Высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным свариваемым сталям, закаливающимся на воздухе, применение которых возможно в термоупрочненных сварных конструкциях, крупногабаритных изделиях, а также в тех случаях, когда необходима минимизация изменений размеров и формы деталей при термообработке. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,18, кремний 0,12-0,60, хром 2,0-3,0, марганец 2,0-2,4, никель 1,0-2,0, молибден 0,4-0,6, церий и/или кальций до 0,15, ванадий 0,08-0,12, титан менее 0,01, ниобий 0,05-0,10, железо остальное, при этом после закалки стали с прокатного нагрева или после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита. Сталь обладает высокой прочностью, ударной вязкостью, повышенной прокаливаемостью и является свариваемой. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным свариваемым сталям, закаливающимся на воздухе, применение которых возможно в термоупрочненных сварных конструкциях и крупногабаритных изделиях.
Известна малоуглеродистая сталь (заявка Франции №2516942, МКИ4, С 22 С 38/41, 23.11.82), содержащая, мас.%:
| углерод | 0,03-0,07 |
| кремний | 0,10-1,0 |
| марганец | 1,2-2,5 |
| хром | 1,8-3,0 |
| молибден | не более 0,5 |
| ниобий, ванадий, | |
| титан | в сумме 0-0,10 |
| железо | остальное |
Указанная сталь после закалки на воздухе имеет следующие механические свойства:
предел текучести (σ0,2), Н/мм2 - 600
предел прочности (σв), Н/мм2 - 900
ударная вязкость при - 20°С, МДж/м2 - 0,4.
Эта сталь хорошо сваривается, однако ее механические свойства при комнатной температуре и ударная вязкость при температуре минус 20 °С невысоки. Кроме того, для достижения указанных свойств из-за низкой устойчивости аустенита необходима закалка с ускоренным охлаждением в масле или воде, что приводит к короблению деталей и необходимости последующей правки.
Известна также низкоуглеродистая бейнитная сталь (заявка Японии №53-6613, кл. С 22 С 38/38, 1978), содержащая, мас.%:
| углерод | 0,03-0,05 |
| хром | 0,3-3,0 |
| марганец | 0,1-0,8 |
| кальций | 0,01-0,03 |
| лантан | 0,005-0,1 |
| ниобий | 0,01-0,15 |
| ванадий | 0,01-0,20 |
| железо | остальное |
Указанная сталь имеет недостаточную прочность и ударную вязкость при пониженных температурах из-за низкой прокаливаемости при минимальном содержании углерода и легирующих элементов.
Таким образом, известные низкоуглеродистые стали для получения требуемых характеристик либо необходимо закаливать в жидкие охлаждающие среды, либо после охлаждения на воздухе получают изделия с бейнитной структурой, которая не обеспечивает высокий комплекс механических свойств при комнатной и пониженной температурах.
Перечисленные недостатки могут быть устранены использованием низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаливаемых охлаждением на воздухе. В качестве аналога (Патент РФ № 2009260 от 15 марта 1994 г.) выбрана сталь со следующим соотношением компонентов:
| углерод | 0,06-0,12 |
| хром | 1,8-2,5 |
| марганец | 1,8-2,5 |
| редкоземельные элементы | 0,01-0,03 |
| ванадий | 0,01-0,13 |
| ниобий | 0,02-0,10 |
| азот | 0,001-0,25 |
| железо | остальное. |
Механические свойства данной стали: предел текучести (σ0,2), Н/мм2 - 530-870; предел прочности (σВ), Н/мм2 - 710-1000; ударная вязкость (KCV-50) при - 50°С, кДж/м2 - 940-390. Сталь имеет структуру пакетного низкоуглеродистого мартенсита, прокаливается на спокойном воздухе не менее 80 мм и сваривается без подогрева.
Таким образом, пакетный мартенсит, образующийся при охлаждении на воздухе, обеспечивает лучшие характеристики механических свойств низкоуглеродистой свариваемой стали, однако ее свойства могут быть повышены при сохранении того же типа структуры. Кроме того, недостатком данной стали является необходимость введения в ее состав азота, что усложняет технологический процесс.
