Патент на изобретение №2373022

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ СТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии. Расплавляют сталь 20Х13Л, добавляют бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава, производят заливку формы и охлаждение. Отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при 750°С, нагрева отливок до 950°С, выдержки при 950°С±10°С от 2 до 2,5 часов и охлаждают вместе с печью до 550°С. Отливки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Проводят закалку в печи, нагретой до 800°С. Отливки нагревают до 1050°С±10°С, выдерживают от 2,2 до 2,3 часов, охлаждают на воздухе до 100°С от 2,5 до 3,0 часов. Осуществляют отпуск при 580°С±10°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением отливок на воздухе до температуры окружающей среды. Достигается повышение износостойкости и твердости отлитых деталей. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения отливок из стали с высокими механическими свойствами, которые могут использоваться в качестве деталей оборудования, работающих при повышенных нагрузках и подвергающихся абразивному износу, например деталей центробежных насосов.

Известен способ получения отливок из высокомарганцевистой износостойкой стали, включающий выплавку ее в дуговых электропечах, получение из нее отливок в песчаных формах, их закалку в воде с температуры нагрева 1100-1150°С и общим временем нагрева до 22 ч при следующем соотношении в ней компонентов, мас.%: углерод 0,8-1,5, кремний 0,5-1,0, марганец 11-15, фосфор менее 0,08, сера менее 0,05, железо – остальное, (см. Свойства стали Г13Л и современная технология ее выплавки в электропечах. Сборники статей под ред. А.Соколова. Москва, ВПТИстройдормаш. 1958).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления отливок, заключающийся в том, что расплавляют сталь, добавляют в нее модифицирующие элементы, производят заливку формы и охлаждение (см. авторское свидетельство SU 639643, кл. B22D 27/04, 30.12.1978).

Данный способ позволяет снизить трудоемкость изготовления отливок и повысить их физико-химические свойства. Однако данный способ изготовления отливок не дает возможности получения отливок с заданной микроструктурой отливок, что не позволяет получить отлитые детали с требуемой износостойкостью и твердостью.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение отливок из стали с заданной микроструктурой отливок.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение износостойкости и твердости отлитых из легированной стали деталей.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ изготовления отливок из стали заключается в том, что расплавляют сталь, добавляют в нее модифицирующие элементы, производят заливку формы и охлаждение, причем расплавляют сталь 20X13Л, затем в расплав стали перед разливкой расплава в форму добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля (редкоземельные элементы 20%; Al20%; Ti5%; Са1%; Ni – остальное) в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава, после чего заливают расплав в формы и производят охлаждение отливок, а затем полученные отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагревают отливки до температуры 950°С, выдерживают при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 часов и охлаждают вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки в печь при температуре 800°С, нагреве отливки до температуры 1050°С±10°С, выдержке в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 часов, охлаждении на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 часов и отпуске при температуре 580°С±10°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением отливки на воздухе до температуры окружающей среды.

Способ получения отливок из стали осуществляют следующим образом.

Плавку стали осуществляют в плавильных электродуговых или индукционных электропечах. Отливки получают путем заливки жидкой стали в литейные формы. После извлечения из форм отливки подвергают очистке и обрубке обычно применяемыми для этого способами, при этом расплавляют сталь 20X13Л, затем в расплав стали перед разливкой расплава в форму, например в форму рабочих колес центробежных насосов, добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава. После этого заливают расплав в формы и производят охлаждение отливок. Затем полученные отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагревают отливки до температуры 950°С, выдерживают при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 часов и охлаждают вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки в печь при температуре 800°С, нагреве отливки до температуры 1050°С±10°С, выдержке в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 часов, охлаждении на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 часов и отпуске при температуре 580°С±10°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением отливки на воздухе до температуры окружающей среды.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными свойствами.

Пример

Для определения влияния модифицирования на свойства стали 20X13Л были залиты два блока образцов (блок образцов для проведения испытания механических свойств в соответствии ГОСТ 977-88) с одной плавки 1469, химический состав представлен в таблице 1.

Таблица 1
Химический состав	С	Cr	Fe	Mn	Si	S	Р
Плавка 1469	0,18	13,1	осн.	0,57	0,31	0,013	0,025
Химический состав стали 20X13Л по ГОСТ 977-88	0,160,25	12,014,0	осн.	0,30,8	0,20,8	0,025	0,03

Первый блок образцов заливался расплавом стали, подвергнутым модифицированию бескремнистой комплексной лигатурой. Лигатура вводилась в ковш перед разливкой в количестве 0,03-0,05% (приблизительно 120 грамм) от массы расплава в ковше.

