Сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным сталям, используемым при производстве горячекатаных листов для изготовления сварного несущего корпуса телескопической стрелы автомобильного подъемного крана. Сталь содержит 0,12-0,18% углерода, 1,2-1,5% марганца, 0,5-0,8% кремния, 0,5-1,0% хрома, 0,5-0,8% никеля, 0,03-0,3% меди, 0,2-0,6% молибдена, 0,1-0,2% ванадия, 0,02-0,05% алюминия, 0,003-0,02% фосфора, 0,003-0,015% серы, 0,006-0,03% кальция, остальное - железо. С целью повышения механических свойств стали, эксплуатационной стойкости изделий и исключения необходимости дополнительной термической обработки горячекатаных листов, она дополнительно содержит 0,01-0,03% титана. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным сталям, используемым при производстве горячекатаных листов для изготовления сварных деталей телескопической стрелы автомобильного подъемного крана.

Для изготовления сварного несущего корпуса телескопической стрелы используют горячекатаные листы из низколегированной стали, имеющие толщину 5-8 мм. При изготовлении деталей листы подвергают вырубке, холодной гибке, сварке, а в процессе эксплуатации детали должны сохранять высокую прочность, твердость, усталостную прочность, ударную вязкость при низких температурах. Требуемые механические свойства листов в состоянии поставки приведены в таблице 1.

Помимо высоких механических и усталостных свойств, сталь, применяемая для указанных целей, должна хорошо свариваться.

Известна сталь для изготовления горячекатаного листового проката [1] содержащая мас.

Углерод 0,11 0,16 Марганец 1,0 1,4 Кремний 0,15 0,35 Титан 0,08 0,14 Медь 0,02 0,30 Алюминий 0,02 0,06 Хром 0,02 0,15 Никель 0,02 0,15 Молибден 0,005 0,015 Ванадий 0,005 0,015
Железо Остальное
Недостатки известной стали состоят в том, что горячекатаные листы и изделия из них имеют низкую прочность и недостаточную эксплуатационную стойкость; после горячей прокатки необходима дополнительная термическая обработка листов.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемому изобретению является сталь [2 прототип] содержащая мас.

Углерод 0,05 0,2
Марганец 0,15 1,6
Фосфор 0,015
Кремний не более 0,5
Сера 0,002 0,008
Медь 0,2 0,5
Алюминий менее 0,1
Ниобий и/или менее 0,05
Ванадий 0,1
Молибден 0,5
Хром менее 0,5
Никель менее 0,3
Кальций 0,0001 0,005
Железо Остальное
Указанной стали присущи следующие недостатки. Прочностные и вязкостные характеристики стали даже в термообработанном состоянии ниже заданного уровня, что ухудшает эксплуатационную стойкость изделий. Кроме того, для повышения комплекса механических свойств эта сталь требует дополнительной термообработки горячекатаных листов, включающей закалку и отпуск, что удорожает стоимость производства.

Цель изобретения состоит в повышении механических свойств стали, эксплуатационной стойкости изделий и исключении необходимости дополнительной термической обработки горячекатаных листов.

Поставленная цель достигается тем, что в сталь известного химического состава, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, фосфор, серу, кальций и железо дополнительно введен титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,12 0,18
Марганец 1,2 1,5
Кремний 0,5 0,8
Титан 0,01 0,03
Медь 0,03 0,30
Алюминий 0,02 0,05
Хром 0,5 1,0
Никель 0,5 0,8
Молибден 0,2 0,6
Ванадий 0,1 0,2
Сера 0,003 0,015
Кальций 0,006 0,03
Фосфор 0,003 0,02
Железо Остальное
Известное и предложенное технические решения имеют следующие общие признаки. Обе стали содержат углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, фосфор, серу, кальций и железо, при этом содержания углерода, марганца, молибдена, алюминия и фосфора взаимно перекрываются полностью, содержания кремния, никеля, меди, ванадия и серы перекрываются частично.

