Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь
Владельцы патента RU 2400558:
Общество с ограниченной ответственностью "Стальмонтаж" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных свариваемых сталей с повышенной термостойкостью, используемых в специальных броневых конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь (БТСМ 150-200) содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор, кобальт, медь и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,001-0,41, кремний 0,1-2,6, марганец 0,1-1,8, хром 0,1-8,6, никель 0,1-1,9, молибден 0,1-0,6, кобальт 0,05-4,6, медь 0,1-1,9, сера не более 0,004, фосфор не более 0,008, железо остальное. Повышается термостойкость, свариваемость и бронестойкость. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам высокопрочных свариваемых сталей с повышенной термостойкостью, используемых в специальных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.
Листовая горячекатаная броневая термостойкая сталь мартенситного класса БТСМ 150-200 с повышенными бронезащитными свойствами должна обладать следующим комплексом механических и специальных характеристик (табл.1):
| Таблица 1 | ||||||
| Свойства листовой броневой стали | ||||||
| HRC, ед. | σт, МПа | δ5, % | KCU, МДж/см2 | Н, мм | Тт, °С | Свариваемость |
| не менее 63 | не менее 1900 | не менее 8 | не менее 7 | 9,0 | 650 | удовлетв. |
| Примечание: 1. Н - минимальная толщина листа, выдерживающая без разрушения обстрел по нормали с расстояния 100 м бронебойно-зажигательными пулями Б-32 с закаленными сердечниками калибра 12,7-мм; | ||||||
| 2. Тт - Допустимая температура нагрева, при которой сталь сохраняет удовлетворительные механические и функциональные свойства. |
Известна конструкционная сталь [1] следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,46-0,56 |
| Кремний | 0,17-0,90 |
| Марганец | 0,10-1,00 |
| Хром | 2,80-5,00 |
| Никель | 1,50-3,00 |
| Молибден | 1,70-2,70 |
| Ванадий | 0,25-0,35 |
| Железо | Остальное |
Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы в закаленном на мартенсит и низкоотпущенном состоянии имеют недостаточные твердость и прочность. Это не позволяет использовать ее для изготовления бронезащитных конструкций. Кроме того, при повышении температуры нагрева сталь теряет прочностные и функциональные свойства.
Известна также сталь для подложки многослойной бронепреграды, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,42-0,56 |
| Кремний | 0,17-0,9 |
| Марганец | 0,1-1,0 |
| Хром | 0,8-5,0 |
| Никель | 0,9-3,0 |
| Молибден | 0,2-2,7 |
| Ванадий | 0,1-0,35 |
| Железо | Остальное [2] |
Недостатком данной стали являются низкие прочностные, вязкостные и бронезащитные свойства листов в закаленном состоянии: толщина Н листов не может быть менее 10 мм, а в случае минимальной концентрации всех легирующих ее элементов - не менее 13 мм. Сталь не обладает термостойкостью.
Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предложенной стали является легированная сталь для изготовления бронеэлементов Б100СТ следующего химического состава, мас.%:
| Углерод + азот | 0,45-1,5 |
| Кремний | 0,9-1,5 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Хром | 0,7-5,5 |
| Никель | 0,6-3,5 |
| Молибден | 0,15-0,75 |
| Сера + фосфор | не более 0,010-0,016 |
| Железо | Остальное [3] - прототип |
Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы, изготовленные из нее, после закалки сохраняют в структуре остаточный аустенит, в результате чего сталь имеет недостаточный уровень бронестойкости: при твердости закаленных листов 63 HRC, стандартные испытания на обстрел выдерживают листы толщиной не менее 15 мм. Сталь имеет низкую свариваемость, т.к. в сварном шве образуются горячие и холодные трещины. Вследствие низкой термостойкости, при нагреве выше температуры 250°C закаленная сталь теряет механические и бронезащитные свойства.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронестойкости, термостойкости и свариваемости стали.
Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кобальт и медь при следующем соотношении содержаний компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,001-0,41 |
| Кремний | 0,1-2,6 |
| Марганец | 0,1-1,8 |
| Хром | 0,1-8,6 |
| Никель | 0,1-1,9 |
| Молибден | 0,1-0,6 |
| Кобальт | 0,05-4,6 |
| Медь | 0,1-1,9 |
| Сера | не более 0,004 |
| Фосфор | не более 0,008 |
| Железо | Остальное |
Кроме того, при содержании углерода не более 0,15%, она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| Кремний | 0,1-0,8 |
| Марганец | 0,6-1,8 |
| Хром | 0,6-8,6 |
| Никель | 1,2-1,9 |
| Молибден | 0,3-0,6 |
| Кобальт | 0,05-1,9 |
| Медь | 0,9-1,9 |
| Сера | не более 0,004 |
| Фосфор | не более 0,008 |
| Железо | Остальное |
а при содержании углерода более 0,15%, она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| Кремний | 0,6-2,6 |
| Марганец | 0,1-0,7 |
| Хром | 0,1-0,5 |
| Никель | 0,1-1,6 |
| Молибден | 0,1-0,3 |
| Кобальт | не менее 2,0 |
| Медь | 0,1-0,8 |
| Сера | не более 0,004 |
| Фосфор | не более 0,008 |
| Железо | Остальное |
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Исследования показали, что резервом повышения бронезащитных свойств и теплостойкости закаленной стали является уменьшение содержания в ее микроструктуре остаточного аустенита, а также упрочнение по механизму внедрения в реечный мартенсит закалки атомов меди. Кобальт в стали предложенного состава в сочетании с медью обеспечивает одновременно как повышение температуры мартенситного превращения и соответствующее уменьшение содержания остаточного аустенита, так и стабильность микроструктурно-фазового состава закаленной на мартенсит стали при нагреве до температуры 650°C за счет исключения возможности торможения протекания фазовых превращений. Помимо этого медь в атомарном состоянии, находящаяся по границам зерен, препятствует их окислению в процессе нагрева и развитию межкристаллитной коррозии. В результате достигается повышение термостойкости и бронестойкости стали при относительно низкой степени легированности. А это, в свою очередь, оказывает благоприятное влияние на электросвариваемость.
Данная сталь обладает способностью закаливаемости на воздухе. Поэтому сварка изделий из стали не требует их предварительного и последующего подогрева, а также дополнительного термоупрочнения, т.к. сварной шов и зона его термического влияния после самопроизвольного охлаждения на воздухе приобретают морфологию реечного мартенсита.
Для уменьшения термических напряжений, предотвращения поводок и короблений, а также трещинообразования вследствие сваривания элементов конструкции, и, тем самым, повышения свариваемости до удовлетворительного уровня, концентрация в стали углерода не должна превышать 0,15% (т.е. 0,001-0,15% С), а для достижения максимальной бронестойкости концентрация углерода должно быть более 0,15% (т.е. 0,16-0,41% С), при более узких диапазонах концентраций всех легирующих компонентов. В обоих вариантах сталь имеет более высокие бронестойкость, термостойкость и свариваемость, чем сталь-прототип [3].
Углерод упрочняет сталь. При концентрации углерода менее 0,001% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его концентрации более 0,41% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали. Увеличение концентрации углерода более 0,15% в заявляемых пределах не исключает коробления и поводок при сварке деталей из тонких листов (толщиной менее 6,0 мм). В то же время, увеличение содержания углерода более 0,15% способствует повышению бронестойкости стали и не вызывает коробления и поводок при сварке деталей из листов толщиной более 6,0 мм.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он упрочняет сталь без образования карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита при нагреве до температуры 650°C и выше. При концентрации кремния менее 0,10% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 2,60% снижается ее пластичность и вязкость, а также свариваемость. При относительно низкой концентрации углерода (не более 0,15%) повышение содержания кремния более 0,80% ведет к короблениям и поводкам при сваривании деталей из тонких листов, а при содержании углерода более 0,15% снижение содержания кремния менее 0,60% не обеспечивает достижения максимальной бронестойкости.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,80% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали. Причем в стали с концентрацией углерода не более 0,15% снижение содержания марганца менее 0,60% приводит к короблениям и поводкам при сваривании деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% увеличение содержания марганца более 0,70% не позволяет достичь максимальной бронестойкости.
Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,10% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 8,60% приводит к потере пластичности и термостойкости из-за роста карбидов, которые распадаются в процессе нагрева изделий из стали при их эксплуатации. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания хрома менее 0,60% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при снижении содержания хрома более 0,50% не достигается максимально возможная бронестойкость.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,90% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшается бронестойкость. Снижение содержания никеля менее 0,10% приводит к потере пластичности и ударной вязкости, сталь теряет термоустойчивость. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания никеля менее 1,20% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания никеля более 1,60% не достигается максимально возможная бронестойкость.
Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,1% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,60% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания молибдена менее 0,60% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания молибдена более 0,30% не достигается максимально возможная бронестойкость из-за образования значительного количества карбидов.
Кобальт снижает содержание остаточного аустенита в стали и частично заменяет никель, уменьшая требуемую его концентрацию, сохраняет благоприятную дислокационную морфологию тонкой структуры мартенсита.
При содержании кобальта менее 0,05% не достигается повышения бронезащитных свойств закаленных листов. Увеличение содержания кобальта сверх 4,60% не приводит к дальнейшему улучшению бронестойкости и термостойкости, а лишь ухудшает свариваемость и увеличивает расходы на легирующие. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при увеличении содержания кобальта более 1,90% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания кобальта менее 2,0% не достигается максимально возможная бронестойкость.
