Конструкционная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционной высокопрочной стали для станков-качалок. Сталь обладает сочетанием повышенного предела текучести, прокаливаемой и ударной вязкости при отрицательных температурах. Сталь дополнительно содержит молибден и карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : углерод 0,35 - 0,45; марганец 0,30 - 0,60; кремний 0,17 - 0,37; хром 2,0 - 3,0; ванадий 0,66 - 0,15; азот 0,02 - 0,03; молибден 0,15 - 0,55; карбонитрид титана 0,04 - 0,10; железо остальное. 1 табл. , 1 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к созданию высокопрочных сталей для длинномерных высоконагруженных деталей нефтяного оборудования, например штанг и устьевых штоков для станков-качалок.

Для изготовления этих деталей в настоящее время применяются стали типа 40, 40Х2АФ.

Длинномерные изделия из указанных сталей не обладают необходимым уровнем механических свойств, особенно при работе в условиях низких температур.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности является сталь (п. р. 4708118/27-02, кл. С 22 С 38/28, 1989), содержащая, мас. % : Углерод 0,32-0,42 Марганец 0,30-0,50 Кремний 0,17-0,40 Хром 1,8-2,5 Ванадий 0,06-0,15 Сера 0,03-0,05 Алюминий 0,01-0,04 Азот 0,02-0,04 Кальций 0,001-0,02 Барий 0,001-0,02 Титан 0,001-0,03 Железо Остальное В случае применения этой стали для заготовок длиной более 8 м не обеспечивается полной прокаливаемости заготовок после охлаждения с прокатного нагрева. Кроме того эта сталь склонна к отпускной хрупкости.

Цель изобретения - создание стали, предназначенной для устьевых штоков и штанг, имеющей повышенные предел текучести, прокаливаемость и ударную вязкость при отрицательных температурах.

Цель достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, алюминий, азот, железо, дополнительно содержит молибден и карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,35-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 2,0-3,0 Ванадий 0,06-0,15 Алюминий 0,02-0,06 Азот 0,02-0,03 Молибден 0,15-0,55 Карбонитрид титана 0,04-0,10 Железо Остальное Существенными отличительными признаками данного изобретения являются введение в состав стали новых компонентов - молибдена и карбонитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,35-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 2,0-3,0 Ванадий 0,06-0,15 Алюминий 0,02-0,06 Азот 0,02-0,03 Молибден 0,15-0,55 Карбонитрид титана 0,04-0,10 Железо Остальное Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Новизна".

При изучении других известных составов сталей выявлены стали, содержащие признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа.

Так, известно изобретение, в которое вводится молибден с целью повышения механических свойств (авт. св. N 1350189, кл. С 22 С 38/50, 1986). Известно также изобретение, в котором молибден вводится наряду с кальцием, никелем, кобальтом для повышения прочности и сопротивления микрососкобу (авт. св. N 162707, кл. С 22 С 38/52, 1989).

Изобретений, в которых с целью одновременного повышения предела текучести, прокаливаемости и ударной вязкости при отрицательных температурах вводится молибден и карбонитрид титана, не выявлено.

Таким образом, содержание элементов и их соотношение в стали обеспечивает новые свойства - одновременное повышение предела текучести, прокаливаемости и ударной вязкости при отрицательных температурах, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательный уровень".

Химический состав, механические свойства, результаты испытаний на прокаливаемость представлены в таблице. Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что благодаря легированию стали молибденом и карбонитридом титана повышаются предел текучести, прокаливаемость, ударная вязкость при отрицательных температурах.

На чертеже приведен график кривых торцевой прокаливаемости стали (2, 3, 4) и стали-прототипа (5).

