Зносостійка високомарганцевиста сталь

Реферат: Винахід належить до чорної металургії і стосується складу сталей для виготовлення великих виливків, що працюють в умовах наклепу та зношування. Зносостійка високомарганцевиста сталь містить, мас. %: вуглець - 0,65-0,90; марганець - 11,50-14,50; кремній - 0,30-0,60; ванадій 0,05-0,12; хром -0,30-1,30; алюміній - 0,01-0,04; кальцій - 0,0008-0,0020; титан - 0,02-0,08; нікель - не більше 1,00; фосфор - не більше 0,07; сірка - не більше 0,02; залізо - решта. Співвідношення між марганцем, хромом і вуглецем встановлено по наступному співвідношенню: властивостей, зношування 0,4Mn  Cr  5,0  10,5 . Винахід забезпечує одержання стабільних і оптимальних C необхідних для деталей, що працюють в умовах ударно-абразивного UA 97776 C2 (12) UA 97776 C2 UA 97776 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до чорної металургії, до ливарного виробництва, зокрема до складу сталей, які можуть бути використані для виготовлення великих виливків, що працюють в умовах наклепу та зношування, наприклад, як елементи обладнання, призначеного для видобутку й здрібнювання залізної руди. Відома високомарганцевиста аустенітна сталь 110Г13Л ГОСТ 977-88. [Повышение качества оливок из стали Γ13Л (ЦНИИТМАШ). - Μ.: Машгиз, 1953. - С. 106-204], що має хімічний склад, мас. % : вуглець 0,90-1,10 марганець 12,0-14,5 кремній 0,30-0,60 хром не більше 1,0 фосфор не більше 0,080 залізо решта. Недоліком відомої сталі є схильність до утворення тріщин під час термічної обробки, до появи об'ємної пористості, погіршення ливарних властивостей металу, що приводить до значної усадки. Крім того, механічні властивості сталі дуже сильно залежать від температури й режиму термічної обробки. Для одержання заданих механічних властивостей сталі необхідно проводити термічну обробку: нагрівання до температури 1050° - 1100 °C і загартування у воді. Проте, сталь прогартовується тільки на глибину 20-40 мм, середня частина виливка не загартована і під час роботи швидко зношується. Відома зносостійка високомарганцевиста сталь [Рекомендации по применению высоколегированной стали 75Г13Л на Норильском Горно-металлургическом комбинате, издат. Министерства цветной металлургии СССР. - Норильск, 1975. - С. 2-11], що містить компоненти в наступному співвідношенні, мас. % : вуглець 0,70-0,80 марганець 12,5-14,5 кремній не більше 0,50 нікель не більше 0,30 хром не більше 0,20 титан не більше 0,10 фосфор не більше 0,085 сірка не більше 0,04 залізо решта. Відома сталь має наступні механічні властивості: σв = 532 МПа; στ = 428 МПа;  = 18 %;  = 23 %. Відома сталь за рахунок відсутності карбідів по границях зерен у литому стані, не вимагає термообробки, що суттєво знижує її собівартість і підвищує вихід придатного за рахунок зниження браку по термічній обробці. Однак недоліком сталі є знижена зносостійкість, яка є результатом відсутності нітридів при вмісті хрому не більш 0,20 %, крім того висока температура заливання металу у форму - (1470 °C) не дозволяє одержати стабільне дрібне зерно в вилитій структурі. Таким чином, деталі з неї при роботі швидко зношуються. Найбільш близькою по технічній суті та результату, що досягається, є вилита зносостійка сталь для деталей гірничозбагачувального виробництва (сталь 90Х2Г9АНЛ), [патент РФ №2217521, МПК С22С 38/58, опубл. 