Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь



Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь
Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь
Высокопрочная низколегированная конструкционная сталь

 


Владельцы патента RU 2617070:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных конструкционных сталей, используемых в оборудовании для холодной обработки давлением, в конструкциях летательных аппаратов, в транспортном, горнодобывающем и дорожно-строительном машиностроении, в деталях и механизмах, длительно сопротивляющимся постоянным и знакопеременным нагрузкам в широком диапазоне температур. Сталь содержит, мас.%: углерод от более 0,50 до 0,70, марганец 0,42-0,82, кремний 0,80-1,80, хром 0,80-2,00, никель 1,50-3,00, молибден 0,30-0,60, алюминий 0,02-0,15, ванадий 0,02-0,12, церий 0,005-0,02, медь 0,03-2,00, кальций от более 0,005 до 0,015, железо и неизбежные примеси – остальное. Обеспечивается сочетание высокой прочности и пластичности стали, а именно: временное сопротивление разрыву (σB) 2200-2500 МПа, относительное удлинение (δ) 12-14,5%, относительное сужение (Ψ) 30-40%, ударная вязкость (KCU) более 50 Дж/м2 и твердость (HRC) 56-60. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сталей, и касается высокопрочной конструкционной стали, отличающейся сочетанием высокой прочности с высокой пластичностью.

Высокопрочная конструкционная сталь может быть использована в оборудовании для холодной обработки давлением, в конструкциях летательных аппаратов, транспортного, горнодобывающего и дорожно-строительного машиностроения, в деталях и механизмах, длительно сопротивляющихся постоянным и знакопеременным нагрузкам в диапазоне температур от -40 до +50(70)°С.

Известна мартенситная сталь, мас. %: углерод 0,20-0,45; марганец 0,4-1,5; кремний 0,5-2,0; хром 0,1-2,0; молибден 0,15-1,2; ванадий 0,01-0,4; титан 0,01-0,25; алюминий 0,005-0,05; бор 0,0001-0,010 (United States Patent: 5,900,077. 1998 г.). Однако стали такого состава не обеспечивают уровня прочности и твердости, достаточного для создания ряда ответственных и перспективных конструкций [из-за недостаточно высокого содержания углерода].

Известен другой состав стали, содержащей следующие элементы, мас. %: углерод 0,5-1,0; кремний 1-2; марганец 0-0,2; хром 0,1-0,5; сера 0,001. Однако из-за отсутствия в данном составе стали пластифицирующих элементов, таких как никель и/или медь, сталь не может обеспечить сочетание в одном и том же изделии высокой прочности и твердости с достаточно высокой пластичностью (United States Patent 5,863,358. 1997 г.).

Известен еще другой состав стали, содержащей следующие элементы, мас. %: углерод 0,05-0,45; марганец 1-1,8; хром 0,15-1,15; молибден 0,06-0,12; титан 0,01-0,04; алюминий 0,005-0,04; кальций 0,0002-0,002, никель до 0,3; медь до 0,3 (United States Patent 5,762,725. 1998 г.). Однако и эта сталь не обеспечивает достаточно высокого уровня прочности и твердости из-за ограниченного совокупного содержания углерода, молибдена и никеля.

Известна сталь с высоким совокупным уровнем характеристик прочности и вязкости (Патент РФ №2031179. 1995 г.), содержащая следующие элементы, мас. %: углерод 0,5-0,62; марганец 0,42-0,82; кремний 0,80-1,80; хром 1,1-1,4; молибден 0,15-0,60; алюминий 0,02-0,15; титан 0,02-0,12; никель 0-2,4; церий 0-0,2.

Однако и эта сталь не обеспечивает возросших требований по сопротивлению абразивному износу, нуждаясь в дополнительном повышении твердости, прочности и вязкости разрушения.

Задачей данного изобретения является создание химического состава высокопрочной конструкционной стали, который позволил бы использовать ее в качестве материала для деталей и механизмов, длительно выдерживающих воздействие постоянных и знакопеременных нагрузок в интервале температур от -40 до +50(70)°С.

