Сталь

 

Использование: для изделий, работающих в атмосфере повышенной агрессивности. Цель изобретения - повышение прочности, надежности и долговечности металлоизделий, используемых в машиностроении и строительстве, при работе в агрессивных средах, уменьшение склонности стали к трещинообразованию в условиях горячей и холодной деформации с достижением величины суммарного относительного обжатия 75 - 90% без разрушения. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,17 - 0,54; кремний 0,14 - 0,20; марганец 0,50 - 0,80; хром 0,70 - 1,10; сера 0,005 - 0,011; фосфор 0,015 - 0,025; медь 0,10 - 0,20; никель 0,10 - 0,20; алюминий 0,006 - 0,025; сурьма 0,0002 - 0,003; олово 0,0005 - 0,01; свинец 0,0002 - 0,003; цинк 0,0002 - 0,003; висмут 0,0002 - 0,003; мышьяк 0,001 - 0,01; азот 0,005 - 0,012; железо - остальное, при выполнении следующих соотношений: сумма (сурьма + олово + свинец + цинк + висмут + мышьяк) ≅ 0,026; отношение марганца к сере равно 45 - 160; отношение алюминия к азоту - 0,5 - 5. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на железной основе, используемым для изделий, работающих в атмосфере повышенной агрессивности.

Известна легированная конструкционная сталь, содержащая, мас. C 0,36-0,44; Si 0,17-0,37; Mn 0,50-0,80; Cr 0,80-1,10; P до 0,035; S до 0,035; Сu до 0,30; Ni до 0,30; железо остальное (ГОСТ 4543-71).

Недостатки стали невысокая надежность и малая долговечность при эксплуатации в условиях протекания электрохимических процессов атмосферной коррозии.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является сталь, содержащая, мас. C 0,18-0,23; Si 0,17-0,55; Mn 0,40-0,80; Cr 1,6-2,2; Ni 1,2-1,5; Mo 0,25-0,60; Ti 0,03-0,06; B 0,002-0,004; Nb 0,02-0,04; P до 0,035; S до 0,035; железо остальное.

Недостаток этой стали повышенное содержание дорогостоящих легирующих элементов хрома до 2,2% никеля до 1,5% молибдена до 0,6% титана до 0,06% Цель изобретения повышение прочности, надежности и долговечности металлоизделий, используемых в машиностроении и строительстве, при работе в агрессивных средах, уменьшение склонности стали к трещинообразованию в условиях горячей и холодной деформации с достижением величины суммарного относительного обжатия 75-90% без разрушения.

Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор, медь, никель и железо, дополнительно содержит алюминий, сурьму, олово, свинец, цинк, висмут, мышьяк, азот при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 0,17-0,54 Кремний 0,14-0,20 Марганец 0,50-0,80 Хром 0,70-1,10 Сера 0,005-0,011 Фосфор 0,015-0,025 Медь 0,10-0,20 Никель 0,10-0,20 Алюминий 0,006-0,025 Сурьма 0,0002-0,003 Олово 0,0005-0,01 Свинец 0,0002-0,003 Цинк 0,0002-0,003 Висмут 0,0002-0,003 Мышьяк 0,001-0,01 Азот 0,005-0,012 Железо Остальное причем сумма элементов (Sb+Sn+Pb+Zn+Bi+As)≅0,026% отношение Mn/S=45-160 и Al/N=0,5-5,0.

Превышение содержания углерода свыше 0,54% значительно ухудшает деформируемость стали, а уменьшение ниже 0,17% не позволяет достигнуть необходимого уровня прочностных свойств. Кремний необходим в качестве раскислителя стали. Содержание кремния ниже 0,14% приводит к недостаточной раскисленности стали, а выше 0,20% отрицательно влияет на холодную деформируемость стали. Пределы содержания марганца выбраны с учетом его влияния на прокаливаемость и деформируемость в холодном состоянии. При снижении марганца меньше 0,50% сталь не будет обладать хорошей прокаливаемостью, а увеличение свыше 0,80% значительно увеличивает сопротивление деформации.

Количество хрома (0,70-1,10% ) определяется его воздействием на прокаливаемость и степень упрочнения при холодной обработке давлением. Превышение содержания хрома приводит к резкому увеличению прочности и падению трещиностойкости, при содержании хрома менее 0,70% образуется недостаточное количество карбидной фазы, что приводит к потере прочности.

Фосфор и сера являются элементами, отрицательно воздействующими на деформируемость стали в холодном состоянии и трещиностойкость при эксплуатации. Наличие фосфора больше 0,025% приводит к увеличению его концентрации на границах аустенистных зерен и к трещинообразованию в ходе деформации, а также к развитию межзеренной хрупкости в условиях атмосферной коррозии. Увеличение содержания серы более 0,011% приводит к образованию на границах зерен выделений в виде эвтектических сульфидов, являющихся концентраторами напряжений, что повышает склонность к трещинообразованию в ходе холодной деформации и снижает долговечность изделий при работе в агрессивных средах в результате развития процессов локальной коррозии. Нижние пределы содержания серы (0,005% ) и фосфора (0,015%) выбраны исходя из реальных возможностей промышленного оборудования.