В связи с тем, что предлагаемая сталь предназначена для изготовления длинномерного проката (длиной более 8 м), свойства которого должны быть обеспечены в горячекатаном состоянии, выбраны такие легирующие элементы, которые позволяют максимально использовать процесс горячего деформирования для получения мелкозернистой перекристаллизованной структуры аустенита. Установлено, что присутствие в стали мелкозернистых частиц карбонитрида титана, образующихся при выплавке стали, обеспечивает получение мелкого зерна аустенита, которое не склонно к росту при температурах нагрева под прокатку вплоть до 1200^оС. Именно частицы карбонитрида Ti не растворяются при нагреве под горячую деформацию и в процессе деформации блокируют границы зерен. При этом частицы Ti(CN) сохраняют свои размеры и форму.

Введение молибдена в количестве 0,15-0,55 мас. % повышает устойчивость переохлажденного аустенита по сравнению со сталью-прототипом, что дает возможность получить однородную структуру нижнего бейнита после прокатки в сечениях более 50 мм и повысить прочность по всему сечению детали.

Для получения стали, обладающей наряду с повышенным пределом текучести высокими значениями ударной вязкости при отрицательных температурах, ее подвергают отпуску при 600-650^оС. Введение Мо увеличивает устойчивость стали против высокого отпуска, что обусловлено выделением мелкодисперсных специальных карбидов, при этом повышается прочность стали с сохранением высокого уровня пластических характеристик и ударной вязкости при отрицательных температурах.

Кроме того, наличие Мо в стали позволяет охлаждать длинномерные заготовки после отпуска на воздухе, не опасаясь проявления отпускной хрупкости.

Таким образом, получение стали с мелкозернистой однородной структурой и равномерно распределенными частицами карбидонитридов и карбидов обеспечивает повышение предела текучести, ударной вязкости и прокаливаемости стали непосредственно после прокатки.

Повышение верхнего предела содержания молибдена свыше 0,55% обуславливает укрупнение карбидов, что неблагоприятно влияет на характеристики вязкости и пластичности.

Содержание молибдена менее 0,15 мас. % приводит к разупрочнению при высоком отпуске.

Наличие карбонитрида титана в стали более 0,10 мас. % приводит к снижению вязкости и прокаливаемости стали.

Содержание карбонитрида титана менее 0,15 мас. % недостаточно для измельчения аустенитного зерна стали, что ведет к падению предела текучести.

П р и м е р. Сталь выплавляли в основной 180-тонной печи металлургического завода им. А. К. Серова, прокатка производилась на круг 32 мм. После прокатки производился отпуск при 630^оС. Механические свойства определяли на стандартных пятикратных образцах (ГОСТ 1497-84) и образцах менаже ГОСТ 9454-78, прокаливаемость стали определяли методом торцевой закалки по ГОСТ 5657-81 на образцах ДЖОМИНИ.

Химический состав и механические свойства предлагаемой и известной сталей приведены в таблице. Оптимальные предел текучести, ударная вязкость при отрицательных температурах и прокаливаемость получены в стали 3 состава σ_т - 1020 МПА, КСU_-60 = 80 Дж/см²; сквозная прокаливаемость, при получении всех элементов на верхнем пределе (2 состав) предел текучести возрастает, однако несколько снижается ударная вязкость. При содержании элементов на нижнем пределе (состав 4) несколько ниже прочность. Первый и пятый составы представляют стали за верхним и нижним пределами. Видно, что 1 состав имеет неудовлетворительные значения ударной вязкости, а 5 состав не обеспечивает повышение предела текучести и требуемой прокаливаемости.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает стабильное получение следующих показателей: повышение предела текучести ≈ на 100 МПА, ударной вязкости при температуре испытания - 60^оС ≈ на 30 Дж/см²; полную прокаливаемость.

Формула изобретения

КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, алюминий, азот, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден и карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,35 - 0,45 Марганец 0,30 - 0,60 Кремний 0,17 - 0,37 Хром 2,0 - 3,0 Ванадий 0,06 - 0,15
Алюминий 0,02 - 0,06
Азот 0,02 - 0,03
Молибден 0,15 - 0,55
Карбонитрид титана 0,04 - 0,10
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2