Техническим результатом изобретения является то, что заявляемая высокопрочная конструкционная сталь сохраняет уровень прочности прототипа и существенно превосходит его по относительному сужению и ударной вязкости.

Технический результат достигается тем, что высокопрочная конструкционная сталь, имеющая в своем составе углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, алюминий, церий, ванадий, медь, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:

углерод от более 0,50 до 0,70
марганец 0,42-0,82
кремний 0,80-1,80
хром 0,80-2,00
никель 1,50-3,.00
молибден 0,30-0,60
алюминий 0,02-0,15
ванадий 0,02-0,12
церий 0,005-0,02
медь 0.03-2,00
кальций от более 0.005 до 0,015
железо и неизбежные примеси остальное,

при этом она имеет временное сопротивление разрыву (σB) 2200-2500 МПа, относительное удлинение (δ) 12-14,5%, относительное сужение (Ψ) 30-40%, ударную вязкость (KCU) более 50 Дж/м2 и твердость (HRC) 56-60.

Высокопрочная конструкционная сталь, отличающаяся тем, что она при содержании меди в количестве 1.8-2.0 мас. %, содержит никель в количестве 1,5-2,0 мас. %.

Такой химический состав высокопрочной конструкционной стали позволяет получить материал для изготовления оборудовании для холодной обработки давлением, в конструкциях летательных аппаратов, транспортного, горнодобывающего и дорожно-строительного машиностроения, в деталях и механизмах, длительно сопротивляющихся постоянным и знакопеременным нагрузкам в диапазоне температур от -40 до +50(70)°С.

Возможно, чтобы высокопрочная конструкционная сталь дополнительно содержала медь в пределах от 0,03 до 2,00 мас. %. Это способствует улучшению характеристик деформационного упрочнения (улучшение пластической стабильности стали в процессе деформации и дополнительное повышение вязкости разрушения). В случае, когда содержание указанной меди находится в пределах 1,8-2,00 мас. %, содержание никеля может быть ограничено интервалом 1,5-2,0 мас. %. Это дает возможность при таком содержании меди и никеля обеспечить оптимальный характер структурного превращения стали в процессе упрочняющей термической обработки и последующей пластической деформации.

Указанный хром целесообразно выбрать в пределах 0,80-2,00 мас. %. В этом интервале хром обеспечивает наиболее благоприятные характеристики прочности и пластичности высокопрочной конструкционной стали в результате термической обработки при указанном содержании углерода.

Высокопрочная конструкционная сталь может дополнительно содержать кальций в пределах от более 0,005 до 0,015 мас. %. Это позволяет дополнительно рафинировать сталь в процессе выплавки за счет активного раскисления, особенно в сочетании с кремнием.

В дальнейшем данное изобретение поясняется конкретными примерами его осуществления, таблицами химического состава выплавленного материала и механических характеристик конкретных образцов.

Патентуемая высокопрочная конструкционная сталь содержит указанные компоненты в предлагаемом соотношении.

Неизбежные примеси в стали – это, как правило, сера и фосфор. Суммарное содержание серы и фосфора при выплавке в электропечах обычно понижают до уровня не выше 0,025 мас %. В Таблице 1 представлен химический состав конкретных образцов высокопрочной конструкционной стали. В Таблице 1 из числа примесей представлены только сера и фосфор.

Высокопрочная конструкционная сталь с конкретными опытными составами, подтверждающими целесообразность выбора указанных пределов, представлена в Таблице 1. Выплавку высокопрочной конструкционной стали проводили по известной стандартной технологии в электропечах (индукционных) емкостью 5 кг в интервале температур 1580-1600°С. Длительность плавки 1 час. Обработку расплава алюминием и кальцием проводили по окончании плавки в ковше перед выпуском стали.

