Сталь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1763509 22 С 38/ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ институт н, И,В.Пе Соломенн Ю.П.Либ тов,иков, ров,к металлургии овления ответ от которых тре Остальноталей достигапоследую щи става 1 обеспечиваьно высокие прочноотивление хрупкому е закалки от 860 С и ль 1 имеет следуюи, = 1820 МПа Оо,2 = 1580 МП= 10% 500 0,45 МДж/мНВСэ 52и использовании вогоо материала деысоких контактныхтервале температур ОСУДА РСТВЕ ННЫ И КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Изобретение относитсяв частности к стали для изготственных деталей изделий,Изобретение относитв частности к изысканиютовления ответственныхот которых требуются вьтвердость, сопротивленишению и механическомушенной температуре,Известны стали, примлей данного типа, следуюсостава, мас. %:УглеродХромНикельМолибденВанадийКремнийМарганецЖелезоУглеродХромМолибденВанадийКремнийМарганец ся к металлургии, сталей для изгодеталей изделий, сокие прочность, е хрупкому разруизносу при повыеняемые для детащего химического0,31 - 0,421,20-1,503,00 - 3,40 0,35 - 0,45 0,08 - 0,12 0,17 - 0,37 0,25 - 0,55 Остальное 1;0,27 - 0,34 2,80-3,50 2,50-3,00 0,40 - 0,600,20 - 0,40 0,30 - 0,50 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,ЖелезоУпрочнение данныхзакалкой на мартенсит спуском.Известная сталь соет в целом относителсть, твердость и сопрразрушению. Так, послотпуска при 200 С стащие свойства:временноесопротивлениепредел текучестиотносительноеудлинениеотносительноесужениеударнаявязкость КСтвердостьОднако сталь 1 пркачестве конструкционнталей, работающих при внагрузках в широком инУглеродМарганецКремнийХромНикельМолибденВольфрамВанадийЖелезопримеси: сера неболее 0,015% 3. 0,40 - 0,450,50 - 0,800,90 - 1,202,80 - 3,200,90 - 1,200,35 - 0,500,80 - 1,200,05-0,15Остальноеболее 0,011%, фосфор не 45 40 Сталь 3, например, содержащая углерода 0 41%, марганца 0,68%, кремния 1,04%, хрома 2,90%, никеля 1,03%, молиб 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 ( Ов =540 МПа), 5Сталь 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:Временноесопротивление (Ъ = 1810 МПа 15 Предел текучести оЬ,2 = 1720 МПа Твердость НКСЭ 51600 СВоеменное сопротивление при 600 С о, = 720 МПа при износостойкости в 1,3 раза выше, чем у стали 1,20Однако, 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 ЙСО = 0,15 МДж/м, По данной причине изготовление2ответственных 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. %:35д= 9,7% Достигаемый уровень указанных свойств для стали 3 характеризуется следующими значениями:временноесопротивление ов = 2100 МПапредел текучести оЬ,г = 1800 МПаотносительноеудлинениеотносительноесужение =319%ударнаявязкость КСО = 0,5 МДж/мтвердость НКСГ 55временное сопротивление при 600 С Ов = 800 МпаПри 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 - 0,67Марганец 0,60 - 0,90Кремний 0,45 - 0,65Хром 0,80 - 1,10Никель 2,60-3,00Молибден 0,65-0,85Ванадий 0,20 - 0,30Ниобий 0,03-0,08Кальций 0,01 - 0,03Железо ОстальноеВ 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 электрошлакового 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 требуемой 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 - 0,6570, хрома 0,80 - 1,1070. молибдена 0,65 - 0,85%, ванадия 0,20-0,300 , 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 0,20 - 0,30 и 0,03 - 0,080 являются также активными модификаторами, что позволяет получать после закалки мелкое зерно (911 балл) и благоприятно влиять на пластичность и вязкость.Содержание марганца в пределах 0,60- 0,900 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 в пределах 0,01-0,030 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 0,030 - дальнейшего повышения сопротивления хрупкому разрушению не наблюдается.