Сталь, стальной стержень и способ его производства
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низкотемпературной стали, используемой для изготовления стержней. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,15-0,25, кремний 0,10-0,50, марганец 0,60-1,50, хром 0,3-1,20, молибден 0,20-0,80, никель 2,00-4,00, ниобий 0-0,10, бор 0,0010-0,0050, ванадий 0-0,12, титан 0,003-0,06, алюминий 0,01-0,08, медь не более 0,30 и/или кальций не более 0,005, остальное - железо и неизбежные примеси. Микроструктура стали представляет собой отпущенный мартенсит и отпущенный бейнит. Предлагаемая сталь обладает высокой прочностью на растяжение, достигающей 1150 МПа, а также высокой ударной вязкостью при низких температурах. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к стальным материалам, обладающим сверхвысокой прочностью, и способу их производства, и, в частности, оно относится к низкотемпературной стали, обладающей сверхвысокой прочностью, стальному стержню и способу его производства.
Уровень техники
[0002] Стержень из низкотемпературной стали, обладающей сверхвысокой прочностью и вязкостью, может использоваться в изготовлении швартовных цепей для морской платформы, высокобезопасного машинного оборудования и компонентов конструкций. Вместе с эксплуатацией морских ресурсов в глубоководном море, морские платформы становятся более крупными и более сложными по своей конструкции и функциям, и при этом также повышаются требования к швартовным цепям для морской платформы. Рабочая среда для швартовных цепей морской платформы является жесткой ввиду высоких растягивающих нагрузок, ударов морской воды, обусловленных движениями волн, эрозии морской воды и микробной коррозии.
[0003] Сталь для швартовных цепей крупномасштабных морских платформ должна обладать более высокой прочностью и более высоким ударным сопротивлением. В настоящее время, сортами стали для швартовных цепей крупномасштабных морских платформ, в основном, являются R3, R3S, R4, R4S и R5, у которых значение прочности на растяжение составляет 690 МПа, 770 МПа, 860 МПа, 960 МПа и 1000 МПа, соответственно.
[0004] Исходя из этого, желательно получить низкотемпературную вязкую сталь сверхвысокой прочности. В целом, в настоящее время проводятся испытания высокопрочной вязкой стали в Китае и за рубежом путем выбора подходящих химических компонентов, а также применения процесса контролируемой прокатки и контролируемого охлаждения или закаливания и отпуска с получением высокопрочной вязкой стали, удовлетворяющей требованиям в отношении механических свойств. Однако при осуществлении процесса контролируемой прокатки и контролируемого охлаждения для получения высокопрочной стали, представляется трудным контролировать параметры в процессе прокатки и охлаждения, что может повлиять на общую однородность механических свойств стали. При осуществлении процесса закаливания и отпуска для получения высокопрочной стали, закаливаемость стали улучшается за счет оптимизации содержимого легирующих элементов и углерода, чтобы сталь образовывала мартенситную структуру в ходе процесса охлаждения. Мартенсит представляет собой квадратную решетку, образованную за счет растворения углерода в объемноцентрированной кубической решетке атомов Fe, где ОЦК-решетка проходит вдоль оси c. Такая структура обладает высокой прочностью и твердостью. Высокопрочная сталь, содержащая в основном мартенсит, как правило, имеет плохую ударную вязкость при низкой температуре вследствие ее высокой хранимой энергии деформации, составляющей вплоть до 1000 Дж/моль и высокой плотности дислокации. Однако ввиду того, что мартенситная высокопрочная сталь обладает высокой плотностью дислокации и границами субзерен, она разломается и быстро придет в негодность, если в ходе процесса растягивания появляются микродефекты, такие как микроразломы, что, таким образом, приводит к низкому коэффициенту удлинения.
[0005] Например, в опубликованной заявке на выдачу патента Китая № CN 103667953 A (дата публикации - 26 марта 2014 г.) под названием «Сталь для океанической швартовной цепи, обладающая низкой чувствительностью к трещинам от воздействия внешней среды и сверхвысокой прочностью и надежностью, а также способ ее получения» раскрыта сталь для океанической швартовной цепи, обладающая низкой чувствительностью к трещинам от воздействия внешней среды и сверхвысокой прочностью и надежностью, а также способ ее получения. В соответствии с техническими решениями, раскрытыми в патенте, состав стали содержит следующие компоненты в процентах по массе: С: 0,12~0,24, Mn: 0,10~0,55, Si: 0,15~0,35, Cr: 0,60~3,50, Mo: 0,35~0,75, N≤0,006, Ni: 0,40~4,50, Cu ≤0,50, S ≤0,005, P: 0,005~0,025, O≤0,0015, H≤0,00015, баланс Fe и неизбежные примеси.
