Легированные конструкционные литейные стали

Легирование литейных сталей осуществляется главным образом, исходя из требований по механическим или специальным служебным свойствам. Литейные свойства низколегированных сталей практически совпадают с литейными свойствами углеродистых сталей при соответствующем содержании углерода. У средне- и высоколегированных сталей эти свойства, как правило, хуже, чем у углеродистых сталей.

Различные элементы влияют на свойства сталей следующим образом.

Кремний при содержании до 0,4–0,5% действует как раскислитель и положительно влияет на литейные свойства. Он повышает жидкотекучесть и снижает горячеломкость стали; увеличивает плотность отливки и немного линейную усадку. При содержании кремния свыше ~0,5% жидкотекучесть снижается, а горячеломкость возрастает; ухудшается также качество первичной структуры.

Марганец до 1% также действует главным образом как раскислитель и улучшает литейные свойства. При концентрации марганца свыше 1% возрастает горячеломкость стали, так как вследствие уменьшения теплопроводности увеличиваются литейно-термические напряжения. Минимальный объем усадочной раковины фиксируется при 1,2% Мп.

Хром в количестве 1–2% несколько увеличивает практическую жидкотекучесть стали но условно – истинная жидкотекучесть снижается вследствие увеличения склонности стали к пленообразованию. Небольшие добавки хрома улучшают трещиноустойчивость, но при добавках свыше 0,8% возрастает склонность к образованию крупнозернистой структуры и горячеломкость стали. Объем концентрированной усадочной раковины и суммарная объемная усадка заметно возрастают с увеличением содержания хрома до ~5%.

Никель в количестве до 3,5% повышает жидкотекучесть стали увеличивает суммарную усадку и объем усадочной раковины в прибыли, а также снижает теплопроводность стали, понижает ее трещиноустойчивость в такой же мере, как хром.

Медь существенно улучшает жидкотекучесть стали и при увеличении ее содержания от 0,1 до 3% жидкотекучесть низкоуглеродистой стали возрастает от 870 до 1300 мм. Горячеломкость стали при введении меди изменяется незначительно, несколько увеличивается объем усадочной раковины, линейная усадка практически не изменяется. Вследствие этого медь является ценным легирующим элементом в литейных сталях.

Ванадий, молибден и вольфрам при малом содержании способствуют улучшению литейных свойств сталей, но при возрастании их содержания до ~1% жидкотекучесть и трещиноустойчивость снижаются.

Кобальт незначительно улучшает жидкотекучесть и иногда увеличивает усадочную пористость.

Алюминий и титан являются сильными раскислителями. Поэтому их влияние на литейные свойства стали носит сложный характер. Для получения хорошей жидкотекучести и трещиноустойчиврсти оптимальными являются небольшие добавки алюминия (0,05–0,1%) или титана (~0,15%). Увеличение содержания этих элементов до 0,5–1% приводит к возрастанию горячеломкости и пористости отливок, жидкотекучесть понижается. Алюминий и титан значительно повышают склонность стали к пленообразованию. При открытой плавке стали с 0,5% Ti на поверхности образуется сплошная пленка его окислов. Небольшие добавки титана и алюминия повышают плотность стали, способствуют измельчению первичной структуры, так как химические соединения А1₂О₃, TiC, TiN в дисперсном состоянии играют роль модификаторов I рода.

Легированные конструкционные литейные стали содержат по 0,5–1,5% основных легирующих элементов – Сг, Ni, Si, Mn, Сu.

Концентрация углерода обычно не превышает 0,35–0,40% (во избежание сильного снижения пластичности). Для улучшения технологических свойств, измельчения зерна и повышения ударной вязкости в стали вводят добавки Мо, V (0,05–0,3%) и Ti (0,05–0,1%). При легировании в этих пределах сталь имеет перлитную структуру, а в нормализованном состоянии – феррито-перлитную. По содержанию основных легирующих элементов стали можно условно разбить на несколько групп. В пределах каждой группы с увеличением суммы легирующих элементов происходит значительное возрастание σ_в и σ_т (а также отношения σ_т/σ_в) при некотором снижении пластичности.

Для легированных конструкционных сталей применяют три основных варианта термической обработки.

1. Нормализация с высоким отпуском – наиболее простая термическая обработка, не обеспечивающая, оптимального комплекса свойств.

2. Закалка в масле с высоким отпуском (термоулучшение) обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности.

3. Закалка с низким отпуском обеспечивает наиболее высокую прочность при снижения пластичности.