В качестве прототипа выбрана сталь следующего химического состава (Патент № 1790622 от 22 сентября 1992 г.):
| углерод | 0,10-0,16 |
| кремний | 0,2-0,42 |
| хром | 1,8-2,4 |
| марганец | 2,0 - 2,4 |
| никель | 1,0-1,5 |
| молибден | 0,4-0,6 |
| церий или кальций | 0,005-0,15 |
| ванадий | 0,08-0,12 |
| титан | 0,01-0,06 |
| железо | остальное. |
Указанный состав обеспечивает увеличение прокаливаемости и механических свойств, которые находятся в следующих пределах: предел текучести (σ0,2), Н/мм2 - 630-1130; предел прочности (σВ), Н/мм2 - 765-1350; ударная вязкость (KCV-50) при - 50°С, кДж/м2 - 600-350. Сталь сваривается без подогрева, имеет структуру пакетного низкоуглеродистого мартенсита и прокаливаемость на спокойном воздухе в сечениях более 150 мм.
Недостатки данной стали: относительно широкий интервал гарантируемых значений характеристик механических свойств и невысокие предельные значения. Это обусловлено тем, что только один из сильных карбидообразующих элементов (ванадий и титан) в заявленных интервалах варьирования упрочняет сталь по двум механизмам. Ванадий упрочняет сталь в результате обеспечения дисперсионного твердения и измельчения зерна (в меньшей степени), титан же - вследствие сохранения мелкого зерна. Для уменьшения интервалов изменения и повышения характеристик механических свойств предпочтительно реализовать нескольких механизмов упрочнения с учетом действия каждого элемента. Поэтому вместо титана в сталь необходимо вводить легирующий элемент (ниобий), обеспечивающий упрочнение как за счет измельчения характерных составляющих структуры, так и за счет дисперсионного твердения (в меньшей степени). Конкретное содержание компонентов и соотношение между ними определяли экспериментально.
Задачей изобретения является разработка свариваемой высокопрочной, вязкой низкоуглеродистой стали повышенной прокаливаемости с гарантированным обеспечением механических свойств в узком интервале значений и режимов ее термической обработки.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочная свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, никель, молибден, ванадий, титан, ниобий, кальций и/или церий, отличается тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%
| углерод | 0,10-0,18 |
| кремний | 0,12-0,60 |
| хром | 2,0-3,0 |
| марганец | 2,0 - 2,4 |
| никель | 1,0-2,0 |
| молибден | 0,4-0,6 |
| церий и/или кальций | до 0,15 |
| ванадий | 0,08-0,12 |
| титан | менее 0,01 |
| ниобий | 0,05-0,10 |
| железо | остальное, |
при этом после закалки стали с прокатного нагрева после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита.
Составы, режимы термообработки и свойства сталей представлены в таблицах 1, 2.
В заявленном интервале значений состава и параметров термообработки в заданных пределах обеспечивается получение в заданных пределах комплекса свойств при отпуске ниже 550°С. При отпуске 650°С и более высоком не обеспечивается прочность (табл.2 пп.17, 18, 28, 29).
Из сопоставления с прототипом ясно, что изобретение позволяет получать более высокие и заданные в узких пределах характеристики механических свойств, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".
Пример. Сталь предложенного состава выплавляли в индукционной печи, разливали на слитки весом 50 кг, ковали в прутки размером 30х30 мм. Содержание титана в каждой плавке было менее 0,01%. Температура нагрева под горячую обработку давлением находилась в пределах 1220-1100°С. После горячей обработки давлением заготовки охлаждали на воздухе. Механические свойства определяли на образцах, вырезанных механическими методами из прутков 30х30 мм. Термическая обработка включала закалку на воздухе и отпуск.
| Таблица 1 Содержание ингредиентов и режимы термообработки образцов | ||||||||||
| № | Режим термообработки | Содержание элементов в % по массе | ||||||||
| С | Si | Cr | Mn | Ni | Мо | Са и/или Се | V | Nb | ||