Медь повышает теплостойкость стали без снижения ее бронестойкости. При концентрации меди менее 0,10% нагрев закаленной на мартенсит стали выше температуры 250°C сопровождается снижением ее прочностных свойств и бронестойкости. Увеличение концентрации меди более 1,9% снижает ударную вязкость и свариваемость закаленной стали, что недопустимо. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания меди менее 0,90% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей, особенно из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении концентрации меди более 0,80% не достигается максимально возможная бронестойкость.
Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,004% и фосфора не более 0,008% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, вводили металлические медь, никель и кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.
Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1240°C и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 4,0 до 10,0 мм. Прокатанные листы подвергали с прокатного нагрева немедленной закалке водой от температуры 850°C и затем отпускали путем выдержки в течение 3 ч при температуре 250°C (термическое улучшение).
От готовых листов отбирали пробы и производили испытания механических и функциональных свойств. Свариваемость оценивали по отсутствию горячих и холодных трещин в сварном шве на пробах Пеллини. В таблице 3 представлены результаты испытаний горячекатаных листов из стали различных составов после термического улучшения. Дополнительно оценивали коробление и поводки, возникающие при сваривании плоских элементов из листов всех толщин.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Химический состав термостойких броневых сталей мартенситного класса | ||||||||||
| № состава | Содержание легирующих и примесных элементов, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Co | Mo | Cu | S | Р | |
| 1 | 0,0009 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 0,04 | 0,09 | 0,09 | 0,001 | 0,004 |
| 2 | 0,0010 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,05 | 0,10 | 0,10 | 0,002 | 0,005 |
| 3 | 0,210 | 1,35 | 0,90 | 4,35 | 1,02 | 2,33 | 0,35 | 1,01 | 0,003 | 0,006 |
| 4 | 0,410 | 2,60 | 1,80 | 8,60 | 1,90 | 4,60 | 0,60 | 1,90 | 0,004 | 0,008 |
| 5 | 0,420 | 2,70 | 1,90 | 8,70 | 1,98 | 4,70 | 0,65 | 1,98 | 0,005 | 0,009 |
| 6 | 0,0009 | 0,09 | 0,50 | 0,50 | 1,10 | 0,04 | 0,20 | 0,80 | 0,001 | 0,003 |
| 7 | 0,0010 | 0,10 | 0,60 | 0,60 | 1,20 | 0,05 | 0,30 | 0,90 | 0,003 | 0,007 |
| 8 | 0,080 | 0,45 | 1,20 | 4,60 | 1,52 | 0,98 | 0,45 | 1,40 | 0,004 | 0,008 |
| 9 | 0,150 | 0,80 | 1,80 | 8,60 | 1,90 | 1,90 | 0,60 | 1,90 | 0,002 | 0,006 |
| 10 | 0,160 | 0,90 | 1,90 | 8,70 | 2,00 | 1,99 | 0,70 | 2,00 | 0,005 | 0,009 |
| 11 | 0,150 | 0,50 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 1,90 | 0,09 | 0,09 | 0,002 | 0,005 |
| 12 | 0,160 | 0,60 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 2,00 | 0,10 | 0,10 | 0,004 | 0,004 |
| 13 | 0,280 | 1,60 | 0,40 | 0,30 | 0,85 | 3,30 | 0,20 | 0,45 | 0,003 | 0,004 |
| 14 | 0,410 | 2,60 | 0,70 | 0,50 | 1,60 | 4,60 | 0,30 | 0,80 | 0,004 | 0,008 |
| 15 | 0,422 | 2,70 | 0,80 | 0,60 | 1,70 | 4,70 | 0,40 | 0,90 | 0,005 | 0,009 |
| 16 | 0,750 | 0,80 | 0,70 | 2,40 | 1,50 | -- | 0,60 | -- | 0,005 | 0,004 |
| Примечание: в сталях всех составов остальное - Fe. |
Эти испытания позволили установить, что на свариваемых изделиях из листов толщиной более 6,0 мм поводки и коробления отсутствовали. На свариваемых изделиях из листов толщиной 4,0-6,0 мм коробления и поводки отсутствовали только для сталей составов №7-9, содержание углерода в которых не превышало 0,15%. Свариваемые элементы из стальных листов толщиной 4,0-6,0 мм с другим химическим составом теряли исходную форму из-за поводок и короблений.