В отличие от известной стали, содержащей менее 0,5% хрома, предложенная содержит 0,5-1,0% хрома. В известной стали 0,0001-0,005% кальция, тогда как в предложенной его содержание 0,006-0,03% Кроме того, предложенная сталь содержит 0,01-0,03% титана, которого в известной стали нет.

Указанные отличительные признаки сообщают предложенной стали новые свойства, не присущие им в сталях известных составов, и состоящие в повышении механических свойств стали, эксплуатационной стойкости изделий и исключении необходимости дополнительной термической обработки горячекатаных листов. Эти новые свойства не присущи легирующим химическим элементам и дополнительно введенному титану в сталях известных химических составов, что свидетельствует о соответствии предложенного технического решения критерию "существенность отличий".

Углерод в данной стали является основным упрочняющим элементом, определяющим уровень механических свойств. При содержании углерода менее 0,12% не обеспечивается требуемая прочность стали, а увеличение его содержания более 0,18% снижает пластичность и вязкость стали при отрицательных температурах.

Марганец, повышая прочность и предел усталости стали, улучшает ее десульфурацию и раскисленность. При содержании марганца менее 1,2% снижается предел прочности, а при его содержании более 1,5% увеличивается зерно аустенита в процессе рекристаллизации при прокатке, не обеспечивается достижение требуемых свойств без дополнительной термообработки.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. При содержании кремния менее 0,5% прочность стали ниже допустимого уровня, а при содержании более 0,8% снижается пластичность стали, не исключается развитие отпускной хрупкости при охлаждении горячекатаной полосы в рулоне.

Хром повышает прочностные и вязкостные свойства стали. При содержании хрома более 1% имеет место рост карбидов хрома в стали, в результате повышается прочность, горячекатаный лист не выдерживает испытания на холодный загиб. При содержании хрома менее 0,5% снижается прочность и ударная вязкость ниже допустимого уровня.

Никель и медь обеспечивают получение заданного комплекса механических свойств стали. В случае, когда содержание никеля менее 0,5% и меди менее 0,03% снижается прочность стали, не достигается получения заданных механических свойств горячекатаных листов без дополнительной термообработки. Увеличение содержания никеля более 0,8% и меди более 0,3% приводит к ослаблению границ зерен микроструктуры и резкому снижению показателей ударной вязкости при -40^oC.

Молибден повышает прочность данной стали до оптимального уровня, не снижая ее пластических свойств, что происходит вследствие повышения дисперсности и равномерности распределения карбидных частиц по объему зерен. Повышая энергию активации самодиффузии железа, молибден замедляет рост зерен, т. е. его введение измельчает зерно микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,2% прочность стали ниже требуемого уровня. Увеличение содержания более 0,6% приводит к чрезмерному упрочнению стали, что также недопустимо.

Ванадий в сочетании с алюминием является хорошим раскислителем и эффективным карбидообразователем. При содержании ванадия менее 0,1% снижается прочность стали, ухудшается ее раскисленность, ухудшается свариваемость. Увеличение содержания ванадия более 0,2% нецелесообразно, т.к. чрезмерно повышает ее прочностные свойства и не приводит к улучшению свариваемости.

Алюминий раскисляет сталь, связывает азот, предотвращая деформационное старение листовой стали. Измельчая зерно, он повышает ее прочность. При содержании алюминия менее 0,02% не обеспечивается удовлетворительная степень раскисленности, снижается прочность стали. Увеличение содержания этого элемента более 0,05% приводит к графитизации стали, снижению пластических и вязкостных свойств.

При содержании фосфора более 0,02% и серы более 0,015% наблюдается снижение пластических и вязкостных свойств горячекатаной листовой стали, не исключено развитие в ней отпускной хрупкости в процессе охлаждения после прокатки. Уменьшение содержания фосфора менее 0,003% и серы менее 0,015% приводит к некоторому снижению прочностных свойств. Дальнейшее снижение содержания этих элементов экономически нецелесообразно, т.к. требует либо применения дорогостоящей десульфурации и дефосфатации, либо использования сверхчистых компонентов. При этом механические свойства и свариваемость стали практически не улучшаются.

