Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь и изделие, выполненное из нее



 


Владельцы патента RU 2416668:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам нестареющих сталей, обладающих высокой пластичностью, и может быть использовано при производстве листов и сортового проката, применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали. Сталь содержит углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, ванадий, азот, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,15, марганец 0,3-1,0, никель 0,2-1,5, алюминий 0,03-0,1, кремний 0,05-0,2, медь 0,05-0,35, хром 0,05-0,4, ванадий 0,05-0,2, азот 0,01-0,04, железо и неизбежные примеси - остальное. Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не превышает 0,6% при соотношении Si/Cu≤2. Изделия из стали выполнены в виде толстых листов толщиной 22-25 мм или в виде тонкостенных обечаек. Повышается пластичность при холодной штамповке и обеспечивается высокая прочность на отдельных участках штампованного изделия. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, к составам сталей, обладающих высокой пластичностью, и изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве листов, сортового проката (круг), применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали.

Известны стали 08Ю, 08ПС, 08КГ, относящиеся к разряду высокопластичных в холодном состоянии, содержащие, вес.%, таблица 1.

Таблица 1
Марка стали Массовая доля элементов, %
углерод марганец сера фосфор кремний алюминий
не более
08Ю 0,07 0,35 0,025 0,020 0,03 0,02-0,07
08ПС 0,09 0,45 0,030 0,025 0,04 -
08КП 0,1 0,40 0.030 0,025 0,03 -

[ГОСТ 9045-93 «Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки»].

Указанные стали обладают неплохой способностью к формоизменению в холодном состоянии, т.е. они достаточно пластичные, но не упрочняются ни термической, ни механической обработкой.

По этим причинам стали непригодны для изготовления из них деталей с различной прочностью по зонам.

Известна также сталь 11ЮА, содержащая в вес.%

Углерод 0,09-0,13
Марганец 0,03-0,50
Алюминий 0,03-0,09
Кремний н.б. 0,13
Хром н.б. 0,2
Никель н.б. 0,15
Медь н.б. 0,2
Железо остальное

[ГОСТ В 19032 «Кружки и полосы из стали 11ЮА»].

Указанная сталь обладает достаточно высокой пластичностью при холодной штамповке, но в готовых изделиях из этой стали невозможно получить требуемый уровень прочности по пределу текучести выше 600 МПа.

Известна также сталь 10ГН [ТУ 14-1-2371 «Лист горячекатаный из стали марки 10ГН» - прототип]. Сталь содержит мас.%: углерод 0,11-0,15, марганец 0,6-0,9, кремний 0,3-0,6, никель 0,6-0,9, алюминий 0,02-0,07, хром не более 0,2, медь не более 0,2, сера не более 0,030, фосфор не более 0,025, железо - остальное. Сталь в нормализованном состоянии имеет близкое к требованиям значение временного сопротивления (σв 400-500 МПа), но не упрочняется до требуемых значений предела текучести (σ0,2=687-785 МПа).

Кроме того, сталь не обладает достаточной пластичностью для холодной штамповки из толстого листа тонкостенных обечаек методом выдавливания.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопластичной нестареющей углеродистой стали, сочетающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии, и обеспечивающую упрочнение до σт≥687 МПа на отдельных участках готового изделия при сохранении вязкости до температур минус -60°С.

Технический результат изобретения состоит в повышении пластичности при холодной штамповке и в обеспечении высокой прочности на отдельных участках штампованного изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что высокопластичная, нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,15
Марганец 0,3-1,0
Никель 0,2-1,5
Алюминий 0,03-0,1
Кремний 0,05-0,2
Медь 0,05-0,35
Хром 0,05-0,4
Ванадий 0,05-0,2
Азот 0,01-0,04
Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не должно превышать 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполнены из сталей, указанных составов в виде толстого листа толщиной 22-25 мм, а также в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.

Сущность изобретения заключается в том, что в сталь вводится ванадий в количестве 0,05-0,2%, азот в количестве 0,01-0,04, дополнительно регламентировано суммарное содержание кремния, хрома, меди и ванадия и соотношение кремния и меди.

Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия выбрано из тех соображений, что указанные элементы оказывают различное влияние на ход фазовых превращений в стали, вызывая в одном случае (хром) увеличение склонности стали к закалке при охлаждении и, следовательно, к упрочнению за счет образования структур игольчатого типа (мартенсит, бейнит), что нежелательно, т.к. сталь должна иметь в состоянии поставки σв не более 410 МПа.