[0006] В качестве другого примера, в опубликованной заявке на выдачу патента Китая № CN 101519751 (дата публикации - 2 сентября 2009 г.) под названием «Высококачественная сталь для морской швартовной цепи и способ ее изготовления» раскрыта высококачественная сталь для морской швартовной цепи и способ ее изготовления. В соответствии с техническими решениями, раскрытыми в патенте, состав стали содержит следующие компоненты в весовых процентах: С: 0,16~0,27, Mn: 0,40 ~ 1,05, Si: 0,15~0,50, Cr: 1,25~2,50, Mo: 0,20~0,60, Al: 0,01~0,06, N: 0,004~0,015, S≤0,005, P≤0,015, баланс Fe и неизбежные примеси. Общие механические свойства такой стали для швартовной цепи следующие: прочность на растяжение σb ≥ 1000 МПа, коэффициент удлинения δ ≥ 15%, процентное уменьшение площади после разлома ψ ≥ 55%, ударная вязкость при -20°C в виде поглощающей способности ≥ 80 Дж, соотношение предела текучести и временного сопротивления разрыву σs/σb ≤ 0,92.
Раскрытие сущности изобретения
[0007] Одна из задач настоящего изобретения заключается в представлении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, которая может достигнуть прочности на растяжение 1150 МПа и хорошей вязкостью при низкой температуре и коэффициенте удлинения. Сталь, согласно настоящему изобретению, пригодна для вариантов применения, где необходимы высокопрочные и вязкие материалы, таких как швартовные цепи для морской платформы, автомобилей и механических конструкций.
[0008] Для решения указанной выше задачи, в настоящем изобретении представлена низкотемпературная вязкая сталь, обладающая сверхвысокой прочностью и имеющая следующий химический состав в процентах по массе:
[0009] С: 0,150~0,250%, Si: 0,10~0,50%, Mn: 0,60~1,50%, Cr: 0,30~1,20%, Mo: 0,20~0,80%, Ni: 2,00~4,00%, Nb: 0~0,10%, B: 0,0010~0,0050%, V: 0~0,12%, Ti: 0,003~0,06%, Al: 0,01~0,08%, баланс Fe и неизбежные примеси.
[0010] В отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, ключевой принцип каждого химического элемента заключается в следующем:
[0011] Углерод (C): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, C добавляют в сталь для улучшения отверждаемости, чтобы сталь могла образовывать конструкцию низкотемпературного фазового преобразования, обладающую высокой твердостью, в ходе процесса закаливания и охлаждения, тем самым повышая прочность стали. Кроме того, если процент C по массе повышен, то соотношение твердых фаз, таких как мартенситная фаза и нижняя бейнитная фаза, будет увеличиваться. Таким образом, несмотря на то, что твердость стали может быть увеличена, также может быть уменьшена вязкость. Однако, если процент C по массе слишком низок, то это снизит количество конструкции низкотемпературного фазового преобразования, такой как мартенсит и нижний бейнит, и высокая прочность на растяжение не будет достигнута. Исходя из этого, процент C по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне от 0,150 до 0,250 %.
[0012] Кремний (Si): в техническом решении, согласно настоящему изобретению, Si замещает атомы Fe путем замены в стали, препятствуя перемещению дислокаций, а также он выгоден для повышения прочности стали. Si может уменьшать диффузионную емкость C в феррите. Таким образом, образование крупных карбидов и осаждение в дислокациях в ходе отпуска может быть предотвращено благодаря подходящему количеству Si. Однако высокий процент Si по массе может снизить ударное сопротивление стали при низкой температуре. Исходя из этого, процент Si по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0,10~0,50%.
[0013] Марганец (Mn): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, Mn является стабилизирующим элементом остаточного аустенита. Mn, содержащийся в стали, в основном находится в форме твердого раствора. В ходе процесса закаливания стали Mn может подавлять фазовое преобразование диффузионного типа, повышать отверждаемость стали и образовывать конструкцию низкотемпературного фазового преобразования, обладающую высокой прочностью. Однако слишком высокий процент Mn по массе может привести к образованию более остаточного аустенита и снизить предел текучести стали. Более того, ввиду того, что сталь, содержащая марганец, чувствительна к перегреву, то слишком высокий процент Mn по массе может привести к росту аустенитных зерен в ходе нагрева в процессе закаливания. Mn может способствовать сегрегации вредных элементов на границах зерен и повышать тенденцию отпуска хрупкости стали. Таким образом, в техническом решении, согласно настоящему изобретению, Mn добавляют в количестве 0,60~1,50% по массе для улучшения отверждаемости стали, при этом предотвращая образование слишком большого количества остаточного аустенита и снижая чувствительность стали к перегреву.