Кальций оказывает модифицирующее и рафинирующее влияние, улучшает морфологию неметаллических включений. При содержании кальция менее 0,006% он не модифицирует сталь, а при содержании более 0,03% возрастает количество неметаллических включений, ударная вязкость ниже допустимого уровня.

Добавка в сталь титана способствует улучшению ударной вязкости при пониженных температурах и обеспечению заданного комплекса механических свойств без дополнительной термической обработки горячекатаных листов. Однако это новое свойство титан проявляет только в сочетании с 0,5-1,0% хрома, 0,5-0,8% никеля и 0,006-0,03% кальция. Титан выделяется в процессе охлаждения листа после горячей прокатки в виде труднорастворимых мелкодисперсных частиц карбида титана и интерметаллических фаз, зернистой структуры стали, придает ей необходимые вязкостные и прочностные свойства без дополнительной термообработки (закалки с отпуском). Снижение содержания титана менее 0,01% приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств: даже после термообработки, при неблагоприятном сочетании других элементов, механические свойства ниже допустимых. Увеличение содержания титана более 0,03% не обеспечивает улучшения пластичности и ударной вязкости, а лишь приводит к перерасходу легирующих материалов.

Сталь различного химического состава (табл. 2) выплавляли в элеткродуговой печи. Сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, алюминием, легировали феррохромом, ферромолибденом, феррованадием, вводили в расплав никель, медь, силикокальций и ферротитан. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора.

Готовую сталь разливали в слябы, которые подвергали обжигу в камерной печи при температуре 700^oC. Затем слябы нагревали до температуры 1230^oC и прокатывали в полосы до толщины 6 мм. Температура конца прокатки составляла 860^oC. Прокатанные полосы охлаждали водой со скоростью 15 С/с до температуры 550^oC, после чего сматывали в рулоны. После охлаждения рулонов проводили испытания механических свойств и свариваемости проката. Листовой прокат, отвечающий заданному комплексу свойств (табл. 1) был передан потребителям.

В таблице 3 приведены механические свойства горячекатаных листов из исследуемых сталей.

Как следует из табл. 3, предложенная сталь (составы N 2-4) имеет высокие механические свойства, полностью соответствующие требованиям потребителей. Листовой прокат из этой стали не нуждается в проведении дополнительных термических обработок. Сталь характеризуется высокой свариваемостью. Изготовленные из нее изделия по заключению потребителя имели максимальную эксплуатационную стойкость (более 5 лет).

В случае запредельных значений содержаний химических элементов (составы 1,5-13) имело место снижение механических свойств, горячекатаные листы требовали дополнительной термообработки (закалка с отпуском). Эксплуатационная стойкость изделий снизилась с 5 до 3 лет. Аналогичные результаты показала сталь-прототип (вариант 14).

Технико-экономические преимущества предложенной стали заключаются в том, что введение в ее состав 0,01-0,03% титана, 0,5-1,0% хрома и 0,006-0,03% кальция при регламентированном содержании остальных элементов позволило повысить комплекс механических свойств горячекатаных листов, эксплуатационную стойкость изделий и исключить необходимость дополнительной термической обработки листов.

За базовый объект принята сталь-прототип. Применение предложенной стали повысило уровень рентабельности производства на 17%
Источники
1. Авторское свидетельство СССР N 1652373, кл. C 22 C 38/50, опубл. в 1991 г.

2. Заявка Японии, кл. 10 J 182 (C 22 C 38/42), N 5247521, 18.12.75, N 50150204, опубл. 22.06.77 прототип.

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, ванадий, алюминий, фосфор, серу, кальций, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,12 0,18
Марганец 1,2 1,5
Кремний 0,5 0,8
Медь 0,03 0,3
Алюминий 0,02 0,05
Хром 0,5 1
Никель 0,5 0,8
Молибден 0,2 0,6
Ванадий 0,1 0,2
Сера 0,003 0,015
Кальций 0,006 0,03
Фосфор 0,003 0,02
Титан 0,01 0,03
Железо Остальноем

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2