Литейная сталь

 

Изобретение относится к области металлургии литейных сталей, используемых в частности в судостроении, при изготовлении массивных литых деталей, работающих под воздействием статических и динамических нагрузок. Техническим результатом изобретения является повышение вязкости, пластичности и трещиноустойчивости при затвердевании металла отливок и сопротивляемости хрупким разрушениям. При эксплуатации повышается надежность и срок службы изделий. Литейная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,17-0,22; кремний 0,17-0,37; марганец 0,40-0,70; никель 3,20-4,50; медь 0,70-1,00; молибден 0,38-0,50; хром 0,3-0,4; железо остальное. Содержание серы и фосфора не должно превышать по 0,025% каждого или в сумме не более 0,04%. Указанная сталь после термической обработки имеет предел текучести не менее 610 МПа; предел прочности - 700 МПа; относительное удлинение - 20%; относительное сужение - 50%; работа удара при температуре 0^oС - 100 Дж. 1 табл.

Настоящее изобретение относится к области металлургии литейных сталей судового и общемашиностроительного назначения, содержащих углерод, марганец, кремний, никель, медь, хром, молибден.

В настоящее время для изготовления литых деталей (стеллажей холодильника под блюмсы, стрелок для стапельных поездов, штамповой оснастки и др.), работающих под действием статических и динамических нагрузок, к которым предъявляются требования по прочности и вязкости, применяются конструкционные нелегированные стали марок 25Л, 35Л, 45Л.

Указанные стали, обладая невысокими характеристиками прочности и вязкости, не обеспечивают требуемую надежность и долговечность деталей при эксплуатации.

Наиболее близкой по требуемым механическим свойствам к заявляемой стали является сталь марки 12ДН2ФЛ по ГОСТ 977-88, содержащая, мас.%: Углерод - 0,08-0,16 Марганец - 0,4-0,9 Кремний - 0,2-0,4 Никель - 1,8-2,2 Медь - 1,2-1,5 Ванадий - 0,08-0,15 Хром - до 0,3 Железо - Остальное Фосфор и сера - До 0,035 каждого
Указанная сталь обладает высокими характеристиками прочности (_0,2580 МПа, _в725 МПа).

Однако имеет ряд недостатков:
- обладает недостаточно высокими характеристиками вязкости и пластичности (KV^o39 Дж, ₅12%), что приводит к снижению долговечности изделий, работающих под воздействием ударных нагрузок и при отрицательных температурах;
- имеет пониженную жидкотекучесть, а также склонна к образованию горячих и холодных трещин, являющихся концентраторами напряжений, вызывающих разрушение деталей при эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является создание литейной стали, обладающей достаточной прочностью и повышенной вязкостью, хорошей жидкотекучестью и высокой трещиноустойчивостью при изготовлении отливок, а также высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению.

Одним из способов повышения вязкости и снижения склонности литейной стали перлитного класса к хрупким разрушениям является обеспечение мелкодисперсной феррито-перлитной структуры, что достигается легированием марганцовистых сталей никелем и снижением содержания вредных примесей.

На основании проведенных работ установлено, что поставленная цель достигается за счет повышения в марганценикелевой стали содержания углерода, никеля, ограничения содержания кремния и меди, исключения из состава ванадия и дополнительного введения молибдена, а также снижения содержания вредных примесей серы и фосфора.

Предлагается сталь, содержащая, мас.%:
Углерод - 0,17-0,22
Кремний - 0,17-0,37
Марганец - 0,40-0,70
Никель - 3,20-4,50
Медь - 0,70-1,00
Молибден - 0,38-0,50
Хром - 0,3-0,4
Железо - Остальное
Сталь может содержать примеси, мас.%: сера - не более 0,025; фосфор - не более 0,025.

Условное обозначение стали - 20Н3ДМЛ.

Предлагаемая сталь исследовалась на металле 5 промышленных плавок и 5 лабораторных по следующим характеристикам:
- механические свойства проверены на 3 промышленных и 5 лабораторных плавках;
- оценка сопротивляемости хрупкому разрушению при пониженных температурах проводилась на 3 промышленных и 5 лабораторных плавках;
- определение трещиноустойчивости при затвердевании и охлаждении металла в форме и жидкотекучести при заливке металла проводилось на 3 лабораторных плавках.

Для сравнения исследовались механические свойства, сопротивляемость хрупкому разрушению при пониженных температурах и литейные характеристики известной стали-прототипа (табл. 1).

Определение механических свойств и сопротивляемости хрупкому разрушению при пониженной температуре (Т_к) проводились по ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, литейные свойства - по методике Санкт-Петербургского государственного технического университета.

По сравнению с известной сталью-прототипом предлагаемая сталь обладает следующими преимуществами:
1. Высокой вязкостью при одинаковом уровне прочности, достигаемой за счет повышения в стали содержания никеля (до 3,2-4,5%) и снижения содержания меди (до 0,7-1,00%), серы и фосфора (до 0,025%).

Повышение содержания никеля укрупняет структуру стали при первичной кристаллизации, но благодаря своему влиянию на понижение температуры и скорости превращения аустенита способствует резкому измельчению структуры при вторичной кристаллизации, что обеспечивает наибольшую дисперсность элементов структуры (ферритокарбидной смеси-сорбита), обладающей повышенной вязкостью. Ограничение в стали содержания меди до 1% снижает склонность к дисперсионному твердению, что способствует повышению вязкости металла.

Снижение содержания серы и фосфора уменьшает количество неметаллических включений, располагающихся по границам зерен, что повышает межкристаллическую прочность, пластичность и вязкость металла.

2. Хорошей прокаливаемостью, что обеспечивает равномерность свойств по сечению массивных отливок и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению при пониженных температурах благодаря повышенному содержанию никеля и введению молибдена, снижающего склонность стали к отпускной хрупкости.

3. Более высокой трещиноустойчивостью в процессе затвердевания за счет снижения содержания серы, устраняющего возможность образования легкоплавких оксисульфидных пленок, располагающихся в межкристаллитных областях в районе высоких температур, повышая пластичность и сопротивление стали к образованию горячих трещин.

Указанные преимущества позволяют использовать предлагаемую сталь для крупных отливок ответственного назначения, работающих под воздействием ударных нагрузок, а также в условиях Крайнего Севера при пониженных температурах.

В термически обработанном состоянии структура стали представляет мелкодисперсную феррито-перлитную смесь (сорбит). Сталь обеспечивает следующий уровень механических свойств:
_0,2610 МПа, _в700 МПа, ₅20%, 50%, KV^o100 Дж.

Критическая температура перехода из вязкого в хрупкое состояние при динамическом нагружении (Т_к) составляет 50^oС.

Предлагаемая сталь обладает хорошей технологичностью при литье и может быть использована для крупных отливок сложной конфигурации сечением до 300 мм. При выплавке предлагаемой стали в качестве шихты могут использоваться отходы легированных никелем сталей типа АЛ и АК, за счет чего достигается большая экономия легирующих элементов, обеспечивающая значительный экономический эффект.

Формула изобретения

Литейная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,17 - 0,22
Марганец - 0,4 - 0,7
Кремний - 0,17 - 0,37
Хром - 0,3 - 0,4
Никель - 3,2 - 4,5
Медь - 0,7 - 1,0
Молибден - 0,38 - 0,50
Сера - 0,011 - 0,025
Фосфор - 0,009 - 0,025
Железо - Остальное
при этом суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.

РИСУНКИ

Рисунок 1