27.11.2003], що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, фосфор, сірку й залізо, при наступному співвідношенні компонентів, у мас. % : вуглець 0,80-0,95 кремній 0,20-0,40 марганець 8,00-9,50 хром 1,2-1,45 нікель 0,95-1,10 фосфор не більш 0,070 сірка не більш 0,020 залізо решта. Недоліком відомої сталі є те, що при вмісті марганцю 8,0-9,5 % не забезпечується зносостійкість і міцність, необхідні для виливків, що працюють в умовах наклепу й зношування. При цьому високий зміст нікелю (0,95-1,10 %) значно підвищує собівартість виливків. Для одержання високих механічних властивостей необхідна термообробка - загартування на воду. 1 UA 97776 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Задачею винаходу є створення зносостійкої сталі для великих виливків, що не потребує термообробки, при одночасному зменшенні вмісту легуючих елементів і зниженні її собівартості. Задача вирішується шляхом оптимізації хімічного складу, що забезпечує одержання дрібнозернистої структури по всьому перетину виливка. Поставлена задача вирішується тим, що високомарганцевиста сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, ванадій, хром, сірку й залізо, відповідно до винаходу, додатково містить кальцій, алюміній, титан і ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. % : вуглець 0,65-0,90 марганець 11,50-14,50 кремній 0,30-0,60 ванадій 0,05-0,12 хром 0,30-1,30 алюміній 0,01-0,04 кальцій 0,0008-0,0020 титан 0,02-0,08 нікель не більше 1,00 фосфор не більше 0,07 сірка не більше 0,02 залізо решта, при цьому, співвідношення між марганцем, хромом і вуглецем встановлюється по наступному співвідношенню: 0,4Mn  Cr  5,0  10,5 C . При дотриманні зазначеного співвідношення компонентів у стані без спеціальної термічної обробки пропонована високомарганцевиста сталь має структуру, що складається з аустеніту та дрібнодисперсних включень карбідів округлої форми усередині зерна, має високу зносостійкість і достатню міцність, крім того сталь характеризується відсутністю схильності до утворення гарячих тріщин. Вуглець суттєво впливає на рівень майже всіх фізико-механічних і службових характеристик пропонованої сталі. При вмісті вуглецю менш 0,65 % значно зменшується зносостійкість сталі в умовах абразивного й ударного абразивного зношування. При вмісті вуглецю більш 0,90 % необхідна обов'язкова спеціальна термообробка сталі для розчинення великої кількості карбідів, що приводить до підвищення собівартості виливків. Отже, оптимальним для рішення поставленої у винаході задачі є діапазон вмісту вуглецю в сталі - 0,65-0,90 мас. % Наявність у сталі марганцю в межах 11,50-14,50 мас. % у присутності інших компонентів дозволяє одержати задану структуру без загартування. Якщо вміст марганцю менш 11,50 %, то в структурі сталі з'являється мартенсит охолодження при кімнатній температурі. Збільшення вмісту марганцю більш 14,50 мас. % приводить до стабілізації аустеніту й придбання негативних якостей - схильності до транскристалічної будови, підвищеній чутливості до перегріву й утворенню гарячих тріщин під час кристалізації, погіршення ливарних властивостей, збільшення об'ємної усадки. Крім того, високий вміст марганцю підвищує собівартість виливка. Кремній є необхідним технологічним додатком у сталі. Зниження вмісту кремнію в сталі менш 0,30 мас. % приводить до збільшення вигорання під час плавки більш дорогого марганцю, тому що кремній має більшу спорідненість до кисню, ніж марганець. Підвищення змісту кремнію більш 0,6 мас. % приводить до помітного зниження розчинності вуглецю в аустеніті, створюючи умови для випадання значної кількості карбідів при первинній кристалізації сталі. Підвищення вмісту ванадію в сталі більш 0,12 мас. % викликає збільшення розмірів, і кількості карбідів ванадію і таким чином зменшує ударну в'язкість сталі. Хром забезпечує утворення карбідів хрому, що підвищують межу текучості й зносостійкість сталі. У випадку, коли вміст хрому в сталі менш 0,3 %, він не поліпшує зносостійкість і не впливає на твердість металу. Якщо вміст хрому перевищує 1,3 %, при вмісті вуглецю 0,65-0,90 % по границям і усередині зерен спостерігаються виділення великих карбідів, при цьому внаслідок високих внутрішніх напружень зростає схильність виливків до утворення тріщин і зниження ударної в'язкості, що вимагає обов'язкової спеціальної термообробки. Алюміній забезпечує одержання сталі, що має максимальну щільність й корозійну стійкість, дозволяє підвищити засвоюваність титану, ванадію й кальцію. У