Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали и может быть использовано в машиностроении для изготовления различных деталей машин и механизмов металлургического производства. Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций железо, при выполнении условия, что сумма углерода и азота ≅0.26. Сталь обеспечивает повышение прочностных характеристик в 1,6-2 раза при сохранении пластичности на достаточно высоком уровне. 2 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к конструкционным материалам на основе железа, содержащим углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, которые используются для изготовления различных деталей машин и механизмов металлургического производства.

В металловедении конструкционных материалов известны следующие стали на основе железа, содержащие углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, азот, кальций, медь, титан.

1. Авторское свидетельство 1507849 кл. С 22 С 38/46, 1989 Бюл. 34.

2. Авторское свидетельство 1498814,кл. С 22 С 38/46, 1989 Бюл. 29.

3. Авторское свидетельство 1507851 кл. С 22 С 38/50. 1989 Бюл. 34.

В качестве прототипа выбрано изобретение по авторскому свидетельству 1507851 кл. С 22 С 38/50, 1989, в котором описана конструкционная сталь, используемая в металлургии и содержащая в мас. углерод 0,20-0,26; ванадий 0,03-0,20; марганец 0,75-0,98; титан 0.008-0,15; кремний 0,20-0,29; азот 0,005-0,02; хром 0,35-0,50; молибден 0,008-0,10; никель 0,15-0,30; кальций 0,005-0,01; медь 0,15-0,30; железо остальное.

Указанная сталь после охлаждения на воздухе с высоких температур имеет хорошую пластичность, но сравнительно невысокие прочностные свойства. Такая простая термическая обработка является привлекательной для производства, но возникает необходимость в повышении прочности то есть разработке стали, которая после указанной выше термической обработки обладала бы высокими прочностными и хорошими пластическими свойствами. Задача решается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, железо остальное, имеет следующее соотношение химических элементов (мас.): углерод 0,15-0,22; ванадий 0,8-1,0; марганец 0,61-0,80; титан 0,008-0,15; кремний 0,20-0,31; азот 0,01-0,03; хром 6,9-8,5; молибден 0,008-0,010; никель 0,16-0,41; кальций 0,005-0,010; медь 0,05-0,10; железо остальное.

Сравнение предлагаемой стали с прототипом показывает, что ее состав отличается повышенным содержанием хрома и ванадия-при определенном соотношении остальных элементов. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна". При этом сумма элементов внедрения (С + ) 0,26. Увеличение суммарного количества элементов внедрения приводит к снижению пластичности стали. Вредные добавки таких элементов, как сера и фосфор, не должны превышать 0,02% В предлагаемой стали увеличение количества хрома и ванадия, по сравнению с известной сталью, имеет важное значение. Материалы на основе железа, содержащие элементы внедрения (С + ) 0,26 и сравнительно небольшие добавки ( 1%) таких элементов, как марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, молибден, кальций, после закалки на воздухе имеют в структуре феррит и феррита-карбидную смесь. Закалка на воздухе наиболее технологичная операция термообработки, и она широко применяется в промышленности. Увеличение количества хрома до 6,9-8,5% позволяет получить в основном мартенситную структуру, которая обеспечивает большую прочность стали.

Увеличение количества ванадия до 0,8-1,0% позволяет, кроме того, сделать сталь дисперсионно-упрочняемой, то есть закаленная сталь в процессе охлаждения на воздухе повышает прочностные свойства в результате выделения в мартенсите карбонитридных частиц типа VC(N). Поскольку частицы имеют небольшие размеры (не более 5-10 нм), они Плохо видны в мартенситных кристаллах даже в электронный микроскоп из-за высокой плотности дислокаций. Такие мелкодисперсные частицы уверенно фиксируются электронномикроскопически в аустенитных сталях, где их наблюдению не мешают дислокации (Сагарадзе В.В. Уваров А.И. Упрочнение аустенитных сталей. М. Наука, 1989. 270 с.). Карбонитриды выделяются при отпуске. В этом случае прочность стали будет определиться двумя факторами: упрочнением за счет выделения карбонитридов и разупрочнением мартенситных кристаллов при нагреве.