Второй блок образцов заливался расплавом стали той же плавки без введения модификатора.

При сравнении микроструктуры на образце без модифицирования (микролегирования) выявляется более крупнозернистая структура с карбидами по границам зерна.

Твердость в литом состоянии составляет:

образец модифицированный d_опт. 2,75 (НВ 495), образец немодифицированный d_опт. 2,9 (НВ 444) – повышение износостойкости и твердости отлитых из легированной стали деталей.

Для выравнивания дендритной структуры, получаемой отливками при первичной кристаллизации, и улучшения обрабатываемости при механической обработке отливки рабочих колес и исследуемые образцы подвергаются отжигу по режиму: загрузка в печь при температуре 750°С, нагрев до 950°С и выдержка при 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 ч, охлаждение вместе с печью до 550°С, дальнейшее охлаждение на воздухе. Для предотвращения образования холодных трещин, к которым склонна сталь 20X13Л, охлаждение отливок и образцов производится с температуры 950°С до 550°С вместе с печью.

Механические свойства, полученные на образцах, прошедших отжиг, представлены в таблице 2.

Таблица 2
Механические свойства стали 20X13Л после отжига	Показатели механических свойств
B (кг/мм2)	02 (кг/мм2)	(%)	(%)	ак, кгс·м/см2	dопт., (мм) НВ
63,9	56,7	13,4	25,2	5,0	34,3 (НВ 197)

При замедленном охлаждении при отжиге происходит выделение карбидов по границам зерен, которое приводит к снижению коррозионной стойкости отливок.

Для обеспечения требований по износостойкости и коррозионностойкости отливки рабочих колес подвергаются термической обработке по следующему режиму: загрузка в печь на закалку при температуре 800°С, нагрев до 1050°С±10°С и выдержка при 1050°С±10°С в течение 2 час 15 мин. Охлаждение на воздухе до температуры 100°С (2,5-3 часа), отпуск при температуре 580°С±10°С в течение 3-х часов с охлаждением на воздухе.

Из сравнения образцов видно, что микроструктура модифицированного (микролегированного) образца более мелкозернистая с менее выраженным остаточным аустенитом и значительно меньшим выделением карбидов по границам зерен.

Механические свойства, полученные на образцах, прошедших модифицирование в процессе плавки стали и полный цикл вышеуказанной термообработки, представлены в таблице 3, в которой также представлены механические свойства стали 20X13Л после термообработки по ГОСТ 977-88.

Таблица 3
Механические свойства стали 20X13Л после упрочняющей термической обработки, (подвергнутой модифицированию)	Показатели механических свойств
B (кгс/мм2)	02 (кгс/мм2)	(%)	(%)	ак, кгс·м/см2	dопт (мм) НВ
106,2	92,4	9,0	18,3	3,0	3,6 (НВ 285)
Механические свойства стали 20X13Л после закалки с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска в соответствии с ГОСТ 977-88	589 мПа (60 кгс/мм2)	441 мПа (45 кгс/мм2)	16	40	392 кДж/м2 (3,9 кгс/см2)

Анализ полученных результатов показывает следующее

1) получены более высокие прочностные характеристик стали 20X13Л (по сравнению с ГОСТ 977-88) в результате проведения операции модифицирования расплава и упрочняющей термической обработки;

2) получена благоприятная мелкозернистая микроструктура с меньшим выделением карбидов по границам зерен.

Настоящее изобретение может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей различного технологического оборудования методом отливки, в частности деталей оборудования, работающих при повышенных нагрузках и подвергающихся абразивному износу, например деталей центробежных насосов.

Формула изобретения

Способ изготовления отливок из стали, заключающийся в том, что расплавляют сталь 20Х13Л, добавляют в нее модифицирующие элементы и производят заливку формы, при этом в расплав стали перед заливкой расплава в форму добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава, после чего заливают расплав в формы и производят охлаждение отливок, затем полученные отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагрева отливок до температуры 950°С, выдержки при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 ч и охлаждения вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки отливок в печь при температуре 800°С, нагрева отливок до температуры 1050°С±10°С, выдержки в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 ч, охлаждения на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 ч и отпуск при температуре 580°С±10°С в течение 3-х ч с последующим охлаждением отливок на воздухе до температуры окружающей среды.