Уменьшение меди менее 0,10% отрицательно сказывается на коррозионной стойкости изделий, а при содержании свыше 0,20% образуются легкоплавкие эвтектики на границах зерен при термической обработке. Содержание никеля (0,10-0,20%) выбрано из условий оптимального уровня прокалиаемости.

Примеси цветных металлов сурьмы, олова, свинца, цинка, висмута, мышьяка отрицательно влияют на трещиностойкость стали при работе в атмосфере повышенной агрессивности. Получение содержания этих элементов ниже 0,0002 Sb, 0,0005 Sn, 0,0002 Pb, 0,0002 Zn, 0,0002 Bi, 0,001 As не представляется возможным в промышленных условиях, ограничение верхнего предела 0,003 Sb, 0,01 Sn, 0,003 Pb, 0,003 Zn, 0,003 Bi, 0,01 As возможно при применении метода прямого восстановления железа.

Соотношение Mn/S= 45-160 выбрано из следующих соображений. Во-первых, сталь с соотношением Mn/S=45-160 имеет большую трещиностойкость, чем стали с другими значениями соотношения Mn/S. Во-вторых, сталь с соотношением Mn/S= 45-160 имеет меньшую степень наклепа при холодной деформации в результате более низкого (на 10-15% ) значения коэффициента упрочнения и обладает в 1,5-2 раза большим запасом вязкости, чем стали с другими соотношениями Mn/S.

При соотношении Al/N менее 0,50 происходит значительный рост зерна и падает пластичность стали, увеличение же отношения Al/N больше 5,0 приводит к образованию крупных нитридов алюминия, что ухудшает ударную вязкость, а также понижает как прочность, так и пластичность стали.

П р и м е р. Сталь выплавляют в 150 т электродуговых печах. Шихта для выплавки стали состоит из металлизованных окатышей, полученных методом прямого восстановления железа, и металлического лома. Содержание углерода доводят до 0,39% Перед выпуском производят присадку ферромарганца до достижения значения 0,72% и восстанавливается ферросилицием кремний до 0,19% добавляют феррохром до получения содержания хрома 0,87% Во время выпуска на струю дается шлакообразующая смесь, состоящая из извести и плавикового шпата, присаживается алюминий. После выпуска сталь вакуумируют циркуляционным способом в течение 5-6 мин. Во время внепечной обработки производят десульфурацию, содержание серы доводят до 0,007% В процессе выпуска и внепечной обработки при необходимости производят корректировку состава путем ввода добавок требуемых элементов. При достижении соотношений Mn/S=103 и Al/N=1,0, а также требуемой температуры ковш с металлом передают на разливку.

В табл.1 и 2 представлены составы выплавляемой стали и ее свойства.

Предлагаемое изобретение опробовано при изготовлении высокопрочных болтов (класс прочности 12,9) М 12 и М 24 для станкостроительной, автомобильной промышленностей и монтажа строительных металлоконструкций, а также изделий сложной геометрической формы, например, пальцев шаровых опор для автомобилестроения.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить надежность и долговечность изделий в эксплуатации (более высокий уровень вязкости KCV и К_с и порогового коэффициента интенсивности напряжений К_п на 10-15%), снизить металлоемкость стальных конструкций за счет более высокого уровня прочности изделий на 15-20% и уменьшить трудоемкость при монтаже на 10-15% Более высокая пластичность стали, полученной по предлагаемому изобретению, позволяет снизить брак по трещинам при изготовлении изделий методом холодной объемной штамповки и повысить стойкость штампового инструмента на 5-10%

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор, медь, никель, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит медь, алюминий, сурьму, олово, свинец, цинк, висмут, мышьяк, азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,17 0,54 Кремний 0,14 0,20 Марганец 0,50 0,80 Хром 0,70 1,10 Сера 0,005 0,011 Фосфор 0,015 0,025 Медь 0,10 0,20
Никель 0,10 0,20
Алюминий 0,006 -0,025
Сурьма 0,0002 0,003
Олово 0,0005 0,01
Свинец 0,0002 0,003
Цинк 0,0002 0,003
Висмут 0,0002 0,003
Мышьяк 0,001 0,01
Азот 0,005 0,012
Железо Остальное
при выполнении следующих соотношений (сурьма + олово + свинец + цинк + висмут + мышьяк) ≅ 0,026; марганец/сера 45 160; алюминий/азот 0,5 5,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2