Ливарна сталь

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к стали для отливок тяжелонагруженных деталей машин. Стальные отливки производят преимущественно из углеродистых сталей с содержанием углерода в интервале 0,15...0,45%, марганца - 0,5%, кремния - 0,5%. Для тяжелонагруженных деталей экскаваторов, дисков, звездочек, барабанов, головок, зубчатых колес, крестовин и других широко применяются стали 110Г1ЗЛ, 45Л, 40Л, 30ГСЛ, 35ГС и другие [1]. Литье позволяет получать недорогую продукцию при достаточно высокой производительности. Недостатком литья является то, что качество металла, в частности, пластичность, уступает кованому металлу и поэтому не всегда удается получить нужнее сочетание прочности и пластичности после термообработки, что, естественно, сказывается на работоспособности изделий. Известна сталь 110Г13Л [1] следующе го состава, мас.%: Углерод 0,90...1,50 Кремний 0,80... 1,00 Марганец 11,50...15,0 Хром 1,0 Никель 1,0 Сера 0,05 Фосфор 0,12 Железо Остальное. Как видно из химического состава, эта сталь отличается высоким содержанием углерода и марганца, которые обеспечивают высокую прочность и износостойкость. На Криворожском металлургическом комбинате эту сталь отливают для коромысел ковшей экскаваторов типа ЭКГ-5. Стойкость таких коромысел недостаточно высока из-за хрупкого разрушения, особенно при низких температурах эксплуатации. Это можно объяснить тем, что в составе стали высокое содержание углерода и не содержатся РЭМ, оказывающие исключительно благоприятное влияние на структуру, пластичность и эксплуатационные свойства изделий. К недостаткам этой стали относится и высокая токсичность ее расплава изза большого содержания марганца. Известна также литейная сталь 35ГЛ [1], применяемая для изготовления аналогичных деталей, выбранная в качестве прототипа. Сталь содержит, мас.%: Углерод 0,30...0,40 Марганец 1,20...1,60 Кремний 0,20...0,40 Фосфор 0,04 Сера 0,04 Хром 0,30 Никель 0,30 Медь 0,30 Железо Остальное. Как видно из химического состава, эта сталь отличается от стали 110Г1ЗЛ меньшим содержанием углерода, марганца, никеля и хрома. Благодаря этому, она имеет большую пластичность и стойкость к ударным нагрузкам, однако, прочностные характеристики и износостойкость недостаточно высоки. В основу изобретения поставлена задача улучшения качества литейной стали путем дополнительного ввода легирующи х и модифицирующих элементов, чем достигается повышение механических, технологических и служебных свойств стали. Поставленная задача решается тем, что в литейную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром и железо, согласно изобретению, дополнительно добавляют алюминий, ванадий, никель, кальций и редкоземельные металлы, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,28-0,40 кремний 0,20-0,45 марганец 1,20-1,60 ванадий 0,05-0,20 никель 0,50-1,00 хром 0,20-0,50 алюминий 0,01-0,05 кальций 0,001-0,05 редкоземельные металлы 0,01-0,06 железо остальное. Дополнительное введение в состав стали алюминия обеспечивает ее раскисление. Связывая свободный азот и нитраты, алюминий устраняет его вредное влияние на механические свойства стали. При этом, образующиеся нитраты являются эффективным регулятором аустенитной структуры стали. Содержание алюминия в стали ниже 0,01 мас.% не приводит к благоприятным изменениям свойств стали. Увеличение концентрации алюминия выше 0,05 мас.% вызывает образование чрезмерного количества глиноземных и нитридных включений, располагающихся на границах зерен и тем самым резко снижающую пластичность и вязкость стали. Содержание ванадия в пределах 0,05...0,20 мас.% способствует образованию оптимального количества карбидов, повышающих прочностные свойства, износостойкость изделий, а также обеспечивающих относительно однородную структур у стали. Содержание ванадия ниже 0,05 мас.