0,67

0,41

0,69

0,57

0,54

0 41

Отпуск

200...250 С

1 час

Закалка с

1000 С отйуск

200...250 С

242 О

2280

1,10 3,00

1,10 2,67

0,80 2,79

0,91 2,85

0,88 2,60

0,82 3,00

0,71 2 ° 76

0,97 2>64

1,08 3,48

1,21 2,51

2,90 1,03

1930 13,7

1940 12,5

1915 11,0

1945 11,2

1980 11,0

1780 13,0

1950 7,0

1830 10,9

1920 8,I

0,78

0,73

0,65

0,78

0>85

0,85

0,59

0,67

0,77

0,92

0,40

46,0

43,0

42,0

43,0

41,2

47,0

24,5

37,!

29,5

0,20

0,28 .0,25

0,22

0,29

0,30

0,17

0,22

0,24

0,34

0,12

0,08 0,01

0,05 0,01

0,05 0,03

0,03 0,03

0,06 0,02

0,03 0,01

0,54

0,57

0,51

0,50

0,49

58

58

58

59

0,010

0,008

0,007

0,008

0,010

0,006

0,006

0,007

0,010

0,008

0,011

0,010

0,008

0 015

0,011

0,010

0,007

0 ° 008

0,010

0,010

0,007

0,013

844

855

0,20 0,03

0,14 0,03

0,14 0,05

0,12 0,03

0,13 0 ° 05

0,20 0,03

О ° 14 0,04

0,17 0,03

0,14 0,03

0,I3 0,03

2206

2009

2137

1913

»

«»

«» »

«»»