В Таблице 2 представлены механические свойства конкретных образцов высокопрочной конструкционной стали. После горячей прокатки и обычной термической обработки конкретные образцы высокопрочной конструкционной стали, представленные в Таблице. 1, обладают механическими свойствами, представленными в Таблице. 2.

Углерод обеспечивает основной вклад в прирост уровня прочностных характеристик и твердости высокопрочной конструкционной стали, определяющих ее работоспособность в деталях конструкций. Если содержание углерода превышает 0,7 мас. %, прирост прочности и твердости не реализуется из-за опережающего хрупкого разрушения (см. Пример 2 в Таблицах 1 и 2). Если содержание углерода не достигает 0,5 мас. %, временное сопротивление разрыву остается на недостаточно высоком уровне (см. Пример 5 в Таблице. 1 и 2).

Марганец введен в целях повышения прокаливаемости высокопрочной конструкционной стали и подавления эффектов красноломкости примесей серы. Многолетний опыт эксплуатации сталей указанного типа показывает, что благоприятное содержание марганца соответствует пределам 0,42-0,82 мас. %. Более высокое содержание марганца повышает вероятность хрупкого растрескивания высокопрочной низколегированной конструкционной стали при деформационной обработке и в эксплуатации (см. Пример 10 в Таблицах 1 и 2).

Кремний обеспечивает рафинирование высокопрочной конструкционной стали в процессе ее выплавки, а также наиболее благоприятные кинетику и характер структурных изменений в процессе отпуска закаленной стали. Известно, что введение кремния в количестве, превышающем 2 мас. %, значительно увеличивает опасность образования неметаллических включений, присутствие которых в высокопрочной конструкционной стали повышает вероятность неожиданного разрушения, особенно под воздействием циклических нагрузок. В заявляемой высокопрочной конструкционной стали содержание кремния выше 1,8 мас. % приводило к снижению пластичности (см. Пример 9 в Таблицах 1 и 2). Если содержание кремния ниже 0,8 мас. %, временное сопротивление разрыву и пластичность стали снижаются (см. Пример 13 в Таблицах 1 и 2). Опыт эксплуатации высокопрочных конструкционных сталей заявляемого типа позволяет выбрать содержание кремния в пределах 0,8-1,8 мас. %.

Хром улучшает характеристики прочности высокопрочной конструкционной стали, приобретаемые в процессе термической обработки, способствует повышению прокаливаемости и формированию оптимальной мелкодисперсной структуры. Введение хрома в количестве выше 2,0 мас. % приводит к снижению пластичности высокопрочной конструкционной стали (см. Пример 4 в Таблицах 1 и 2). При содержании хрома ниже 0,8 мас. % прочностные характеристики высокопрочной конструкционной стали в упрочненном состоянии понижены (см. Пример 3 в Таблицах 1 и 2).

Никель введен в состав высокопрочной конструкционной стали в количестве от 1,5 до 3,0 мас. %. Цель добавки - улучшение прокаливаемости и вязкости высокопрочной конструкционной стали в изделиях. Если никель введен в количестве до 1 мас. %, одна из основных характеристик трещиностойкости - ударная вязкость, не достигает желаемого уровня; это относится также и к уровню пластичности (см. Пример 1 в Таблице. 1 и 2). Если добавка никеля выше 3,0 мас. %, наблюдается снижение прочностных свойств стали и при этом существенно возрастает стоимость стали (см. Пример 6 в Таблицах 1 и 2).

Медь введена в количестве от 0.03 до 2.0 мас. %. Ее влияние на механическое поведение высокопрочной конструкционной стали аналогично никелю - повышение характеристик механической вязкости высокопрочной конструкционной стали и сопротивления пластической деформации в изделиях, а также дополнительное улучшение характеристик прокаливаемости. При отсутствии меди, если никель введен в пределах 1,5-2,0 мас. %, наблюдается некоторое снижение уровня пластичности и вязкости (см. Пример 7 в Таблицах 1 и 2). Предпочтительный интервал содержания меди в заявляемой высокопрочной конструкционной стали соответствует 1.8-2.0 мас. %. При таком содержании меди замена ею никеля наиболее эффективна. Содержание никеля в этом случае может быть успешно ограничено пределами 1,5-2,0 мас. % (см. Примеры 8 и 11 в Таблицах 1 и 2).