випадку, коли вміст алюмінію менш 0,01 % - межа міцності знижується незалежно від вмісту в цій сталі марганцю, що характеризує недостатню розкисленність металу. Якщо вміст перевищує 0,04 %, то 2 UA 97776 C2 5 10 15 20 забруднення металу корундом і шпінеллю збільшується, зростає дендритність структури, схильність до утворення тріщин, знижується міцність, пластичність, ударна в'язкість металу. Кальцій уводиться в сталь із розкислювачами й модифікаторами призначеними для підвищення рідкотекучості сталі під час її позапічного рафінування. Введення кальцію дозволяє знизити температуру заливання металу, забезпечує подрібнювання структури при первинній кристалізації, сприяє зменшенню вмісту кисню в сталі. Коли вміст кальцію менш 0,0008 %, це свідчить про відсутність модифікування сталі силікокальцієм і не виявляє впливу на силікати; при вмісті кальцію вище 0,0020 % вміст кисню знижується незначно й мало впливає на рідкотекучість металу і є економічно недоцільним. Титан забезпечує підвищення зносостійкості, подрібнювання структури при первинній кристалізації й поліпшення механічних характеристик. Особливо помітне поліпшення зносостійкості сталі при одночасному уведенні в неї титану й алюмінію. Титан підвищує сприйнятливість сталі до наклепу, і помітно гальмує зростання аустенітного зерна при кристалізації металу. У випадку, коли вміст титану менш 0,02 % розмір мікрозерна практично не змінюється, а підвищення зносостійкості не спостерігається. Якщо вміст титану перевищує 0,08 % - ударна в'язкість помітно зменшується. Високомарганцевиста сталь для виготовлення великих виливків, що працюють в умовах наклепу й зношування, наприклад, як запчастин елементів устаткування, призначених для видобутку й подрібнювання залізної руди, яка включає залізо, вуглець, марганець, кремній, хром, ванадій, титан, кальцій, причому в ній забезпечується наступне співвідношення елементів: 0,4Mn  Cr  5,0  10,5 C . 25 30 При дотриманні зазначеного співвідношення компонентів у сталі без спеціальної термічної обробки пропонована високомарганцевиста сталь має високу зносостійкість, достатню міцність. Сталь має аустенітну структуру з наявністю карбідів усередині зерен, на всю товщину виливка, внаслідок чого характеризується повною відсутністю схильності до утворення гарячих тріщин. Із цієї сталі рекомендується відливати деталі складної конфігурації, схильні до враження тріщинами в процесі кристалізації й охолодження металу у формі. 0,4Mn  Cr  C При співвідношенні менш ніж 5 підвищується ударна в'язкість сталі, але значно знижується абразивна зносостійкість в умовах ударно-абразивного зношування. 0,4Mn  Cr 35 40 45 50  C При співвідношенні більше ніж 10,5 підвищується зносостійкість сталі, але, у той же час і значно знижуються механічні властивості за рахунок утворення карбідів більших розмірів, що вимагає спеціальної термічної обробки. Пропонована зносостійка сталь виготовляється наступним чином. Пропоновану зносостійку високомарганцевисту сталь виплавляли в основній електродуговій печі. Перед плавкою на подину задавали шамотний бій, вапняк. У шихту входили наступні компоненти: лом марганцевистий, стружка сталева; по розплавлюванню проводили корегування металевим марганцем. Плавка виконувалася методом сплавлення, відповідно діючої на заводі технологічній інструкції. Перед випуском наводили високоосновний шлак і проводили дифузійне розкислення. Вміст МnО і FeO у шлаках не перевищувало 4 % і 1,5 % відповідно. При досягненні задовільного хімічного складу металу й температурі в печі 1520-1530 °C робили випуск металу в ківш із температурою футеровки 600-700 °C та температурою заливання 1460 °C. Після випуску здійснювали позапічне рафінування сталі: алюміній АВ-87, силікокальцій СК30, феротитан ФТи70С1, ферованадій ФВд50. Було виплавлено 5 варіантів хімічного складу зносостійкої високомарганцевистої сталі, які представлено в Таблиці 1. 