[0014] Хром (Cr): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, добавление Cr может уменьшить движущую силу для фазового преобразования из γ в α, предотвратить зародышеобразование в карбидах и рост в ходе фазового преобразования, подавить фазовое преобразования диффузионного типа, повысить отверждаемость стали, образовать отвержденную мартенситную структуру и обеспечить сталь, обладающую более высокой прочностью. Однако, если карбид Cr не полностью растворен в ходе процесса нагрева, то он может подавлять рост аустенитных зерен. Кроме того, если процент Cr по массе слишком высок, то могут образоваться крупные карбиды, ухудшая ударопрочность при низкой температуре. Таким образом, процент Cr по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0,30~1,20% для обеспечения прочности стали и ее ударопрочности при низкой температуре.
[0015] Молибден (Mo): в техническом решении, согласно настоящему изобретению, Mo представляет собой феррит-образующий элемент, который может упрощать отверждаемость стали путем образования бейнита и мартенсита в стали в ходе процесса закаливания. Если скорость закаливания высока, а температура отпуска низка, то Mo в основном присутствует в стали в форме твердого раствора и дополнительно усиливает эффект растворимости в твердом состоянии. Если сталь закаливается при более высокой температуре, то могут быть образованы мелкие карбиды для повышения прочности стали. Карбиды Mo являются стабильными и они нелегко поддаются росту, что может улучшить зерна. Однако учитывая то, что Mo представляет собой благородный легирующий элемент, добавление большого количества Mo может привести к повышению затрат. Таким образом, в техническом решении, согласно настоящему изобретению, массовый процент Mo контролируют в диапазоне 0,20~0,80% для достижения баланса вязкости и эффективности сваривания.
[0016] Никель (Ni): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, Ni содержится в стали в форме твердого раствора. В частности, в системе состава, разработанной в данном варианте реализации, Ni присутствует в форме гранецентрированной кубической решетки Fe-Ni-Mn для уменьшения энергии дефекта упаковки, снижения сопротивления дислокационному движению, улучшения вязкости стальной матрицы и повышения ударопрочности стали при низкой температуре. Кроме того, ввиду того, что Ni является аустенизирующим элементом, слишком высокое содержание Ni может привести к высокому содержанию остаточного аустенита в стали и, следовательно, снизить прочность стали. Исходя из этого, процент Ni по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 2,00~4,00% для обеспечения ударопрочности стали при низкой температуре и ее прочности.
[0017] Ниобий (Nb): в техническом решении, согласно настоящему изобретению, Nb добавляют в сталь для подавления рекристаллизации стали. Nb содержится в стали в качестве заменителя атома растворенного вещества. Ввиду того, что размер атомов Nb больше, чем атомов Fe, они легко поддаются сегрегации на линии дислокации и придают сильный эффект волочения дислокационному движению. Между тем, Nb в стали может образовать промежуточные фазы, такие как NbC и NbN, что препятствует скреплению дислокаций и миграции границ субзерен в ходе процесса рекристаллизации, а также эффективно улучшает зерна. Если содержание Nb слишком высокое, то крупные частицы NbC могут быть образованы в условиях высокотемпературного отпуска, что ухудшает ударную вязкость стали при низкой температуре. Таким образом, в сочетании с контролем других легирующих элементов, процент Nb по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0~0,10% для обеспечения механических свойств стали.
[0018] Бор (B): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, B может изменять процесс затвердевания и структуру в состоянии отливки, а также вступать в реакцию с расплавленной сталью с образованием мелких частиц, которые становятся ядром неспонтанного зародышеобразования, тем самым снижая энергию зародышеобразования и повышая скорость зародышеобразования. Между тем, B представляет собой поверхностно-активный элемент в стали и легко может быть абсорбирован на поверхности твердого кристаллического ядра, тем самым предотвращая рост кристалла путем препятствования поступлению атомов, необходимых для роста кристалла, и в то же время существенно повышая отверждаемость стали. Таким образом, B может улучшить структуру в состоянии отливки и снизить дендритную и региональную сегрегацию, а также улучшить равномерность и отверждаемость стали. Исходя из этого, в техническом решении, согласно настоящему изобретению, процент B по массе контролируют в диапазоне 0,0010~0,0050%.
[0019] Ванадий (V): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, V образует VC (карбид ванадия) с C. Мелкий VC может в некоторой степени препятствовать дислокациям. Между тем, ввиду того, что температура растворения VC высокая, он может эффективно предотвращать перемещение границ зерен, улучшить зерна и повысить прочность стали. В условиях высокой температуры закаливания, если проценты C и V по массе являются высокими, то могут образоваться крупные частицы VC и ухудшить ударопрочность стали. Таким образом, принимая во внимание другие легирующие элементы, добавляемые в настоящем изобретении, процент V по массе в техническом решении, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0~0,12% для обеспечения механических свойств стали.