Марганцевые стали (20ГЛ, З0ГЛ и др.) содержат 1–2% Мn и 0,2–0,4% С. Они относятся к наиболее дешевым легированным сталям, обладают более высокой прочностью, ударной вязкостью и прокаливаемостью, чем углеродистые. Поэтому из них изготавливают отливки, работающих в сложных условиях ударно-абразивного износа (детали дробилок, мельниц, бронеплиты, а также в машиностроении – валы, траверсы, зубчатые колеса).

Хромистые стали (40ХЛ и др.) имеют более высокую прочность и прокаливаемость, чем углеродистые (при той же пластичности). Из них изготавливают толстостенные отливки (60–80 мм) для машиностроения. Литейные свойства этих сталей незначительно отличаются от литейных свойств углеродистых сталей с соответствующим содержанием углерода. Введение хрома способствует образованию крупнозернистой структуры, поэтому в хромистые стали вводят небольшие добавки молибдена (35ХМЛ), улучшающие структуру и свойства литых сталей. Кроме того, добавки молибдена уничтожают отпускную хрупкость сталей при термической обработке.

Сталь хромансил (ЗОХГСЛ) комплексно легирована добавками хрома, кремния и марганца, что придает ей высокую прочность и прокаливаемость. Она применяется для отливки ответственных деталей с максимальной толщиной стенки до 80–100 мм, работающих в условиях ударно-абразивного износа (рычаги, валы, толкатели, шестерни). Сталь подвергается термической обработке – закалке (или нормализации) с последующим средним или высоким отпуском. Она обладает хорошей жидкотекучестью, позволяющей получать отливки с минимальной толщиной стенки до 4 мм, однако отливки отличаются крупнозернистостью и склонны к образованию трещин и короблению. Для улучшения структуры и технологических свойств в сталь часто вводят небольшие добавки молибдена, титана и ванадия.

Хромоникелевые стали (З0ХНМЛ и др.) по комплексу механических свойств занимают одно из первых мест среди конструкционных сталей. Они используются для изготовления особо ответственных высоконагруженных деталей. Совместное влияние хрома и никеля проявляется в измельчении зерна при кристаллизации и фазовой перекристаллизации, в значительном увеличении прокаливаемости, что делает сталь пригодной для изготовления крупногабаритных отливок. Никель в легирующем комплексе обеспечивает сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Для уничтожения отпускной хрупкости в сталь необходимо вводить ~0,3% Мо. Термическая обработка состоит из нескольких последовательных операций: гомогенизации, нормализации, закалки, высокого отпуска. Она позволяет получить равномерные свойства по всему сечению толстостенных отливок.

Хром и никель увеличивают взякость жидкой стали, однако жидкотекучесть по сравнению с углеродистой'сталью уменьшается незначительно. Доперлитная свободная усадка у Сг–Ni–Мо стали значительно выше, чем у углеродистой, и достигает ~2%. Сталь склонна к образованию горячих трещин и межкристаллического «камневидного» излома. К недостатку стали следует отнести также высокую стоимость за счет содержания дефицитного никеля. Поэтому во всех возможных случаях хромоникелевую сталь следует заменять более дешевой хромомарганцовой сталью.

Медистые стали (20ДХЛ, 08ГДНФЛ и др.) обычно содержат 0,5–2,0% Сu, а также добавки хрома, никеля и марганца. Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению (после закалки), в результате чего повышается прочность и упругость, обеспечивается равномерность свойств в толстых и тонких сечениях отливки. Так как стали обладают достаточно хорошей жидкотекучестью и трещиноустойчивостью, они могут быть использованы для ответственных крупногабаритных фасонных отливок в судостроении и турбостроении. При последующем монтаже конструкций эти отливки часто подвергаются сварке.

Многие конструкционные легированные стали успешно модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшается комплекс механических и литейных свойств.

Графитизированная сталь занимает особое положение по структуре и свойствам. Она содержит 0,9–1,5% С, 1,0–1,4% Si и 0,5% Мn. Повышенное содержание углерода и кремния обеспечивает хорошую жидкотекучесть и другие литейные свойства. В литом состоянии структура стали представляет собой перлит и вторичные выделения цементита; весь углерод находится в связанном состоянии. Во время термической обработки (отжиг с нагревом до 900 °С и последующим медленным охлаждением в интервале температур 800–700 °С) часть цементита претерпевает распад с образованием графитных выделений. В результате микроструктура состоит из перлитной матрицы, в которой связано ~0,8% С, и выделений графита. Графитизированная сталь хорошо обрабатывается резанием, имеет повышенные антифрикционные свойства. Механические свойства стали (σ_в = 800 МПа, σ_т = = 500 МПа, б = 10%), поэтому из неё изготавливают отливки, работающие в условиях ударно-абразивного износа, при отсутствии ударных нагрузок (втулки, вкладыши, матрицы).