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.