[0020] Титан (Ti): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, Ti может образовывать соединения с C и N в стали. Температура для образования TiN составляет 1400°C или более. Как правило, TiN будет осаждаться из жидкой фазы или δ-феррита для достижения улучшения аустенитных зерен. Если процент Ti по массе слишком высок, то будет образован крупный осадок TiN, приводя к снижению свойств ударопрочности и выносливости. Кроме того, в ходе процесса отпуска, если процент Ti по массе слишком высок, то диапазон колебания ударной вязкости при низкой температуре будет увеличиваться. Исходя из этого, процент Ti по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0,003~0,06%.
[0021] Алюминий (Al): в отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, Al будет образовывать мелкие осадки AlN в ходе выплавления стали, что замедляет рост аустенитных зерен в последующем процессе охлаждения для достижения улучшения аустенитных зерен и повышает вязкость стали при низкой температуре. Однако, если процент Al по массе является слишком высоким, то это приведет к образованию крупных оксидов Al и к неприемлемым результатам ультразвуковой дефектоскопии у стали. Кроме того, тяжелые, крупные включения оксидов Al могут ухудшать усталостные свойства стали. Исходя из этого, процент AL по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют в диапазоне 0,01~0,08% для повышения вязкости стали.
[0022] Резюмируя, в системе химического состава, используемой в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, полностью используется воздействие различных легирующих элементов на фазовое преобразование и микроструктуру для обеспечения прочности, ударного сопротивления при низкой температуре и коэффициент удлинения стали для того, чтобы получить высокопрочную сталь с прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа, а также сбалансированной сверхвысокой вязкостью и хорошей гибкостью.
[0023] Кроме того, низкотемпературная вязкая сталь, обладающая сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит Cu в количестве от 0 до 0,30% и/или Ca в количестве от 0 до 0,005%. В техническом решении, представленном выше, Cu добавляют в сталь для образования мелкого наноразмерного осадка ε-Cu в ходе процесса отпуска для того, чтобы повысить прочность стали. Между тем, добавление некоторого количества Cu может помочь улучшить стойкость стали к коррозии. Однако учитывая то, что точка плавления Cu является низкой, если процент Cu по массе слишком высок, то Cu может концентрироваться на границе зерна в ходе процесса нагревания и аустенизации, что ослабит границу зерна и приведет к растрескиванию. Исходя из этого, в некоторых предпочтительных вариантах реализации низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, количество Cu контролируют в диапазоне 0<Cu≤0,30%.
[0024] Кроме того, в некоторых вариантах реализации, в сталь может быть добавлен Ca в количестве 0,005% или меньше по массе с образованием CaS для того, чтобы улучшить размер и морфологию включений, а также повысить ударное сопротивление стали при низкой температуре.
[0025] Кроме того, в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, неизбежные примеси удовлетворяют по меньшей мере одному условию из следующих: P≤0,015%, S≤0,003%, H≤0,0002%, N≤0,0150%, O≤0,0030%.
[0026] Фосфор (P): P в стали может сегрегироваться на границе зерна, уменьшая энергию связывания границы зерна и ухудшая свойство ударопрочности стали при низкой температуре. Совместное присутствие P и Mn может усиливать отпускную хрупкость стали. P, сегрегированный на границе зерна, может вызвать межзерновой разлом стали при воздействии ударной нагрузки, образуя большую грань скола, что снижает энергию, абсорбируемую во время ударного воздействия на сталь. Таким образом, процент P по массе контролируют на значении P≤0,015% для обеспечения ударного сопротивления при низкой температуре у низкотемпературной стали, обладающей сверхвысокой прочностью.
[0027] Сера (S): растворимость S в δ-феррите и аустените является низкой. S будет сегрегироваться в ходе затвердевания расплавленной стали и образовывать большое количество сульфидных включений, которые снизят эффективность ультразвуковой дефектоскопии и ударопрочность стали при низкой температуре. CaS, образованный за счет добавления S в легкообрабатываемую резанием сталь, улучшит производительность резания стали. В низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, основной причиной контроля процента S по массе является предотвращение повреждения крупного сульфида от ударного свойства. Для обеспечения хорошего ударного свойства стали при низкой температуре, процент S по массе в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, контролируют на значении: S≤0,003%.
[0029] Водород (H): H будет скапливаться на дефектах и образовывать водородное охрупчивание при гидростатическом давлении в краевой дислокации в стали. В отношении низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, поскольку она обладает прочностью на растяжение, составляющей 1100 МПа или более, она обладает высокой плотностью дислокаций и границ субзерен. Если процент H по массе слишком высок, то это приведет к скоплению большого количества атомов H на дефектах после закаливания и отпускной теплообработкой стали. Концентрация атомов H приведет к образованию молекул H, что в результате даст отсроченный разлом стали. Учитывая то, что когда из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, делают швартовную цепь морской платформы, с высокой долей вероятности возможно, что разлом швартовной цепи высокой прочности за счет коррозии морской воды и проникновения H в швартовную цепь может быть отсрочен при рабочих условиях, угрожая безопасности морских платформ. Таким образом, в техническом решении, согласно настоящему изобретению, процент H по массе контролируют на значении H≤0,0002%.