| Таблица 3 | |||||||
| Механические и функциональные свойства листов из броневых термостойких свариваемых сталей мартенситного класса | |||||||
| № состава | HRC, ед. | σт, МПа | δ5,% | KCU, МДж/см2 | Н, мм | Тт, °С | Свариваемость |
| 1 | 55 | 1600 | 12 | 6 | 12,0 | 350 | удовл. |
| 2 | 65 | 2050 | 11 | 8 | 8,0 | 650 | удовл. |
| 3 | 66 | 2100 | 11 | 8 | 7,5 | 680 | удовл. |
| 4 | 66 | 2150 | 10 | 7 | 8,0 | 660 | удовл, |
| 5 | 63 | 1680 | 7 | 5 | 9,5 | 280 | неудовл. |
| 6 | 58 | 1630 | 8 | 6 | 11,0 | 360 | удовл. |
| 7 | 65 | 2040 | 11 | 7 | 8,0 | 660 | удовл. |
| 8 | 66 | 2060 | 11 | 8 | 7,7 | 680 | удовл. |
| 9 | 66 | 2070 | 10 | 8 | 8,0 | 670 | удовл. |
| 10 | 63 | 2095 | 7 | 6 | 9,8 | 320 | неудовл. |
| 11 | 59 | 1890 | 5 | 5 | 8,2 | 340 | неудовл. |
| 12 | 65 | 2080 | 11 | 7 | 7,2 | 660 | удовл. |
| 13 | 66 | 2090 | 11 | 8 | 7,0 | 690 | удовл. |
| 14 | 66 | 2100 | 10 | 7 | 7,2 | 670 | удовл. |
| 15 | 63 | 2110 | 4 | 3 | 8,9 | 350 | неудовл. |
| 16 | 61 | 1500 | 5 | 2 | 15,0 | 200 | неудовл. |
Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная сталь (составы №2-4, №7-9, №12-14) одновременно сочетает наиболее высокие показатели термостойкости, свариваемости и бронестойкости. При этом листы из сталей составов №12-14 показали максимальную бронестойкость: стандартные тестовые испытания на непробитие выдерживали листы толщиной 7,0-7,2 мм.
Технико-экономические преимущества предложенной броневой термостойкой свариваемой мартенситной стали, поименованной авторами специальным названием БТСМ 150-200, состоят в том, что введение в ее состав 0,05-4,60% кобальта и 0,10-1,90% меди при регламентированном содержании остальных легирующих элементов и примесей позволяет одновременно повысить термостойкость, свариваемость и бронестойкость термически улучшенных горячекатаных листов. Помимо этого, в вариантах составов стали с различной концентрацией углерода достигается исключение термических поводок и короблений в процессе сваривания листов толщиной не более 6,0 мм, а также снижение толщины листов, выдерживающих стандартный тест на непробитие, до 7,0-7,2 мм. В результате снижается масса броневой защиты, или, при сохранении толщины листов, увеличивается надежность бронирования. Повышение термостойкости позволяет существенно повысить надежность строительных конструкций при пожарах, а также живучесть бронированных объектов.
В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали повысит эффективность бронезащитных изделий и противопожарную устойчивость строительных конструкций на 15-20%.
Изготавливаемым по заявленному химическому составу сталям авторами дано специальное наименование - «Б200ТСМ».
Источники информации
1. Авт. свид. СССР №1700091, МПК С22С3 8/46, 1982 г.
2. Патент Российской Федерации №2102688, МПК F41H 5/04, 1998 г.
3. Патент Российской Федерации №2139357, МПК C21D 9/42, F41H 1/02, F41H 5/02, 1999 г. - прототип.
1. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,001-0,41 |
| кремний | 0,1-2,6 |
| марганец | 0,1-1,8 |
| хром | 0,1-8,6 |
| никель | 0,1-1,9 |
| молибден | 0,1-0,6 |
| кобальт | 0,05-4,6 |
| медь | 0,1-1,9 |
| сера | не более 0,004 |
| фосфор | не более 0,008 |
| железо | остальное |
2. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь по п.1, отличающаяся тем, что при содержании углерода не более 0,15 мас.% она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| кремний | 0,1-0,8 |
| марганец | 0,6-1,8 |
| хром | 0,6-8,6 |
| никель | 1,2-1,9 |
| молибден | 0,3-0,6 |
| кобальт | 0,05-1,9 |
| медь | 0,9-1,9 |
| сера | не более 0,004 |
| фосфор | не более 0,008 |
| железо | остальное |
3. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь по п.1, отличающаяся тем, что при содержании углерода более 0,15 мас.% она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
| кремний | 0,6-2,6 |
| марганец | 0,1-0,7 |
| хром | 0,1-0,5 |
| никель | 0,1-1,6 |
| молибден | 0,1-0,3 |
| кобальт | не менее 2,0 |
| медь | 0,1-0,8 |
| сера | не более 0,004 |
| фосфор | не более 0,008 |
| железо | остальное |