| 1 | Закалка на воздухе с прокатного нагрева выдержка при 20 °С, не менее 24 час | 0,10 | 0,12 | 2,0 | 2,02 | 1,01 | 0,41 | 0,005 Са | 0,08 | 0,05 |
| 2 | 0,18 | 0,59 | 3,0 | 2,00 | 2,00 | 0,55 | 0,15 Са | 0,12 | 0,10 | |
| 3 | 0,13 | 0,39 | 2,2 | 2,21 | 1,24 | 0,50 | 0,006 Се | 0,10 | 0,07 | |
| 4 | 0,10 | 0,60 | 2,5 | 2,62 | 1,55 | 0,65 | 0,007 Се | 0,08 | 0,10 | |
| 5 | 0,19 | 0,10 | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 0,4 | 0,18 Са+Се | 0,85 | 0,05 | |
| 6 | 0,11 | 0,12 | 2,1 | 2,23 | 1,14 | 0,51 | 0,006 Се | 0,08 | 0,05 | |
| 7 | Прототип | |||||||||
| 8 | Закалка с 1050°С, выдержка при 20 °С не менее 24 час | |||||||||
| 9 | Закалка с 980°С, выдержка при 20°С не менее 24 час | |||||||||
| 10 | Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С не менее 24 час | |||||||||
| 11 | Закалка с 930°С, выдержка при 20°С не менее 24 час | 0,10 | 0,12 | 2,0 | 2,02 | 1,01 | 0,41 | 0,005 | 0,12 | 0,05 |
| 12 | Закалка с 980°С, отпуск 300°С | |||||||||
| 13 | Закалка с 980°С, отпуск 250°С | |||||||||
| 14 | Закалка с 980°С, отпуск 350°С | |||||||||
| 15 | Закалка с 980 °С, отпуск 450°С | |||||||||
| 16 | Закалка с 980°С, отпуск 550°С | |||||||||
| 17 | Закалка с 980°С, отпуск 650°С | |||||||||
| 18 | Закалка с 980°С, отпуск 700°С | |||||||||
| 19 | Закалка с 1050°С выдержка при 20°С не менее 24 час | |||||||||
| 20 | Закалка с 980°С выдержка при 20°С не менее 24 час | |||||||||
| 21 | Закалка с 950°С выдержка при 20°С не менее 24 час | |||||||||
| 22 | Закалка с 930°С выдержка при 20°С не менее 24 час | 0,18 | 0,59 | 3,0 | 2,00 | 1,98 | 0,55 | 0,15 | 0,12 | 0,10 |
| 23 | Закалка с 980°С, отпуск 300°С | |||||||||
| 24 | Закалка с 980°С, отпуск 250°С | |||||||||
| 25 | Закалка с 980°С, отпуск 350°С | |||||||||
| 26 | Закалка с 980°С, отпуск 450°С | |||||||||
| 27 | Закалка с 980°С, отпуск 550°С | |||||||||
| 28 | Закалка с 980°С, отпуск 650°С | |||||||||
| 29 | Закалка с 980°С, отпуск 700°С | |||||||||
| Примечание. Продолжительность отпуска - 2 ч |
Механические свойства термообработанных образцов из перечисленных в таблице 1 составов представлены в таблице 2.
| Таблица 2 Механических свойств заявляемых составов в сравнении с прототипом | |||||||
| № | σВ | σ0,2 | δ | ψ | KCU-50 | KCU+20 | Режим термообработки |
| МПа | % | кДж/м2 | |||||
| 1 | 1380 | 1150 | 15 | 60 | 770- | 1200 | Закалка с прокатного нагрева, выдержка при 20 °С, не менее 24 час |
| 2 | 1640 | 1360 | 13 | 57 | 900 | ||
| 3 | 1630 | 1350 | 13 | 58 | 750 | 900 | |
| 4 | 1350 | 1130 | 15 | 62 | 980 | ||
| 5 | 1670 | 1390 | 12 | 51 | 780 | ||
| 6 | 1390 | 1160 | 15 | 61 | - | 950 | |
| 7 Прототип | 1100-1350 | 1000-1130 | 13- 17 | 50-68 | менее 700 | менее 800 | Закалка с 980°С, отпуск 560°С |
| 8 | 1370 | 1145 | 15 | 60 | - | 1050 | Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час |
| 9 | 1375 | 1150 | 16 | 62 | 730 | 1040 | Закалка с 980 °С выдержка при 20 °С, не менее 24 час |
| 10 | 1370 | 1140 | 15 | 60 | - | 980 | Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час |
| 11 | 1280 | 1050 | 16 | 60 | - | 1130 | Закалка с 930 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час |
| 12 | 1375 | 1150 | 15 | 61 | 750 | 1040 | Закалка с 980°С, отпуск 250° |
| 13 | 1370 | 1145 | 15 | 61 | 740 | 1040 | Закалка с 980°С, отпуск 300°С |
| 14 | 1380 | 1160 | 16 | 61 | 730 | 1000 | Закалка с 980°С, отпуск 350°С |
| 15 | 1380 | 1165 | 15 | 60 | 715 | 970 | Закалка с 980°С, отпуск 450°С |
| 16 | 1360 | 1140 | 18 | 65 | 735 | 1010 | Закалка с 980°С, отпуск 550°С |
| 17 | 1020 | 940 | 19 | 67 | 850 | 1640 | Закалка с 980 °С, отпуск 650 °С |
| 18 | 950 | 820 | 21 | 75 | 1210 | 2030 | Закалка с 980 °С, отпуск 700 °С |
| 19 | 1600 | 1330 | 14 | 62 | - | 1010 | Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час |
| 20 | 1620 | 1400 | 15 | 61 | 730 | 1000 | Закалка с 980°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час |