[0029] Азот (N): N будет образовывать AlN или TiN в стали для улучшения зерен аустенита. Однако увеличение процента N по массе может привести к увеличению его обогащением в дефектах и образовать крупные нитридные осадки, тем самым влияя на ударную вязкость стали при низкой температуре. Исходя из этого, в техническом решении, согласно настоящему изобретению, процент N по массе контролируют на значении N≤0,0150%.
[0030] Кислород (O): O вместе с Al в стали будет образовывать Al2O3, TiO или т. п. В техническом решении, согласно настоящему изобретению, процент O по массе контролируют на значении O≤0,0030% для обеспечения структурной целостности и ударной вязкости стали при низкой температуре.
[0031] Кроме того, в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, микроструктура стали представляет собой отпущенный мартенсит и отпущенный бейнит.
[0032] Кроме того, в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, сталь обладает пределом текучести ≥950 МПа, прочностью на растяжение ≥1150 МПа, ударной вязкостью по Шарпи ниже -20°C в виде поглощающей способности ≥75 Дж, коэффициентом удлинения ≥15%, процентным уменьшением площади после разлома ≥55%.
[0033] Следовательно, другая задача настоящего изобретения заключается в представлении стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью. Стальной стержень обладает прочностью на растяжение, составляющей вплоть до 1150 МПа, хорошей вязкостью при низкой температуре и коэффициентом удлинения, а также является пригодным для вариантов применения, в которых необходимы высокопрочные и вязкие материалы, таких как швартовные цепи для морской платформы, автомобили и механические конструкции.
[0034] Для решения указанной выше задачи, в настоящем изобретении представлен стержень из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, который выполнен из указанной выше низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью.
[0035] Кроме того, стержень из низкотемпературной вязкой стали, согласно настоящему изобретению, имеет диаметр ≤180 мм.
[0036] Следовательно, другая задача настоящего изобретения заключается в представлении способа производства стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью. Данным способом может быть получен стержень из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью. Стержень из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, обладает прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа, хорошей вязкостью при низкой температуре и коэффициентом удлинения, а также является пригодным для вариантов применения, в которых необходимы высокопрочные и вязкие материалы, таких как швартовные цепи для морской платформы, автомобили и механические конструкции.
[0037] Для решения указанной выше задачи, в настоящем изобретении представлен способ производства указанного выше стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, включающий этапы, на которых выполняют:
плавление и литье;
нагревание;
штамповку или прокатку;
закаливание, причем температура аустенизации в ходе этапа закаливания составляет 840-1050°C, с последующим закаливанием в воде после аустенизации; и
отпуск, причем температура отпуска составляет 500-650°C, с последующим воздушным охлаждением или водяным охлаждением после отпуска.
[0038] В соответствии с техническим решением, согласно настоящему изобретению, причины контроля температуры аустенизации в диапазоне 840-1050°C на этапе закаливание заключаются в следующем: в ходе процесса, такие образующие карбиды элементы, как Nb, V, Ti, Cr и карбонитриды Mo, будут полностью или частично растворяться, тогда как нерастворенные карбонитриды будут прикрепляться на границе зерна аустенита для предотвращения слишком крупного размера аустенитных зерен, тем самым обеспечивая улучшение зерен после закаливания и повышая прочность и вязкость стали. В последующем процессе охлаждения легирующие элементы, растворенные в аустените, будут улучшать отверждаемость стали, так что мартенсит станет мельче, и это даст сверхвысокую прочность и хорошую вязкость получаемого стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью.
[0039] Следует отметить, что этап литья может быть выполнен путем литья в формы или непрерывного литья.
[0040] Закаленный стержень из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, подвергают теплообработке для отпуска при температуре 500-650°C. Это обусловлено тем, что в ходе процесса закаливания сталь будет образовывать структуру низшего бейнита и мартенсита, обладающую высокой плотностью дефектов, приводя к высокому количеству внутренней деформации и неравномерному распределению внутренних нагрузок. В ходе процесса высокотемпературного отпуска, Nb, V вместе с C, N будут образовывать карбиды. Между тем, Cr и Mo также будут образовывать мелкие карбидные осадки в ходе процесса высокотемпературного отпуска, тем самым повышая прочность для обеспечения соответствия вязкости стали. Кроме того, микроструктура стали становится более равномерной за счет разрушения высокой плотности дислокаций и незначительных движений границ зерен, тем самым повышая низкий коэффициент удлинения после низкотемпературного закаливания. В пределах диапазона температуры отпуска, определенного в настоящем изобретении, может быть обеспечена хорошая вязкость и гибкость, внутренняя деформация стали может быть эффективно уменьшена, что упрощает процесс и применение стального стержня, например, в производстве высокоэффективных швартовных цепей для морской платформы сорта R6.