Никель в пределах 2,60 - 3,000 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 при55 тельно содержит ниобий и кальций приследующем соотношении компонентов,ма с о УглеродМарганецКремнийХром 0,43 - 0,67 0,60 - 0,90 0,45 - 0,65 0,80 - 1,10 растяжении ( ств, сто,2, д, ф) определяли наобразцах с диаметром рабочей части 5 ммпо ГОСТ 1497-73, теплопрочность ( о 600 с)по ГОСТ 9651 - 73, ударную вязкость(КСО) -5 на образцах типапо ГОСТ 9454 - 80, Износостойкость при температуре 600 С определяли на фрагментах деталей привзаимодействии с разжимающейся втулкойдиаметром 30 мм из твердого сплава ВК 8 в10 условиях трения скольжения при возвратнопоступательном движении с частотой 3 Гц иудельном контактном давлении О = 300МПа по числу циклов (ходов) до увеличениявнутреннего диаметра детали на 0,4 мм,15 Результаты испытаний свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь (составы1-6) обладает по сравнению с прототипом(31, являющимся базовым образцом, повышенными прочностью, твердостью, тепло 20 прочностью, износостойкостью в 1,3 - 1,6раза при практически равных пластичности,вязкости и сопротивления хрупкому разрушению,При этом только предлагаемая совокуп 25 ность компонентов, взятая в указанных соотношениях, позволяет получать новыйположительный эффект. Повышение в сравнении с предлагаемым содержанием углерода, марганца, кремния, хрома, молибдена,30 ванадия, ниобия приводит к уменьшениюпластичности, вязкости, сопротивления хрупкому разрушению.Пониженное их содержание - к падению прочности, твердости, теплопрочности,35 износостойкости. Меньшее, чем предлагаемое содержание никеля и кальция, ухудшаетсопротивление хрупкому разрушению, а повышенное содержание никеля приводит кнедостаточной прочности и износостойко 40 сти (см. табл, 2, составы 7 - 10).Использование предлагаемой стали позволит повысить работоспособность ответственных тяжелонагруженных деталейизделий, в частности, валков станов прокат 45 ки, торсионов, сосудов высокого давления.Формула изобретенияСталь, содержащая углерод, марганец,кремний, хром, никель, молибден, ванадий,железо, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с50 целью повышения прочности, твердости,износостойкости при сохранении сопротивления хрупкому разрушению, она дополни1763509 0,03 - 0,080,01 - 0,03Остальное. 2,6-3,00,65 - 0,850,2-0,3 НикельМолибденВанадий Таблица Сталь ьи пп примеси уе 0,60 045 0,61 0,57 0,90 0,65 0,86 0,60 0,89 0,52 079 0,49 0,78 0,73 0,65 0,78 0,85 0,85 1 Предлагаеиая2 То же111156 ОстальноеТо же 7 Заграничное со"держание компо- нентов 0,51 0,45 0,63 055 0,69 0,57 0,97 0,71 0,68 1,04 8 9О " 11 Прототип 13) Таблица 2 т6 г,ИПа с 42,ИПа В ,2 У ,2 ИзнОсостОЙкОстьпо числу цикловвзаинодействиясо втулкой изсплава ВКВ(бс т 300 ИПапри 600 С ИВС Сталь КСО,Мд 7 з Термическаяобработка 1910 14,045,0Предлагаемая 0,61 2081 2250 57 85 Закалка с 860880 С 46,0 43,0 42,0 43,0 41,2 Отпуск200.250 с1 час 7 Заграничноесодержание компонентов 47,0 24,5 37 29,5 0,63 535 7500,22 59 818 0,50 55 800 0,34 56 815 8 9 10 Ит1111 11 Прототип (3) 31,9 2100 1800 97 55 800 0,50 т Составитель С,СоломенниковТехред М,Моргентал Корректор М.Петрова Редактор Заказ 3431 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4775 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 То же 11 11 11 11 0,43 0,52 0,56 060 0,63 0,67 0,41 0,69 0,57 0,54 0,41 Закалка с 1000 С, отйуск200250 С 2290.2400 2390 2400 2420 1980 2510 2115 2280 1,10 3,00 1,1 О 2,67 а,Ва 2,79 0,91 2,85 0,88 2,60 0,82 3,00 0,71 2,76 0,97 2,64 1,08 Э,48 1,21 2,51 2,90 1,03 1930 13,71940 12,51915 11,0 1945 11,2 1980 11,0 1780 13,0 1950 7,01830 10,9 1920 8,0,59 0,67 0,77 0,92 0,40 0,20 0,28 0,25 0,22 0,29 0,30 0,17 0,22 0,24 0,34 О, 12 Ниобий Кальций Железо 0,08 0,01 0,05 0,01 0,05 0,03 0,03 0,03 а 06 0,02 О,ОЭ 0,01 0,01 0,09 0,08 0,02 0,07 0,05 0,04 Я 0,99