Молибден дает важный вклад в формирование упрочняющих теплостойких карбидных выделений, увеличивает прокаливаемость и подавляет отпускную хрупкость. Пределы легирования молибденом выбраны с учетом многолетнего опыта эксплуатации подобных материалов.

Ванадий обладает повышенным сродством к углероду. Он введен в состав заявляемой высокопрочной конструкционной стали в пределах от 0,02 до 0,12 мас. %, как сильный карбидообразователь, улучшающий характеристики прочности и пластичности высокопрочной конструкционной стали, вследствие его сдерживающего влияния на рост аустенитного зерна на стадии кристаллизации и охлаждения слитка и при последующем горячем деформировании, а также в процессе термического упрочнения. Ванадий повышает прокаливаемость и улучшает свариваемость высокопрочной конструкционной стали. Пределы легирования ванадием выбраны на основании длительного практического опыта заявителей.

Алюминий вводят в пределах 0,02-0,15 мас. % в целях раскисления высокопрочной конструкционной стали и измельчения ее структуры. Пределы содержания алюминия также выбраны на основании практического опыта заявителей.

Церий введен в заявляемую высокопрочную конструкционную сталь в количестве от 0,005 до 0,02 мас. % в целях ее раскисления, десульфурации и измельчения структуры за счет формирования мелкодисперсных тугоплавких соединений церия с кислородом и серой. Пределы легирования церием выбраны на основании практического опыта, накопленного в металлургии. Дополнительную обработку церием проводили в ковше перед разливкой стали.

Кальций введен в заявляемую высокопрочную конструкционную сталь в пределах от более 0.005 до 0,015 мас. % с целью дополнительного раскисления расплава в совокупности с кремнием, алюминием и церием. Указанные пределы продиктованы многолетним практическим опытом в области металлургии стали.

Заявленная высокопрочная конструкционная сталь обладает механическими свойствами, представленными в Таблице 3.

Таким образом, обладая прочностью не ниже, чем у известных наиболее прочных аналогов, заявляемая высокопрочная конструкционная сталь значимо превосходит их по уровню пластичности. Следует учесть, что уже прототип превосходит в 1,5-2,0 раза известные аналоги из числа известных высокопрочных конструкционных сталей по уровню прочности в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью. Заявляемая высокопрочная конструкционная сталь сохраняет уровень прочности прототипа и существенно превосходит его по относительному сужению и ударной вязкости. При столь высокой прочности дополнительное повышение ударной вязкости - одной из основных характеристик трещиностойкости переводит заявляемую высокопрочную конструкционную сталь в число ультрапрочных конструкционных материалов с уникально высоким уровнем сопротивления хрупкому разрушению.

Комплекс прочностных и пластических свойств заявляемой высокопрочной конструкционной стали делает ее предпочтительной в качестве материала для изготовления оборудования для холодной обработки давлением, в конструкциях летательных аппаратов, транспортного, горнодобывающего и дорожно-строительного машиностроения, в деталях и механизмах, длительно сопротивляющихся постоянным и знакопеременным нагрузкам в диапазоне температур от -40 до +50(70)°С. Использование заявляемой высокопрочной конструкционной стали взамен штатных материалов может привести к существенному облегчению конструкций. Заявляемая высокопрочная конструкционная сталь значительно превосходит по уровню удельной прочности такие популярные конструкционные материалы, как высокопрочные сплавы алюминия и магния и даже титана. Кроме этого стоимость заявляемой высокопрочной конструкционной стали в несколько раз ниже, чем у этих материалов.