[0041] Кроме того, в способе производства, согласно настоящему изобретению, температура нагревания на этапе нагревания составляет 1050-1250°C.
[0042] В техническом решении, указанном выше, температуру нагревания устанавливают в диапазоне 1050-1250°C. Это обусловлено тем, что в ходе процесса нагревания карбонитриды Nb, V и Ti, карбидны Cr и Mo будут полностью или частично растворяться в аустените. На последующем этапе прокатки или штамповки и закаливания, Nb, V, и Ti будут образовывать мелкие карбонитриды, которые крепятся к границе зерна аустенита и улучшают прокатанную структуру стали. Кроме того, Cr и Mo, растворенные в аустените, могут улучшить отверждаемость стали. Cr и Mo, растворенные в аустените, могут улучшить отверждаемость мартенсита в ходе закаливания.
[0043] Кроме того, в способе производства, согласно настоящему изобретению, конечная температура прокатки или конечная температура штамповки составляет 800°C или выше, но не выше, чем 1200°C.
[0044] В техническом решении, представленном выше, при условии, что температура конечной прокатки или температура конечной штамповки составляет ≥800°C, в стали будет происходить рекристаллизация и индуцированное деформацией осаждение, тем самым образуя многофазную матричную структуру улучшенного бейнита и мартенсита, в которой осаждены мелкие карбонитриды, что, таким образом, дополнительно улучшает рабочие характеристики стали. Если температура выше 1200°C, то это приведет к сильному оксидному слою на поверхности стали. Внедрение оксидного слоя в ходе этапа штамповки окажет влияние на качество поверхности.
[0045] По сравнению с уровнем техники, низкотемпературная вязкая сталь, обладающая сверхвысокой прочностью, стержень из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, и способ ее производства, согласно настоящему изобретению, обладают следующими преимуществами и полезными эффектами:
[0046] В системе химического состава, используемой в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, полностью используется воздействие различных легирующих элементов на фазовое преобразование и микроструктуру для обеспечения прочности, ударного сопротивления при низкой температуре и коэффициент удлинения стали для того, чтобы получить высокопрочную сталь с прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа, а также сбалансированной сверхвысокой вязкостью и хорошей гибкостью.
[0047] Кроме того, низкотемпературная вязкая сталь, обладающая сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, обладает прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа. Применение процесса отпуска после этапа закаливания для прокатанного или отштампованного стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, может помочь образовать матричную структуру отпущенного мартенсита и отпущенного бейнита, на которой осаждены мелкие карбиды, что устраняет внутреннее напряжение стали и обеспечивает хорошую равномерность структуры.
[0048] Кроме того, приемлемое исполнение и широкий диапазон процесса для композиции и способа производства низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, обеспечит достижение массового коммерческого производства стержней или стальных пластин.
Краткое описание чертежей
[0049] На Фиг. 1 показана металлографическая структура стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно Примеру 4, через оптический микроскоп.
[0050] На Фиг. 2 показана металлографическая структура стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно Примеру 4, через сканирующий электронный микроскоп.
Подробное описание
[0051] Далее ниже будут описаны варианты реализации настоящего изобретения в сочетании с чертежами и примерами. Однако разъяснение и описание не предназначены для неправомерного ограничения технических решений в настоящем изобретении.
[0052] Примеры 1-6
[0053] Низкотемпературные вязкие стержни, обладающие сверхвысокой прочностью, согласно Примерам 1-6, получают с помощью следующих этапов:
[0054] плавление и литье на основе химических составов, перечисленных в Таблице 1, причем на этапе плавления возможно использование конвертерное производство стали или круговое производство стали, а литье выполняют в заготовку непрерывного литья;
[0055] нагревание литьевой заготовки до 1050~1250°C и поддержание температуры в течение ≥1,5 ч;
[0056] штамповка или прокатка на основе параметров, показанных в Таблице 2;
[0057] закаливание: температура аустенизации на этапе закаливания составляет 840-1050°C, с последующим закаливанием в воде после аустенизации;
[0058] отпуск: температура отпуска составляет 500-650°C, с последующим воздушным охлаждением или водяным охлаждением после отпуска.
[0059] Следует отметить, что воздушное охлаждение или медленное охлаждение может быть проведено после штамповки или прокатки.
[0060] В Таблице 1 перечислены проценты по массе каждого химического элемента в низкотемпературных вязких стержнях, обладающих сверхвысокой прочностью, согласно Примерам 1-6.