% не обеспечивает образование требуемого количества карбидных включений. Ввиду того, что изделия из литой стали работают при ударных нагрузках, сталь должна обладать запасом пластичности, поэтому содержание ванадия не должно превышать 0,20 мас. %, а хрома - 0,50 мас. %. В противном случае, избыточное содержание карбидной фазы снижает пластичность и вязкость литейной стали. Для повышения пластичности в сталь вводят никель. Содержание никеля в пределах 0,50...1,00 мас. % обеспечивает достаточно высокую стойкость против ударных нагр узок, в том числе и в условиях Севера при минусовых температурах. Содержание никеля ниже 0,5 мас.% не оказывает заметного влияния на служебные свойства изделий и характеристики пластичности. Содержание никеля в предлагаемой стали не должно превышать 1,00 мас. %. так как в противном случае, в литой стали образуются хрупкие прослойки соединений никеля с фосфором, которые понижают пластичность стали, особенно при низких температурах. Введение в состав стали кальция и РЭМ придает ей более высокую пластичность и вязкость за счет глубокого раскисления, рафинирования, модифицирования структуры и микролегирования. Особенно важным при этом является глобуляризация неметаллических включений, а также измельчение карбидов. И те, и др угие равномерно перераспределяются в стр уктуре литой стали, что сопровождается очищением межзеренных границ. В итоге износостойкость, пластические свойства и ударная вязкость литой стали достигают более высокого уровня. Оптимальная концентрация ограничивается пределами 0,001...0,05 мас.% для кальция и 0,01...0,06 мас.% для РЗМ, так как при содержании каждого элемента ниже нижнего предела, не наблюдаются благоприятные изменения в структуре и свойствах стали. Увеличение содержания каждого элемента выше верхнего предела вызывает образование избыточного количества окислов и так называемых "серых фаз" РЗМ, снижающих весь уровень свойств стали до самых низких значений. Для определения оптимального состава разрабатываемой стали в условиях Криворожского Центрального рудоремонтного завода проводились опытные плавки и испытания. Согласно действующей технологии, опытные стали выплавляются в 5-тонной электродуговой печи с основной футеровкой. Раскисление в печи производили ферромарганцем и ферросилицием по расчету. При выпуске стали в разливочный ковш присаживали 0,04 мас. % алюминия для ее окончательного раскисления и подавали в струю металла в алюминиевой фольге кальций и РЗМ. Сталь разливали в формы для получения заготовок коромысла ковшей экскаваторов типа ЭКГ-5 по существующей технологии. Химический состав опытных сталей приведен в табл. 1. Из всех опытных составов стали изготавливались образцы для испытаний на растяжение, ударную вязкость, а также для металлографических исследований. Из отливок стали составов 1-6 изготавливали коромысла ковшей экскаваторов и проверяли их работоспособность. Термическая обработка опытных образцов включает закалку от 900...940°С и последующий отпуск при 640...660°С. Результаты испытаний представлены в сводной табл. 2. Из приведенных в табл. 2 результатов испытаний можно сделать следующие выводы. Предлагаемая сталь опытных составов 2-4 превосходит сталь-прототип по всем показателям за счет дополнительного легирования и обработки РЗМ. Содержание кислорода в опытных образцах из предлагаемой стали на 30% меньше, чем в известной. Содержание других газов (азота и водорода) практически одинаково. Неметаллические включения в предлагаемой стали распределены равномерно, по размерам они мельче и имеют более правильную (округлую) форму. Улучшенные качество и свойства предлагаемой стали обеспечили повышение стойкости изделий в 2,5...2,7 раза. Предлагаемая сталь опробована на Криворожском Центральном рудоремонтном заводе. Отработана технология ее выплавки и изготовления из нее коромысел ковшей экскаваторов типа ЭКГ-5, ЭКГ-8и, ЭКГ-4,6.