Сталь повышенной прокаливаемости для холодной объемной штамповки

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке конструкционной стали, предназначенной для изготовления сложнопрофильных термоулучшаемых деталей методом холодной объемной штамповки. Предложена высокопрочная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,28-0,35; марганец 0,90-1,40; кремний 0,01-0,17; сера 0,005-0,020; хром 0,01-0,25; ванадий 0,01-0,07; молибден 0,01-0,10; никель 0,01-0,10; ниобий 0,005-0,02; титан 0,01-0,04; бор 0,0005-0,0050; алюминий 0,02-0,06; азот 0,005-0,015; железо - остальное, причем 12/С-Mn/0,055≤20; 500•(Ti/24-N/7)+2,2≥0; 40≤(С/0,01+В/0,001)≥33. Техническим результатом изобретения является обеспечение сквозной прокаливаемости сортового проката из заявленной стали диаметром до 35 мм. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной штампуемой высокопрочной стали, предназначенной для изготовления термоулучшаемых сложнопрофильных деталей, получаемых методом холодной объемной штамповки.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.16-0.25%, кремний 0.13-0.32%, марганец 0.95-1.35%, бор 0.001-0.005%, титан 0.02-0.08%, хром 0.10-0.27%, медь 0.15-0.25%, ванадий 0.02-0.035%, молибден 0.06-0.17%, азот 0.004-0.006%, никель 0.08-0.025%, фосфор 0.025-0.040%, вольфрам 0.16-0.25% остальное железо [1] . Недостатком данной стали является ее низкая технологичность и неудовлетворительный уровень параметров конструктивной прочности при термоулучшении.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.18-0.27%, кремний 0.20-0.42%, марганец 0.60-1.0%, хром 0.8-1.3%, никель 0.45-0.79%, бор 0.0005-0.003%, титан 0.02-0.05%, ванадий 0.01-0.06%, молибден 0.18-0.28%, цирконий 0.01-0.06%, кальций 0.001-0.008%, алюминий 0.005-0.025%, сера 0.010-0.060%, остальное железо, причем ∑(Ti+V+Zr)=0.05-0.12%[2].

Недостатками известной стали являются широкие границы варьирования углерода, марганца, хрома, что не позволяет получить стабильный уровень механических свойств. Присутствие циркония в стали, хотя и благоприятно сказывается на характеристиках прокаливаемости, однако делает ее производство в ряде случаев нетехнологичным в связи с плохой усвояемостью данного элемента при выплавке стали. Показано также, что в данной стали без потери уровня потребительских свойств возможно исключить такие дорогостоящие элементы, как цирконий и кальций. В анализируемой композиции не учтен также фактор защиты бора от связывания в нитриды, что при промышленно получаемом уровне азота в стали не позволит получить повышенные характеристики ее прокаливаемости.

Задачами изобретения являются повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 35 мм.

Поставленные задачи достигаются тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, титан, алюминий, молибден, азот, бор, серу, остальное железо дополнительно содержит ниобий и азот (при отсутствии кальция и циркония) при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0.28-0.35 Марганец - 0.90-1.40 Кремний - 0.01-0.17 Сера - 0.005-0.020 Хром - 0.01-0.25 Ванадий - 0.01-0.07 Молибден - 0.01-0.10 Никель - 0.01-0.10 Ниобий - 0.005-0.02
Титан - 0.01-0.04
Бор - 0.0005-0.0050
Алюминий - 0.02-0.06
Азот - 0.005-0.015
Причем



Примеси: фосфор до 0.025%, медь до 0.20%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в металлопрокате предлагаемой стали (сортовой прокат диаметром до 35 мм) после термоулучшения (закалка от температуры не менее 900^oС с последующим отпуском от температуры 480-600^oС) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод и карбонитридообразующие элементы вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий управляет процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения), в то время как влияние ванадия проявляется при температурах ниже А₁, так как именно в этой области находится интервал интенсивного выделения карбонитрида ванадия. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.35%), ванадия (0.07%) и ниобия (0.02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя (соответственно 0.28%, 0.01% и 0.005%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 1.4% Мn, 0.10% Мо, 0.25% Сr) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (соответственно 0.90% Мn, 0.01% Мо, 0.1% Сr) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах (0.01-0.10%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.01% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.17% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так, нижний уровень содержания данных элементов (0.02 и 0.01 соответственно для алюминия и титана) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.06 и 0.04) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот, элемент участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0.005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0.015%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакций
[Ti]+[N]=TiN
требуется выполнение следующего соотношения элементов:

в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение

определяет условия сохранения в стали более 50% "эффективного" бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение

определяет условия обеспечения заданного уровня характеристик прокаливаемости стали и параметры технологичности.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного отсутствием кальция и циркония и введением новых компонентов, ниобия и азота, а также соотношениями



Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик прокаливаемости стали.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других, в объеме формулы изобретения.

В экспериментальных условиях выплавлено 10 плавок опытных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1. Заготовки образцов исследуемых сталей размером 14•14•300 мм прошли термическую обработку в лабораторных печах типа СНЗ по следующим режимам: закалка от 900 с выдержкой 50 минут и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 580^oС с выдержкой 120 минут. Толщина заготовок и режимы охлаждения при закалке обеспечивали сквозную прокаливаемость заготовок. Механические характеристики определяли на тангенциальных образцах. Испытания на растяжение при комнатной температуре проводили на образцах тип I, ГОСТ 1497-84 на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца 5 мм/мин. Определяли характеристики прочности σ_b и σ_0,2 и вязкости δ и ϕ.
Средние значения характеристик подсчитывали по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивали с использованием критерия Стъюдента, вычисляемого следующим образом:

где M₁ и М₂-средние значения сравниваемых величин; S₁ ² и S₂ ² дисперсии среднего; \
t^0,005_kr(α) - критическое значение критерия Стъюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы -α.
Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр D₅₀) проводили методом торцевой закалки цилиндрических образцов диаметром 25.0 мм и длиной 100 мм с заплечиками согласно ГОСТ 5657. Перед изготовлением образца заготовки прошли термическую обработку в камерных печах по следующему режиму: нормализация, 900^oС, 1 час, воздух. Испытывали по два образца на плавку. Закалка образцов проводилась струей воды в специальной установке. В связи с необходимостью предотвращения окисления и обезуглероживания торца образца, непосредственно соприкасающегося со струей воды при закалке, нагрев образцов в камерных печах (без защитной атмосферы) проводили в специальных стаканах. Торец образца ставился на специальную графитовую пластину. Образец нагревался в камерной печи до температуры 900^oС. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляла 30-50 минут. Отклонения от заданной температуры закалки не превышало ±5^oС. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляла 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышало 5 с. Образец находился под струей воды до полного охлаждения (порядка 15÷20 мин). Температура охлаждающей воды составляла 20±5^oС. Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывались две диаметрально противоположные площадки на глубину 0.5±0.1 мм. Площадки сошлифовывались при обильном охлаждении водой. Шероховатость поверхности площадок была не грубее 7-го класса чистоты по ГОСТ 2789. Не допускались прижоги, вызывающие структурные изменения металла. Для построения кривой прокаливаемости стали замер твердости начинали на расстоянии 1.5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца производили с интервалом 1.5 мм, а затем через 3 мм. Если на определенном расстоянии от торца образца твердость не меняется, то измерения производили через один интервал, а затем прекращали испытания. С целью обеспечения точной фиксации мест измерения твердости было специально сконструировано и изготовлено приспособление. В случае необходимости повторного измерения твердости на площадке, на которой были сделаны замеры, площадку перешлифовывали. Глубина съема металла при повторной шлифовке составляла 0.1÷0.2 мм. Твердость определяли по Роквеллу (HRC) в соответствии с требованиями ГОСТ 9013. Для каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца образца на двух противоположных площадках, подсчитывали среднее арифметическое значение твердости.

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики прокаливаемости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР 1406208, С 22 С 38/54, 30.10.1986 г.

2. Авторское свидетельство СССР 768849, С 22 С 38/54, 06.03.1978 г. (прототип).

Формула изобретения

Высокопрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, титан, алюминий, молибден, бор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,28-0,35

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,17

Сера 0,005-0,020

Хром 0,01-0,25

Ванадий 0,01-0,07

Молибден 0,01-0,10

Никель 0,01-0,10

Ниобий 0,005-0,02

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

причем

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2