Таблица 1. (вес. %, а также баланс Fe и других неизбежных примесей за исключением P, S, H, N и O)
| Пр. | С | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Nb | Ni | Cu | V | Al | Ti | Ca | H | N | O | В |
| 1 | 0,15 | 0,50 | 0,50 | 0,015 | 0,002 | 1,18 | 0,80 | 0,06 | 2,00 | 0,28 | 0,12 | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,00015 | 0,0120 | 0,0030 | 0,0008 |
| 2 | 0,170 | 0,40 | 0,70 | 0,011 | 0,002 | 1,06 | 0,70 | 0,08 | 2,30 | 0,24 | 0,09 | 0,04 | 0,06 | 0,001 | 0,00020 | 0,0080 | 0,0013 | 0,0013 |
| 3 | 0,200 | 0,30 | 0,80 | 0,009 | 0,001 | 0,92 | 0,50 | 0,05 | 2,70 | 0,17 | 0,07 | 0,07 | 0,02 | 0,002 | 0,00012 | 0,0030 | 0,0020 | 0,0019 |
| 4 | 0,210 | 0,20 | 1,10 | 0,007 | 0,003 | 0,70 | 0,40 | 0,03 | 3,00 | 0,10 | 0,05 | 0,08 | 0,015 | 0,003 | 0,00010 | 0,0050 | 0,0025 | 0,0029 |
| 5 | 0,220 | 0,20 | 1,30 | 0,010 | 0,002 | 0,50 | 0,30 | 0,02 | 3,40 | 0,06 | 0,04 | 0,02 | 0,003 | 0,003 | 0,00012 | 0,0060 | 0,0015 | 0,0038 |
| 6 | 0,240 | 0,10 | 1,50 | 0,008 | 0,001 | 0,30 | 0,20 | 0 | 3,70 | 0 | 0,02 | 0,01 | 0,010 | 0 | 0,00007 | 0,0040 | 0,0012 | 0,0045 |
[0061] В Таблице 2 перечислены специфические рабочие параметры низкотемпературных вязких стержней, обладающих сверхвысокой прочностью, согласно Примерам 1-6.
[0062] Специалист в данной области техники может определить длительность удержания, длительность нагревания и длительность отпуска исходя из таких признаков, как диаметр стального стержня или т. п., для обеспечения равномерного нагревания стального стержня, чтобы сердцевинная часть могла достигнуть той же температуры, что и поверхность стального стержня.
Таблица 2.
| № | Этап нагревания заготовки | Этап штамповки или прокатки круглой стали | Закаливание | Отпуск | |||||
| Темп. нагревания (°C) | Время удержания (мин) | Темп. конечной прокатки для пром. заготовки (°C) | Темп. нагревания (°C) | Темп. конечной штамповки или прокатки (°C) | Аустенизирующее закаливание (°C) | Длительность нагревания (мин) | Темп. отпуска (°C) | Длительность отпуска (мин) | |
| Пр. 1 | 1050 | 240 | 800 | 1070 | 800 | 840 | 30 | 500 | 60 |
| Пр. 2 | 1080 | 270 | 880 | 1100 | 830 | 870 | 100 | 530 | 60 |
| Пр. 3 | 1080 | 300 | 880 | 1120 | 940 | 900 | 150 | 560 | 100 |
| Пр. 4 | 1200 | 360 | 950 | 1150 | 980 | 930 | 150 | 590 | 180 |
| Пр. 5 | 1200 | 420 | 950 | 1200 | 1020 | 980 | 170 | 610 | 260 |
| Пр. 6 | 1200 | 480 | 950 | 1250 | 1020 | 1040 | 300 | 650 | 300 |
[0063] Низкотемпературные вязкие стержни, обладающие сверхвысокой прочностью, согласно Примерам 1-6, затем подвергают испытанию на рабочие характеристики. Результаты испытания круглой стали, имеющей разные диаметры, перечислены в Таблице 3 ниже.
Таблица 3.
| Пример | Диаметр стального стержня (мм) | Предел текучести (МПа) | Прочность на растяжение (МПа) |
Коэффициент удлинения (%) | Процентное уменьшение площади после разлома (%) | Продольная ударная вязкость при -20°C (Дж) |
| 1 | 20 | 1000 | 1170 | 17,0 | 65 | 129/135/139 |
| 2 | 50 | 1020 | 1180 | 17,0 | 63 | 126/132/127 |
| 3 | 70 | 1060 | 1200 | 16,5 | 62 | 113/120/124 |
| 4 | 100 | 1110 | 1220 | 16,0 | 61 | 111/107/119 |
| 5 | 130 | 1130 | 1230 | 16,0 | 62 | 105/109/107 |
| 6 | 180 | 1140 | 1250 | 15,5 | 60 | 97/101/95 |
Примечание: В трех столбцах с продольной ударной вязкостью при -20°C представлены результаты испытания трех параллельных образцов, соответственно.