Кремний, с одной стороны, необходим в стали как раскислитель и стабилизатор феррита, с другой стороны, кремний оказывает отрицательное влияние на свариваемость стали. Кремний также не в лучшую сторону влияет на штампуемость стали в холодном состоянии.

Далее, сталь в состоянии поставки, т.е. перед штамповкой, должна иметь прочность (σв) в пределах 380-410 МПа, а в готовом изделии отдельные зоны должны иметь прочность (по пределу текучести) σ0,2=687-785 МПа. Для достижения этой цели в сталь вводится медь - элемент, который упрочняет твердый раствор железа, оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость и повышает склонность к деформационному упрочнению, что необходимо для получения в изделиях упрочненных зон.

Марганец, вводимый в сталь в количестве 0,3-1,0%, необходим для обеспечения низкой прочности (σв≤410 МПа) стали в состоянии поставки после нормализации, т.е. перед холодной штамповкой, и для получения высокой прочности (σ0,2=687-785 МПа) в требуемых зонах готовых изделий после штамповки, поскольку также вызывает повышение склонности стали к деформационному упрочнению.

Углерод в стали в количестве 0,08-0,15% обеспечивает полиморфное превращение аустенита диффузионным путем, т.е. с образованием феррито-прелитной структуры, обеспечивающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии.

Никель в количестве 0,2-1,5% необходим в стали для сохранения вязких свойств при низких до минус 60-70°С температурах.

Алюминий в сталь вводится в количестве 0,03-0,1% для предотвращения склонности стали к механическому старению, которое со временем вызывает низкотемпературное охрупчивание стали.

Для достижения требуемого комплекса технологических и служебных свойств изделий из предлагаемой стали в нее вводится ванадий в количестве 0,05-0,2% и азот в количестве 0,01-0,04%. Как было отмечено выше, в сталь вводится алюминий для предотвращения механического старения стали, за которое ответственен азот, находящийся в твердом растворе и образующий так называемые «облака Котрелла». Алюминий при введении в сталь вступает во взаимодействие с азотом, образуя нитрид алюминия AlN и тем самым препятствует образованию «облаков Котрелла», сталь становится нестареющей.

Но нитрид алюминия AlN весьма стоек и растворяется при очень высоких температурах (>1100°С) и не улучшает технологические свойства стали.

В нашем случае для получения упрочненных зон желательно иметь азот в твердом растворе, поскольку он способствует увеличению деформационного упрочнения.

Вводя в сталь ванадий, элемент, имеющий за счет большего сродства к азоту, чем алюминий, более высокое значение параметра взаимодействия

(в то время как ), часть азота пойдет на образование нитрида ванадия VN, температура растворения которого в стали такого состава на 100-150°С ниже.

В силу этого обстоятельства у предлагаемой стали появляется возможность получить зоны с относительно высокой прочностью, т.к. при нагреве до температур нормализации 950°С нитрид ванадия растворится в твердом растворе, а свободный азот займет места в межузловых зонах кристаллической решетки и будет способствовать получению высокой прочности в нужных зонах изделия из этой стали за счет упрочнения стали при деформации.

Экспериментально установлено, что при выполнении соотношений ΣCr+Si+Cu+V≤0,6% и Si/Cu≤2 сталь сохраняет низкие значения σв≤410 МПа и высокую способность к формоизменению при холодной штамповке толстых (22-25 мм) листов.

Примеры реализации изобретения. Стали предлагаемого состава и прототип выплавляли в 20 кг индукционной печи и разливали в слитки массой по 17 кг. Слитки ковали и прокатывали на лист размером 23×200×300 мм, из которого были изготовлены обечайки методом холодной штамповки. В таблице 2 представлен химический состав опытных плавок предлагаемой стали и прототипа.

Таблица 2
Химический состав опытных сталей.
№ плавки C Mn Ni Al V Si Cu Р S Cr N ΣCr+Si+Cu+V
1 0,094 0,45 0,21 0,055 0,1 0,1 0,07 0,004 0,007 0,051 0,02 0,321 1,42
2 0,082 0,48 0,33 0,038 0,082 0,12 0,09 0,02 0,006 0,061 0,023 0,353 1,33
3 0,085 0,85 0,43 0,045 0,075 0,12 0,1 0,025 0,008 0,1 0,035 0,395 1,2
4 прототип 0,11 0,65 0,82 0,037 - 0,55 0,15 0,005 0,006 0,18 - - 3,66
Примечание: во всех плавках железо, неизбежные примеси - остальное.