| 21 | 1610 | 1400 | 16 | 62 | - | 1015 | Закалка с 950°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час |
| 22 | 1600 | 1380 | 17 | 60 | - | 1130 | Закалка с 930°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час |
| 23 | 1600 | 1390 | 16 | 61 | 750 | 1105 | Закалка с 980°С, отпуск 250°С |
| 24 | 1595 | 1385 | 16 | 61 | 740 | 1100 | Закалка с 980°С, отпуск 300°С |
| 25 | 1605 | 1395 | 15 | 60 | 730 | 1080 | Закалка с 980°С, отпуск 350 °С |
| 26 | 1610 | 1400 | 14 | 60 | 730 | 960 | Закалка с 980 °С, отпуск 450°С |
| 27 | 1600 | 1390 | 17 | 62 | 990 | Закалка с 980°С, отпуск 550°С | |
| 28 | 1320 | 1100 | 19 | 67 | 850 | 1600 | Закалка с 980°С, отпуск 650°С |
| 29 | 1100 | 910 | 21 | 75 | 1210 | 2030 | Закалка с 980°С, отпуск 700°С |
Итак, предлагаемое изобретение в выбранных интервалах варьирования компонентов после закалки с прокатного нагрева, а также после закалки с температур 950-1050°С и отпуска в широких интервалах варьирования температуры, но не выше 550°С обеспечивает прочность и ударную вязкость выше, чем у прототипа. Закалка с температуры выше 1050 °С не приводит к улучшению механических свойств. Кроме того, следует отметить, что добавки кальция и церия не позволяют существенно повлиять на механические свойства.
Интервалы изменения характеристик механических свойств уже, чем у способа прототипа, что означает повышение надежности обеспечения заданных характеристик.
Свариваемость оценивали по склонности к образованию холодных и горячих трещин на стали с содержанием углерода 0,18% (состав №2 табл.1) при сварке специальных технологических проб и по уровню механических свойств металла шва и сварного соединения на составе с минимальным содержанием ингредиентов (№1 табл.1).
Склонность к образованию горячих трещин проверяли на пробах Холдкрофта (толщина 4 мм) и холодных трещин - на пробах 0'Нейля (толщина 12 мм). Пробы изготовлены из пластин, термоупрочненных с прокатного нагрева. Пробы Холдкрофта проплавляли без подогрева вольфрамовым электродом в среде аргона со скоростью сварки 15 и 30 м/час, сварку проб О'Нейля осуществляли без подогрева в среде CO2 проволокой 10ХГСН2МТ ⊘ 1,2 мм. Трещины на пробах отсутствовали.
Прочность сварного соединения определяли по ГОСТ 6996-66 на разрывных образцах типа XXIV (металл шва) и типа XIII (сварное соединение). Образцы вырезаны из пластин, термоупрочненных с прокатного нагрева. Механические свойства представлены в таблице 3.
| Таблица 3 Механических свойств сварного соединения стали заявляемого состава | |||||||
| Сварочный материал | Режим термообработки после сварки | σ | KCVшва | KCVзтв | |||
| шва | соединения | +20 °С | -50 °С | +20°С | -50°С | ||
| МПа | кДж/м2 | ||||||
| Св. 07ХГСНЗМД | Отпуск 500°С, 3 час, воздух | 1600 | 1610 | 780 | 490 | 790 | 500 |
| Электрод 48Н15 | Без термообработки | 1595 | 1600 | 780 | 485 | 780 | 495 |
Прокаливаемость определяли на составах 1 и 2 (табл. 1) с минимальным и максимальным суммарным легированием на закаленных на воздухе образцах диаметром 100, 200, 250 мм при длине, равной диаметру. Твердость измеряли по диаметру образца, разрезанного посередине. На составе 1 она составила 45,5, а на составе 2 - 51 ед. HRCэ по диаметру образцов в сечениях 100 и 200 мм. В сечении 250 мм в середине диаметра образца на расстоянии 115 мм от края твердость снижалась на 2 ед. HRCэ. Следовательно, гарантированная прокаливаемость составляет 200 мм.
Высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, титан, ниобий, кальций и/или церий, отличающаяся тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,10-0,18 |
| кремний | 0,12-0,60 |
| хром | 2,0-3,0 |
| марганец | 2,0-2,4 |
| никель | 1,0-2,0 |
| молибден | 0,4-0,6 |
| церий и/или кальций | до 0,15 |
| ванадий | 0,08-0,12 |
| титан | менее 0,01 |
| ниобий | 0,05-0,10 |
| железо | остальное, |
при этом после закалки стали с прокатного нагрева или после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита.