1. Высокопрочная конструкционная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, алюминий, церий, ванадий, медь, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод от более 0,50 до 0,70
марганец 0,42-0,82
кремний 0,80-1,80
хром 0,80-2,00
никель 1,50-3,00
молибден 0,30-0,60
алюминий 0,02-0,15
ванадий 0,02-0,12
медь 0,03-2,00
церий 0,005-0,02
кальций от более 0,005 до 0,015
железо и неизбежные примеси остальное,

при этом она имеет временное сопротивление разрыву (σB) 2200-2500 МПа, относительное удлинение (δ) 12-14,5%, относительное сужение (Ψ) 30-40%, ударную вязкость (KCU) более 50 Дж/м2 и твердость (HRC) 56-60.

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что при содержании меди в количестве 1,8-2,0 мас.%, содержание никеля составляет 1,5-2,0 мас.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким сталям, используемым для производства бесшовных горячекатаных насосно-компрессорных и обсадных труб, работающих в условиях высокой концентрации углекислого газа и сероводорода в составе перекачиваемой углеводородной среды на месторождениях, расположенных в арктических районах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу конструкционной стали повышенной прочности и трещиностойкости, используемой для изготовления высоконагруженных бандажей колес тягового подвижного состава железных дорог.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионностойким сталям переходного класса, используемым для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении и судостроении, работающих в условиях воздействия коррозионной среды.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению труб для добычи нефти и газа, которые могут эксплуатироваться как в обычных условиях, так и в условиях коррозионного воздействия со стороны добываемого флюида в присутствии сероводорода (H2S) и углекислого газа (CO2).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из стали высокой прочности, хладостойкости и улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к горячедеформированным насосно-компрессорным трубам и муфтам к ним, изготавливаемым из конструкционных сталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к двухслойному листовому прокату толщиной 10-50 мм, состоящему из слоя износостойкой стали и слоя свариваемой стали, для изготовления сварных конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу и работающих при температуре до -40°C.
Сталь // 2532662
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высококачественным легированным конструкционным сталям, применяемым для изготовления силовых деталей, шестерен и валов, поверхности которых упрочняют азотированием.

Высокопрочный с высоким отношением предела текучести к пределу прочности стальной лист, высокопрочный с высоким отношением предела текучести к пределу прочности холоднокатаный стальной лист, высокопрочный с высоким отношением предела текучести к пределу прочности оцинкованный стальной лист, высокопрочный с высоким отношением предела текучести к пределу прочности оцинкованный погружением стальной лист, высокопрочный с высоким отношением предела текучести к пределу прочности отожженный оцинкованный погружением стальной лист, способ изготовления высокопрочного с высоким отношением предела текучести к пределу прочности холоднокатаного стального листа, способ изготовления высокопрочного с высоким отношением предела текучести к пределу прочности оцинкованного погружением стального листа и способ изготовления высокопрочного с высоким отношением предела текучести к пределу прочности отожженного оцинкованного погружением стального листа // 2531216
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочному стальному листу, имеющему отношение предела текучести к пределу прочности 0,6 или более. Лист выполнен из стали следующего состава, в мас.%: 0,03-0,20% С, 1,0% или менее Si, от более 1,5 до 3,0% Mn, 0,10% или меньше Р, 0,05% или менее S, 0,10% или менее Аl, 0,010% или менее N, один или несколько видов элементов, выбранных из Ti, Nb и V, общее содержание которых составляет 0,010-1,000%, 0,001-0,01 Ta, остальное Fe и неизбежные примеси.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали для изготовления стальных колёс для рельсового транспорта. Сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод от 0,45 до 0,60, кремний от 0,38 до 0,50, марганец от 0,80 до 1,00, ванадий не более 0,15, хром от 0,80 до 1,00, фосфор не более 0,02, сера не более 0,015, медь не более 0,3, никель не более 0,25, алюминий не более 0,04, железо – остальное. Достигается повышение механических и эксплуатационных свойств стали, предназначенной для изготовления железнодорожных колёс методами обработки металлов давлением и литья.
Наверх