Механические свойства сталей после нормализации при 920°С приведены в таблице 3.

Таблица 3
Механические свойства сталей.
№ плавки σв σ0,2 δ5 ψ Ан
МПа % кгс·м/см2
20°С -70°С
1 395 320 38 82 26 8
2 400 326 36 84 23 7
3 392 318 41 85 25 9
4 (прототип) 450 395 28 67 12 3

Из данных таблицы 3 видно, что предлагаемая сталь имеет значение временного сопротивления 392-400 МПа при достаточно высоких значениях относительного удлинения δ5>35%, в то время как σв прототипа (450 МПа) на 40 МПа выше предельно допустимого значения.

Значения предела текучести в упрочненных местах обечаек, выполненных холодной штамповкой, приведены в таблице 4. Из данных таблицы 4 видно, что предел текучести после упрочнения предлагаемой стали составляет 690-780 МПа, в то время как предел текучести прототипа не превысил 560 МПа.

Таблица 4
Значения предела текучести сталей в упрочненном состоянии.
№ плавки Предел текучести σ0,2 МПа
1 695; 720; 695; 715; 725; 718; 740; 752; 734
2 760; 755; 720; 695; 740; 754; 738; 750; 758
3 710; 698; 704; 708; 725; 730; 744; 752; 695
4 прототип 560; 540; 480; 465; 510; 520; 514; 495; 498

Полученные результаты механических испытаний свидетельствуют о достижении требуемого комплекса прочностных, пластических и вязких свойств на предлагаемой стали и изделиях, выполненных из нее.

1. Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,08-0,15
марганец 0,3-1,0
никель 0,2-1,5
алюминий 0,03-0,1
кремний 0,05-0,2
медь 0,05-0,35
хром 0,05-0,4
ванадий 0,05-0,2
азот 0,01-0,04
железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не превышает 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.

2. Изделие, выполненное из высокопластичной нестареющей углеродистой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде толстого листа толщиной 22-25 мм.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления остряковых рельсов. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионностойким аустенитным хромоникелевым сталям, используемым при производстве высокопрочного сортового проката, кованых заготовок, калиброванных прутков, проволоки, ленты, листа, труб, крепежа, оборудования для газоперерабатывающих предприятий и обустройства нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода, углекислого газа и хлоридов, а также для эксплуатации в морской воде.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сталей для изготовления ножей, используемых в пресс-ножницах для рубки металла, работающих в широком интервале температур с нижним пределом не менее -30°С в зимний период в условиях изнашивания в сочетании с большими ударными нагрузками.

Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве подката для получения холоднодеформированного арматурного периодического профиля.
Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве низколегированной горячекатаной листовой стали, применяемой в вагоностроении.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам дисперсионно-твердеющей мартенситной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.
Изобретение относится к области металлургии стали, а именно к углеродистым сталям, используемым для производства арматурной проволоки. .

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для получения штрипсов для сероводородостойких газонефтепроводных труб, сваренных с использованием нагрева токами высокой частоты.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам группы сталей, применяемых для изготовления пары трения железнодорожное колесо - железнодорожный рельс при движении колес до 500 км/час.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали для изготовления железнодорожных колес. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера

Изобретение относится к области металлургии, а именно к мартенситной нержавеющей стали для сварных конструкций, стойкой к коррозионному растрескиванию под напряжением

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых для изготовления остряковых железнодорожных рельсов

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству стали для железнодорожных рельсов
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам слоистых стальных материалов, используемых для изготовления бронезащитных конструкций

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к производству холоднокатаных полос, предназначенных для изготовления кузовных деталей автомобилей штамповкой
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, которые могут быть использованы для изготовления деталей машин и оборудования, работающих в тяжелых условиях, в частности для прокатных валков трубоэлектросварочных станов

Сталь // 2440436
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления контррельсовых уголков

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким сталям, используемым для отливки деталей паровых турбин, заготовок труб и деталей арматуры методом ЭШП и центробежным литьем, работающих при температурах 540-580°С

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным литейным сталям, применяемым в различных отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении при изготовлении крупногабаритных отливок для карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, работающих при повышенных ударных нагрузках и в экстремальных климатических условиях
Наверх