Сталь конструкционная повышенной прокаливаемости
Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,14-0,21; марганец 0,95-1,30; кремний 0,15-0,35; бор 0,0010-0,0050; никель 1,20-1,50; хром 1,0-1,5; молибден 0,40-0,60; ванадий 0,03-0,08; медь 0,01-0,20; титан 0,01-0,04; алюминий 0,02-0,06; азот 0,005-0,015; кальций 0,001-0,010; сера 0,005-0,020; 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 0,04-0,12, кремний 0,2-0,9, марганец 0,7-2,3, хром 0,30-1,50, алюминий 0,030-0,080, титан и/или цирконий 0,03-0,12, РЭМ 0,01-0,10, бор 0,0009-0,010, азот 0,002-0,020, сера 0,003-0,015, остальное железо [1]. Недостатком данной стали является ее низкая технологичность, недостаточный уровень прокаливаемости и широкие концентрационные границы содержания элементов, что не позволяет обеспечить достаточную стабильность свойств стали.
Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,08-0,14, кремний 0,60-1,0, марганец 0,50-0,90, хром 0,5-0,9, никель 0,1-0,8, медь 0,4-0,6, ванадий 0,06-0,15, титан 0,01-0,04, бор 0,001-0,0050, кальций 0,002-0,008, алюминий 0,01-0,03, остальное железо [2]. Недостатками известной стали являются относительно низкое содержание углерода и хрома, что не позволяет обеспечить требуемый уровень пластичности и вязкости стали, широкие границы варьирования титана, алюминия, азота и бора не позволяют учесть фактор защиты бора от связывания в нитриды, что при промышленно получаемом уровне азота в стали не обеспечит требуемые характеристики прокаливаемости.
Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенных листов в толщинах до 100 мм и сортового проката диаметром до 120 мм.
Поставленная задача решена тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, хром, медь, ванадий, титан, кальций, алюминий, бор, железо, дополнительно содержит молибден, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод, С 0,14-0,21
Марганец, Мn 0,95-1,30
Кремний, Si 0,15-0,35
Бор, В 0,0010-0,0050
Никель, Ni 1,20-1,50
Хром, Сr 1,0-1,5
Молибден, Мо 0,40-0,60
Ванадий, V 0,03-0,08
Медь, Сu 0,01-0,20
Титан, Ti 0,01-0,04
Алюминий, Аl 0,02-0,06
Азот, N 0,005-0,015
Кальций, Са 0,001-0,010
Сера, S 0,005-0,020
Причем
Мn+2,5
Мо
2,3
Примеси: фосфор до 0,025.
Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 100 мм и сортовой прокат диаметром до 120 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 - ванадий 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 
-
-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 0,14, 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 1,30% Мn, 1,50% Сr, 0,60% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0,95% Мn, 1,0% Сr, 0,40% Мо) необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.
Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,35% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. 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) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,03) 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.
Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства.
Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства
Медь усиливает влияние бора в стали. При этом нижний уровень ее содержания - 0,15 определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень - 0,25% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень прокаливаемости стали.
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:
Мn+2,5Мо2,3
в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.
Соотношения
Мn+2,5Мо2,3
определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - молибдена, серы и азота, а также соотношениями
Мn+2,5Мо2,3.
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 1414300 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 
b и 0,2 и пластичности - 
и 
. 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;
и 
- дисперсии среднего;
() - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0,95 и числе степеней свободы - .
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. Отклонение 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. 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 0,10,2 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 № 1150279, С 22 С 38/32, 38/38, 28.07.1982.
2. Авторское свидетельство СССР № 1222709, С 22 С 38/54, 18.09.1984 (прототип).
Формула изобретения
Сталь конструкционная повышенной прокаливаемости, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, хром, медь, ванадий, титан, кальций, алюминий, бор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,14-0,21
Марганец 0,95-1,30
Кремний 0,15-0,35
Бор 0,0010-0,0050
Никель 1,20-1,50
Хром 1,0-1,5
Молибден 0,40-0,60
Ванадий 0,03-0,08
Медь 0,01-0,20
Титан 0,01-0,04
Алюминий 0,02-0,06
Азот 0,005-0,015
Кальций 0,001-0,010
Сера 0,005-0,020
Железо Остальное
причем
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
