Высокопрочная конструкционная сталь повышенной прокаливаемости

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0.16-0.21; марганец 0.95-1.30; кремний 0.20-0.35; никель 0.30-0.70; хром 0.40-0.65; молибден 0.20-0.30; ванадий 0.03-0.08; бор 0.0005-0.0050; алюминий 0.030-0.060; титан 0.01-0.03; азот 0.005-0.015; железо – остальное. Причем ; . Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенных листов толщиной до 50 мм и сортового проката диаметром до 65 мм. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций различного назначения.

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0.17-0.24, кремний 0.17-0.37, марганец 0.8-1.2, хром 0.8-1.2, бор 0.002-0.004, молибден 0.07-0.11, сера не более 0.03, фосфор не более 0.03, остальное железо [1].

Недостатком данной стали являются: широкие границы содержания легирующих элементов, что может привести к нестабильности механических свойств; низкие характеристики технологичности, прокаливаемости и прочности.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%: углерод 0.16-0.27, кремний 0.20-0.80, марганец 0.30-1.20, хром 0.15-0.35, никель 0.3-1.0, ванадий 0,03-0,5, бор 0.0015-0.06, титан 0.03-0,20, алюминий 0.04-0.15, азот 0.02-0.3, остальное железо [2].

Недостатки известной стали заключаются в том, что при относительно высоком содержании азота не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенных листов в толщинах до 50 мм и сортового проката диаметром до 65 мм.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, бор, титан, ванадий, алюминий, азот, остальное железо, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0.16-0.21

Марганец 0,95-1.30

Кремний 0.20-0.35

Никель 0.30-0.70

Хром 0.40-0.65

Молибден 0.20-0.30

Ванадий 0.03-0.08

Бор 0.0005-0.0050

Алюминий 0.030-0.060

Титан 0.01-0.03

Азот 0.005-0.015

Причем

Mn+Cr+Mo+10×V≥2.0

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

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 50 мм и сортовой прокат диаметром до 65 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) 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 ванадий управляет процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита (до 950°С), стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.21%), ванадия (0.08%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.16%, 0.03% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, хром и молибден 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 1.3% Мn, 0.65% Сr, 30% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0.95% Мn, 0.40% Сr, 0.20% Мо), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0.30% обусловливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0.7% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.20% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.35% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

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

Титан и алюминий используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания титана - 0.01% и алюминия - 0.03% определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень - 0.03% и 0.06% соответственно 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

[Al]+[N]=AlN

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 Mn+Cr+Mo+10×V≥2.0, с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень прочности стали, с другой стороны, определяет уровень базового легирования, обеспечивающего минимальный уровень прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - молибдена и титана, а также соотношениями:

и

Mn+Cr+Mo+10×V≥2.0.

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 дан пример 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 размером 14×14×300 мм прошли термическую обработку в лабораторных печах типа СНЗ по следующим режимам: закалка от 950°С с выдержкой 50 минут и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 630°С с выдержкой 30 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 Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где M₁ и М₂ - средние значения сравниваемых величин; S²₁ и S²₂ - дисперсии среднего; t^0,05_KR(α) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы - α.

Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр Д₅₀) 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, 950°С, 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 950°С. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляла 30÷50 минут. Отклонения от заданной температуры закалки не превышало ±5°С. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляла 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышало 5 сек. Образец находился под струей воды до полного охлаждения (порядка 15-20 мин). Температура охлаждающей воды составляла 20±5°С. 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. 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 № 282658, С 22 С 39/00, 11.11.1968.

2. Авторское свидетельство СССР № 432225, С 22 С 39/00, 16.11.1972 (прототип).

Формула изобретения

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

Углерод 0,16-0,21

Марганец 0,95-1,30

Кремний 0,20-0,35

Никель 0,30-0,70

Хром 0,40-0,65

Молибден 0,20-0,30

Ванадий 0,03-0,08

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,030-0,060

Титан 0,01-0,03

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

причем

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.04.2007

Извещение опубликовано: 27.02.2008        БИ: 06/2008

---