3 UA 97776 C2 Таблиця 1 Елемент 1 С Μn Si Ni V Cr Al Ca Ті Ρ S N Fe 5 10 Аналог 75Г13Л 2 0,80 13,92 0,22 0,16 0,16 0,030 0,030 0,060 0,009 Решта Прототип 90Х2Г9АНЛ 3 0,93 8,10 0,27 0,96 1,45 0,061 0,019 0,036 Решта Плавка 1 Плавка 2 Плавка 3 Плавка 4 Плавка 5 4 0,70 11,80 0,50 0,20 0,06 0,30 0,015 0,001 0,025 0,070 0,008 Решта 5 0,74 13,00 0,58 0,15 0,05 0,60 0,020 0,0015 0,060 0,065 0,010 Решта 6 0,81 12,00 0,35 0,10 0,07 0,70 0,012 0,0008 0,080 0,065 0,009 Решта 7 0,86 14,50 0,54 0,31 0,09 0,82 0,04 0,001 0,036 0,052 0,008 Решта 8 0,75 12,20 0,56 0,30 0,06 1,30 0,015 0,012 0,022 0,050 0,004 Решта Для визначення граничних значень механічних властивостей отриманої сталі досліджували спеціально відлиті зразки з різним вмістом хімічних елементів. Зразки вирізали із середини циліндричних проб, що мають довжину 300 мм і діаметр 100 мм. Проби формували вертикально по 2 штуки в опоці, метал підводили сифоном. Для формування використовували піщаноглинисту суміш. У таблиці 2 представлене порівняння механічних властивостей пропонованої сталі без термічної обробки з аналогом 2 - сталлю 75Г13Л в таблиці 3 з термічною обробкою (нагрівання 1100 °C і загартування у воду) у порівняння із прототипом сталлю 90Х2Г9АНЛ. Таблиця 2 № п/п 1 1 2 3 4 5 6 15 Механічні властивості 2 στ, МПа σв, МПа ,% δ,% НВ Зносостійкість Аналог 75ПЗЛ 3 428 532 23 18 175 1 Плавка 1 Плавка 2 Плавка 3 Плавка 4 Плавка 5 4 450 750 30 28 190 1,1 5 475 680 26 24 197 1,2 6 480 620 27 22 200 1,3 7 460 600 26 17 217 1,4 8 490 560 20 17 220 1,4 По варіанту (плавка 4, див. Таблицю 1) виконані виливки «Зуб ковша» без термообробки й проведені випробування на екскаваторі ЕКГ-8И в умовах Криворізького басейну: наробіток 3 3 3 склав 55490 м (Руда 19852 м , скеля 35638 м ), що на 44 % перевищує наробіток серійних зубів зі сталі 110Г13Л (Р0,08 %). Таблиця 3 № п/п 1 1 2 3 4 5 6 7 Механічні властивості 2 στ, МПа в, МПа Ψ,% δ,% НВ 2 KCU кДж/м Зносостійкість відносно сталі 110Г13Л Прототип 90Х2Г9АНЛ 3 880 38 29 228 232 Плавка 4 4 480 860 36 40 220 240 1,1 1,44 4 UA 97776 C2 5 10 Як помітно з таблиці 2 і таблиці 3 механічні випробування показали, що при вмісті окремих компонентів у сталі із плавки 1, (нижче, чим зазначена у формулі винаходу нижня межа вмісту даного хімічного компонента) вплив цього хімічного компонента на властивості сталі не помітно. З таблиць помітно, що додатково введені до складу сталі кальцій, алюміній, титан і ванадій, у сукупності з основним складом сталі дають додатковий ефект, що полягає в підвищенні зносостійкості сталі, навіть без термічної обробки йдодаткове підвищення властивостей при проведенні термообробки, при зменшеній вартості, ніж у прототипу. Витрата феромарганцю при виробництві виливків із пропонованої сталі досить швидко окупається відсутністю браку по гарячих тріщинах і виключенням дорогої технологічної операції - гартування. Пропонований склад сталі забезпечує одержання стабільних і оптимальних властивостей, необхідних для використання даної сталі для виготовлення деталей виливків, що працюють в умовах ударно абразивного зношування: міцності, в'язкості, зносостійкості, а також високих ливарних властивостей, при невисокій собівартості. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Зносостійка високомарганцевиста сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, фосфор, сірку й залізо, яка відрізняється тим, що додатково містить кальцій, алюміній, титан і ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. % : вуглець 0,65 - 0,90 марганець 11,50 - 14,50 кремній 0,30 - 0,60 ванадій 0,05 - 0,12 хром 0,30 - 1,30 алюміній 0,01 - 0,04 кальцій 0,0008 - 0,0020 титан 0,02 - 0,08 нікель не більше 1,00 фосфор не більше 0,07 сірка не більше 0,02 залізо решта, при цьому, співвідношення між марганцем, хромом і вуглецем встановлено по наступному співвідношенню: 0,4Mn  Cr  5,0  10,5. C Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5