Износостойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к износостойкой стали, используемой для изготовления деталей высокого качества, работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,2-0,6, кремний 0,8-1,2, марганец от более 7,0 до 10,0, титан 0,5-1,2, азот 0,1-0,2, бор 0,5-1,0, молибден 2,0-4,0, ванадий 0,5-1,0, алюминий 0,2-0,8, сера 0,006-0,019, фосфор 0,011-0,017, кислород 0,0024-0,0044, водород 0,0002-0,0006, железо - остальное. Обеспечивается повышение сопротивляемости ударным нагрузкам и высокая стойкость против абразивного изнашивания и трещинообразования. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к материалам высокой износостойкости, используемых для изготовления деталей работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива, например ходовой части гусеничных машин.

Известна сталь для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа с незначительными ударными нагрузками (авторское свидетельство СССР SU № 1070203, C22c 38/50, опубл. Б.И. № 4, 1984), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %:

углерод – 2,0 ч 3,5
марганец – 15,0 ч 24,0
титан – 2,5 ч 6,0
железо – остальное.

Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидным упрочнением. Недостатком сплава является его низкая исходная твердость (290–350 HB), что не обеспечивает его высокую износостойкость в начальный период работы.

Известна сталь для изготовления деталей криогенной техники (патент Англии GB № 1159098 C22c 39/30, опубл. 1969), содержащая компоненты в следующем соотношении, %:

марганец – 3,0 ч 11,0
кремний – 1,5 ч 2,0
титан – 0,6 ч 1,2
молибден – 0,4 ч 3,4.

Структура стали представляет собой безуглеродистый мартенсит. Специфика легирования этой стали заключается в использовании лишь незначительного эффекта дисперсионного твердения. После закалки такая сталь имеет твердость около 25 HRC, а после старения всего лишь 39 HRC, что не позволяет использовать её в качестве износостойкого материала.

Наиболее близкой по химическому составу и назначению является марганцовистая сталь для изготовления прокатных валков, деталей песковых и грязевых насосов (патент РФ RU № 2327806, C22c 38/60, опубл. Б.И. № 18, 2008), содержащая, мас. %:

углерод – 0,8 ч 1,2
кремний – 0,8 ч 1,2
марганец – 10,0 ч 12,0
титан – 0,1 ч 0,2
азот – 0,1 ч 0,2
бор – 0,5 ч 1,0
сурьма – 0,03 ч 0,05
кальций – 0,005 ч 0,01
железо – остальное.

Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидно-боридно-нитридным упрочнением. Недостатком сплава является низкая износостойкость при работе в условиях контактно-ударного нагружения с интенсивным абразивным воздействием. Кроме того, известная сталь склонна к образованию трещин. Поэтому получить отливки из стали подобного состава без трещин сложно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание стали высокого качества по содержанию вредных примесей, и повышение сопротивляемости ударным нагрузкам при высокой её стойкости против абразивного изнашивания и трещинообразования.

Технический результат достигается за счет того, что сталь включающая углерод, кремний, марганец, титан, азот, бор и железо дополнительно содержит молибден, ванадий, алюминий, серу, фосфор, кислород и водород в следующем соотношении элементов, мас. %:

углерод – 0,2 ч 0,6
кремний – 0,8 ч 1,2
марганец – от более 7,0 до 10,0
титан – 0,5 ч 1,2
азот – 0,1 ч 0,2
бор – 0,5 ч 1,0
молибден – 2,0 ч 4,0
ванадий – 0,5 ч 1,0
алюминий – 0,2 ч 0,8
сера – 0,006 ч 0,019
фосфор – 0,011 ч 0,017
кислород – 0,0024 ч 0,0044
водород – 0,0002 ч 0,0006
железо – остальное.

В предлагаемой стали концентрация углерода установлена в пределах 0,2–0,6 %. Снижение её более, чем в два раза по сравнению с прототипом повышает стойкость стали к ударным нагрузкам и снижает склонность к трещинообразованию, а в сочетании с предложенным процентном соотношении других компонентов позволяет получить сталь с достаточно высокой твердостью и износостойкостью.

Введение 2,0–4,0 % молибдена обеспечивает образование боридной эвтектики и однородное выделение карбидов, повышение их дисперсности при старении, а также позволяет применить более высокую температуру старения для повышения пластичности и вязкости при сохранении равной твердости с составом стали без молибдена. Боридная эвтектика, располагаясь в виде каркаса по границам зерен в процессе кристаллизации, воспринимает часть энергии ударов и рассредоточивает её на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость металла, как к ударным нагрузкам, так и к трещинообразованию. Содержание молибдена в предлагаемой стали менее нижнего предела ведет к образованию недостаточного количества боридной эвтектики и карбидов, что не обеспечивает достаточно высокую пластичность и трещиноустойчивость такой стали. При содержании более 4% молибден, связывая значительное количество углерода в специальные карбиды, обедняет твердый раствор этим компонентом, ухудшает пластические свойства и снижает стойкость к трещинообразованию.

