Конструкционная сталь повышенной прокаливаемости

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,15-0,21; марганец 0,45-0,70; кремний 0,17-0,35; бор 0,0010-0,0050; никель 1,20-1,50; хром 0,01-0,20; ниобий 0,01-0,02; ванадий 0,03-0,08; алюминий 0,02-0,06; титан 0,01-0,04; 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 0,15-0,30%, кремний 0,5-0,8%, марганец 0,7-1,5%, фосфор 0,02-0,10%, медь 0,10-0,40%, бор 0,001-0,003%, алюминий 0,010-0,050%, титан 0,01-0,05%, остальное - железо [1].

Недостатками данной стали являются ее низкая технологичность, недостаточный уровень прокаливаемости, широкие концентрационные границы содержания элементов, что не обеспечивает достаточную стабильность свойств стали.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,18-0,25%, кремний 0,17-0,37%, марганец 0,45-0,79%, хром 0,4-0,7%, никель 0,4-0,7%, титан 0,005-0,030%, бор 0,0005-0,0030%, сера 0,015-0,060%, кальций 0,001-0,008%, алюминий 0,01-0,05%, азот 0,005-0,015%, остальное - железо [2].

Недостатком известной стали является относительно высокое 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 50 мм и сортового проката диаметром до 65 мм.

Поставленная задача решена тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, никель, хром, титан, азот, серу, кальций, алюминий, бор, железо, дополнительно содержит ниобий и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод, С 0,15-0,21

Марганец, М 0,45-0,70

Кремний, Si 0,17-0,35

Бор, В 0,0010-0,0050

Никель, Ni 1,20-1,50%

Хром, Сr 0,01-0,20%

Ниобий, Nb 0,01-0,02%

Ванадий, V 0,03-0,08%

Алюминий, Аl 0,02-0,06%

Титан, Ti 0,01-0,04%

Азот, N 0,005-0,015

Кальций, Са 0,001-0,010%

Сера, S 0,005-0,020%

Причем

Mn+2×Cr≥0,7.

Примеси: 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 - ванадий и ниобий - 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 A₁, так как именно в этой области находится интервал интенсивного выделения карбонитрида ванадия. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0,21%), ванадия (0,08%) и ниобия (0,02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя (соответственно 0,15, 0,03 и 0,01%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец 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 0,70% Мn, 0,20% Сr) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (соответственно 0,45% Мn, 0,01% Сr) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% 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, как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел вопросами технологичности производства.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 1,20%, обуславливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 1,5% - необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

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: и Mn+2×Cr≥0,7, в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношения и Mn+2×Cr≥0,7 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 - ванадия и ниобия, а также соотношениями: и Mn+2×Cr≥0,7.

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 мин и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 630°С с выдержкой 30 мин. 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 пластичности - 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 М₁, М₂ - средние значения сравниваемых величин; , - дисперсии среднего; (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 ч, 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 мин. 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 с. 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 0,1-0,2 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 №901331, С 22 С 38/16, 21.04.1980 г.

2. Авторское свидетельство СССР №863706, С 22 С 38/54, 03.05.1979 г. (прототип).

Формула изобретения

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

Углерод 0,15-0,21

Марганец 0,45-0,70

Кремний 0,17-0,35

Бор 0,0010-0,0050

Никель 1,20-1,50

Хром 0,01-0,20

Ниобий 0,01-0,02

Ванадий 0,03-0,08

Алюминий 0,02-0,06

Титан 0,01-0,04

Азот 0,005-0,015

Кальций 0,001-0,010

Сера 0,005-0,020

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

---