[0064] В соответствии с Таблицей 3, Примеры, согласно настоящему изобретению, сталь обладает пределом текучести ≥950 МПа, прочностью на растяжение ≥1150 МПа, ударной вязкостью по Шарпи ниже -20°C в виде поглощающей способности ≥75 Дж, коэффициентом удлинения ≥15%, процентным уменьшением площади после разлома ≥55%. Таким образом, можно сделать вывод, что низкотемпературные вязкие стержни, обладающие сверхвысокой прочностью, имеют хорошую прочность, вязкость при низкой температуре и гибкость.
[0065] На Фиг. 1 показана металлографическая структура стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно Примеру 4, через оптический микроскоп. На Фиг. 2 показана металлографическая структура стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно Примеру 4, через сканирующий электронный микроскоп.
[0066] Комбинируя Фиг. 1 и Фиг. 2, можно увидеть, что микроструктура стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно Примеру 4, представляет собой отпущенный мартенсит и отпущенный бейнит.
[0067] Резюмируя, в системе химического состава, используемой в низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, полностью используется воздействие различных легирующих элементов на фазовое преобразование и микроструктуру для обеспечения прочности, ударного сопротивления при низкой температуре и коэффициент удлинения стали для того, чтобы получить высокопрочную сталь с прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа, а также сбалансированной сверхвысокой вязкостью и хорошей гибкостью.
[0068] Кроме того, низкотемпературная вязкая сталь, обладающая сверхвысокой прочностью, согласно настоящему изобретению, обладает прочностью на растяжение, составляющей 1150 МПа. Применение процесса отпуска после этапа закаливания для прокатанного или отштампованного стержня из низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, может помочь образовать матричную структуру отпущенного мартенсита и отпущенного бейнита, на которой осаждены мелкие карбиды, что устраняет внутреннее напряжение стали и обеспечивает хорошую равномерность структуры.
[0069] Кроме того, приемлемое исполнение и широкий диапазон процесса для композиции и способа производства низкотемпературной вязкой стали, обладающей сверхвысокой прочностью, обеспечит достижение массового коммерческого производства стержней или стальных пластин.
[0070] Следует отметить, что часть уровня техники в объеме защиты настоящего изобретения не ограничивается вариантами реализации, представленными в настоящем документе. Весь уровень техники, который не противоречит решениям в настоящем изобретении, в том числе, но без ограничения, предыдущие патентные документы, предыдущие публикации, предыдущие заявки и т. д., может быть включен в объем защиты настоящего изобретения.
[0071] Кроме того, комбинация технических признаков в настоящем изобретении не ограничивается комбинацией, описанной в формуле изобретения, или комбинацией, описанной в конкретных примерах. Все технические признаки, описанные в настоящем документе, могут быть свободно скомбинированы любым образом при условии, что они не противоречат друг другу.
[0072] Следует также отметить, что перечисленные выше варианты реализации представляют собой лишь специфические примеры настоящего изобретения. Очевидно, что настоящее изобретении не должно неправомерно ограничиваться такими специфическими вариантами реализации. Предполагается, что изменения или модификации, которые могут быть прямым или непрямым образом получены специалистом в данной области техники из настоящего раскрытия, входят в объем защиты настоящего изобретения.
1. Сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%:
| Углерод | 0,15–0,25 |
| кремний | 0,10–0,50 |
| марганец | 0,60–1,50 |
| хром | 0,3–1,20 |
| молибден | 0,20–0,80 |
| никель | 2,00–4,00 |
| ниобий | 0–0,10 |
| бор | 0,0010–0,0050 |
| ванадий | 0–0,12 |
| титан | 0,003–0,06 |
| алюминий | 0,01–0,08 |
| медь | не более 0,30 и/или |
| кальций | не более 0,005 |
| железо и неизбежные примеси | остальное, |
при этом микроструктура стали представляет собой отпущенный мартенсит и отпущенный бейнит.
2. Сталь по п. 1, в которой неизбежные примеси удовлетворяют по меньшей мере одному из следующего, мас.%: фосфор не более 0,015%, сера не более 0,003%, водород не более 0,0002%, азот не более 0,0150% и кислород не более 0,0030%.
3. Стальной стержень, выполненный из стали по п.1 или 2.
4. Стальной стержень по п. 3, который имеет диаметр 180 мм или меньше.
5. Способ производства стального стержня по п. 3 или 4, включающий этапы, на которых выполняют плавление и литье; нагревание; штамповку или прокатку; закаливание, причем температура аустенизации в ходе этапа закаливания составляет 840-1050°С, с последующим закаливанием в воде после аустенизации; и отпуск, причем температура отпуска составляет 500-650°С, с последующим воздушным охлаждением или водяным охлаждением после отпуска.
6. Способ производства по п. 5, в котором температура нагревания в ходе этапа нагревания составляет 1050-1250°С.
7. Способ производства по п. 5, в котором температура конечной прокатки или температура конечной штамповки составляет ≥800°С.