Введение 0,5-1,0% ванадия являющегося сильным карбидо и нитридообразователем, повышает твердость и износостойкость, что важно для изделий, работающих в условиях больших контактных нагрузок. Ванадий является хорошим модификатором, позволяющим значительно измельчить зерно, предупреждает рост крупных столбчатых кристаллов, в результате чего устраняется возможность образования трещин. В месте с тем при введении ванадия в сталь образуются комплексные титанованадиевые карбиды (TiV)C твердость, которых превышает твердость монокарбидов титана и ванадия. Повышение твердости карбидной фазы способствует повышению износостойкости стали при абразивном изнашивании. При содержании ванадия в стали до 0,5% не достигается необходимый уровень трещиноустойчивости из-за недостаточного измельчения структуры стали. При увеличении содержания ванадия более 1,0% в стали вместо специальных титанованадиевых карбидов появляются менее износостойкие карбиды цементитного типа охрупчивающие сталь.

Введение алюминия в пределах 0,2-0,8 % способствует раскислению, предлагаемой стали, обеспечивает модифицирование и усиливает эффективность дисперсионного твердения. Алюминий приводит к образованию мелкозернистой структуры за счет образования нитридов, служащих дополнительными центрами кристаллизации. В свою очередь мелкозернистая структура повышает износостойкость, так как при абразивном воздействии сопротивление частиц отрыву значительно выше, чем при крупнозернистом строении металла. Образование дополнительных центров кристаллизации приводит также к устранению столбчатости структуры, а следовательно к выравниванию свойств отливки во всех сечениях, и кроме того снижает склонность металла к образованию трещин. При концентрации алюминия менее 0,2% заметного эффекта не наблюдается. При повышении концентрации алюминия свыше 0,8% в структуре появляется ферритная составляющая, снижающая прочностные характеристики и износостойкость.

Совместное введение молибдена, ванадия и алюминия обеспечивает более эффективное дисперсионное упрочнение стали в процессе отпуска (старения) при температурах выше 500 °С, максимальная степень которого достигает 11 HRC.

Предложенная композиция элементов обеспечивает комплексное дисперсное упрочнение стали за счет образования карбидных, боридных, нитридных и интерметаллидных фаз при вторичном твердении.

Наличие в высоколегированных сплавах растворенного кислорода, водорода, серы и фосфора отрицательно влияет на механические свойства металла и устойчивость против трещин. Это объясняется тем, что в загрязненном данными элементами сплаве энергия деформации, сосредоточиваются главным образом у структурных дефектов (в основном у неметаллических включений), поэтому по сечению детали энергия распределяется неравномерно. Содержание в сплаве кислорода в пределах 0,0024-0,0044%; водорода в пределах 0,0002-0,0006%; серы 0,006-0,019%; фосфора 0,011-0,017% обеспечивает отсутствие крупных включений, что позволяет распределять энергию деформаций равномерней и значительно повышать выносливость металла в условиях ударных нагрузок.

Пример конкретного выполнения. Были выплавлены три состава предлагаемой стали на нижнем, среднем и верхнем пределах содержания компонентов, а так же два состава стали при содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего пределов. Для сравнительной оценки была получена сталь известного состава (прототип) на среднем пределе содержания компонентов (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав плавок по основным легирующим элементам контролировали с помощью оптического эмиссионного спектрометра ДФС-500. Содержание углерода в плавках определяли методом инфракрасной спектроскопии путем сжигания пробы при температуре 1350 °С в атмосфере кислорода с использованием анализатора МЕТАВАК-CS30. Содержание азота в плавках определяли методом плавления пробы при температуре 2500 °С в атмосфере гелия с использованием анализатора МЕТАВАК-АК.

Изучение свойств литого металла производили на образцах, вырезанных из полученных заготовок в литом состоянии и после старения (500 °С - 2 час). Твердость по Роквеллу измеряли на приборе ТК-2 (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 5 замеров).

Испытания на износ проводили на лабораторной установке в условиях мокрого абразивного трения металла о металл (диск-кулачок) при удельном давлении на изнашиваемых поверхностях 1 МПа. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости е, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.

Испытания на стойкость состаренного литого металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара
0,1 кДж. При этом количество ударов до появления первой трещины являлось критерием определения стойкости металла к хрупкому разрушению.

Результаты испытаний приведены в таблице № 2.

Таблица 2

Результаты испытаний

Свойства литого металла Варианты составов стали
1 2 3 4 5 6-прототип
Механические характеристики
Твердость в литом состоянии, HRC 36 40 42 45 48 54
Трещины в литом состоянии нет нет нет нет 1-2 на
10 см2
1-2 на
10 см2
Твердость после старения при 500 °C –
2 часа, HRC
42 48 51 54 56 57
Коэффициент е 2,1 2,4 2,8 3,1 3,2 2,2
Количество ударов 43 34 28 23 12 8

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы сталей NN 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение состаренного металла повышенной твердости и высокой износостойкости не склонного к хрупкому разрушению и трещинообразованию.

Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению со сталью – прототипом, предлагаемые составы новой стали позволяют увеличить коэффициент относительной износостойкости литого металла е с 2,2 до 2,4-3,1 при этом стойкость к хрупкому разрушению повышается в 2,8-4,2 раза.

Такие свойства металла заявленных составов можно объяснить тем, что вследствие введения молибдена, ванадия и алюминия удается получить новый композиционный дисперсионно-твердеющий металл с боридной эвтектикой и большим количеством высокопрочных дисперсных фаз, дополнительно упрочняющийся в результате старения, и приобретающий вследствие этого повышенную стойкость в условиях ударно-абразивного износа.

Металл отливок в зависимости от концентрации легирующих элементов имеет твердость 40ч45 HRC, после старения при 500 °С в течение 2 часов 48ч54 HRC.

Использование предложенной стали для изготовления деталей ходовой части гусеничных машин позволяет значительно повысить их износостойкость и срок службы.

Данное техническое решение создано в рамках выполнения гранта РНФ Соглашение № 17-19-01224.

Износостойкая сталь для изготовления деталей, работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива, содержащая углерод, кремний, марганец, титан, азот, бор, молибден, ванадий, алюминий, серу, фосфор, кислород, водород и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,2-0,6
кремний 0,8-1,2
марганец от более 7,0 до 10,0
титан 0,5-1,2
азот 0,1-0,2
бор 0,5-1,0
молибден 2,0-4,0
ванадий 0,5-1,0
алюминий 0,2-0,8
сера 0,006-0,019
фосфор 0,011-0,017
кислород 0,0024-0,0044
водород 0,0002-0,0006
железо остальное



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии. Высокопрочная горячекатаная стальная полоса с высокой устойчивостью к образованию краевых трещин, изготовленная из стали с пределом упругости Rp0.2 от 660 до 820 МПа, значением BH2 более 30 МПа и коэффициентом раздачи отверстия более 30%, и имеющей следующий химический состав, вес.%: C 0,04 до 0,12, Si 0,03 до 0,8, Mn 1 до 2,5, P макс.

Изобретение относится к области сварки, а именно к получению сварной стальной заготовки, используемой для производства деталей системы противодействия несанкционированному проникновению или энергопоглощающих деталей механического транспортного средства.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к многослойному листу из электротехнической стали толщиной 0,03-0,3 мм, используемому в качестве материала для изготовления сердечников различного электрического оборудования.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячекатаной толстолистовой стали, используемой для изготовления высокопрочных сварных труб для магистральных трубопроводов.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству холоднокатаных листов, в частности к производству горячеоцинкованной алюминизированной стальной полосы с полимерным покрытием, обладающей пределом текучести не менее 600 МПа и величиной относительного удлинения больше 12%, а также к способу ее изготовления.

Группа изобретений относится к металлургии, а именно к способу изготовления оцинкованной и отожженной листовой стали, и может быть использовано в автомобильной промышленности.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству холоднокатаных листов, в частности, к производству горячеоцинкованной алюминизированной стальной полосы с полимерным покрытием, обладающей пределом текучести 500-590 МПа и величиной относительного удлинения больше 15%, а также к способу ее изготовления.

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к холоднокатаному и термообработанному стальному листу и способу его изготовления. Холоднокатаный и термообработанный стальной лист, полученный из стали, имеет композицию, в мас.%: С: 0,03 – 0,25, Mn: 3,5 – 8, Si: 0,5 – 2,0, Al: 0,03 – 2,0, Ti ≤ 0,080, Nb ≤ 0,080, V ≤ 0,2, V + Ti + Nb > 0,01, S ≤ 0,010, P ≤ 0,020, N ≤ 0,008, и необязательно один или несколько следующих далее элементов, в мас.%: Mo: 0,1 – 0,5, Cr: 0,01 – 1, B: 0,0005 – 0,004, остальное - железо и неизбежные примеси.

Группа изобретений относится к области металлургии, в частности к холоднокатаному и термообработанному стальному листу и способу его изготовления. Холоднокатаный и термообработанный стальной лист из стали, характеризующейся композицией, в мас.%: С: 0,03 – 0,25, Mn: 3,5 – 8, Si: 0,1 – 2,0, Al: 0,03 – 2,0, Ti < 0,080, Nb ≤ 0,080, V < 0,2, V + Ti + Nb > 0,01, S < 0,010, P < 0,020, N < 0,008 и необязательно содержащей один или несколько следующих далее элементов: Mo: 0,1 – 0,5, Cr: 0,01 – 1, B: 0,0005 – 0,004, остальное - железо и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к катаному стальному листу, используемому для изготовления деталей с очень высокой механической прочностью после упрочнения под прессом.

Изобретение относится к производству холоднокатаного высокопрочного проката из двухфазной ферритно-мартенситной стали, используемому в автомобильной промышленности.
Наверх