С целью доказательства соответствия предлагаемого изобретения критерию "иэобретательский уровень" проанализируем известность отличительных признаков объекта в известных технических решениях данной области техники. Стали с большим количеством хрома применяются в промышленности. Например, 08Х13, 08Х17Т (ферритного класса), 12Х13, 14Х17Н2 (мартенситно-ферритного класса), 40Х13 (мартенситного класса). Однако, как правило, в этих материалах количество хрома Cr>12% так как такое легирование имеет целевое назначение: получение коррозионностойких материалов. Доело закалки на воздухе сталь мартенситного класса имеет очень низкую пластичность, а стали ферритного и мартенситно-ферритного классов низкую прочность, как указанный выше прототип. В предложенной стали подобрано оптимальное количество хрома, которое обеспечивает получение стали с высокой прочностью. В настоящее время в научно-технической и патентной литературе не обнаружено сведений относительно влияния больших (V≥0,8% ) добавок ванадия на механические свойства закаленной стали близкого к прототипу состава. Ванадий в количестве 0,03-0,20% вводится в сталь для получения после закалки мелкого зерна (Голиков И.Н. Гольдштейн М. И. Мурзин И.И. Ванадий в стали. М. Металлургия, 1968. 291 с.). Оптимальное количество ванадия в предлагаемой стали, с одной стороны, уменьшает вредное влияние хрома на пластичность, а с другой обеспечивает упрочнение стали за счет мелкодисперсных частиц карбонитридов ванадия, выделяющихся в твердом растворе в процессе охлаждения на воздухе. Все вышеизложенное обеспечивает соответствие заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Пример выполнения. Слитки весом по 10 кг выплавляли вакуумным методом и ковали при 1050-1150°C в прутки сечением 15х15 мм Химический состав сталей приведен в табл.1. Заготовки длиной 60 мм, вырезанные из прокованных прутков, нагревали до IIOO^oC, проводили изотермическую выдержку (1 ч.) и охлаждали на воздухе. Из закаленных на воздухе брусков изготавливали образцы для механических испытаний (ГОСТ 1497-84 тип III). Растяжение проводили на машине ЦД-10/90. Механические свойства известной и предлагаемой стали представлены в табл.2. После закалки на воздухе в известной стали получены следующие механические свойства: временное сопротивление σ_в 920 МПа, условный предел текучести σ_0,2 680 МПа, относительное удлинение δ= 17% и относительное сужение j 59% В предлагаемой стали, в которой увеличено содержание хрома и ванадия, после аналогичной обработки временное сопротивление увеличивается в 1,6-1,8 раза, а условный предел текучести в 1,8-2 раза. При этом характеристики пластичности ((δ и Ψ)) хотя и несколько снижаются, но остаются на достаточно высоком уровне (табл. 2). Отпуск предлагаемой и известной сталей в пределах 200-550°C практически не изменяет механические свойства. Именно в этом температурном интервале проводят отпуск крупных изделий на заводах для снятия внутренних напряжений, Следовательно, неизменность механических свойств имеет практическое значение.

Количество ванадия в предлагаемой стали подобрано таким образом, чтобы связать элементы внедрения (С+N) в карбонитриды ванадия VC(N). Увеличение количества ванадия приводит только к удорожанию материала, а уменьшение к снижению упрочнения за счет дисперсионного твердения, обусловленного выделением высокодисперсных частиц карбонитридов ванадия. Ванадий имеет большее сродство к углероду и азоту, поэтому образование карбонитридов, выделяющихся внутри зерна, в значительней степени задерживает выделение карбидов хрома по границам зерна, что повышает пластичность. При значительном количестве хрома в стали (Сr>10%) эффективность влияния ванадия уменьшается из-за сильной интенсификации образования карбидов хрома.

Таким образом, увеличение в известной стали количества хрома и ванадия в указанных выше оптимальных соотношениях имеет принципиальное значение для существенного увеличения прочностных свойств (1,6-2 раза) и сохранения пластичности на достаточно высоком уровне.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,15-0,22 Марганец 0,61-0,8 Кремний 0,2-0,31 Хром 6,9-8,5 Никель 0,16-0,41 Медь 0,05-0,1 Ванадий 0,8-1 Титан 0,008-0,015
Азот 0,01-0,03
Молибден 0,008-0,01
Кальций 0,005-0,01
Железо Остальное,
при выполнении условия, что сумма углерода и азота меньше либо равна 0,26.

РИСУНКИ

Рисунок 1