Сталь конструкционная легированная

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям, предназначенным для изготовления соединительных звеньев для цепей, преимущественно для сварных высокопрочных круглозвенных цепей диаметром до 50 мм для горношахтного оборудования. Предложена сталь конструкционная легированная, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,22 - 0,28; марганец 0,9 - 1,2; кремний 0,15 - 0,35; хром 0,5 - 0,7; молибден 0,7 - 0,9; никель 0,1 - 1,6; ванадий 0,06 - 0,12; азот 0,002 - 0,012 и железо - остальное. Техническим результатом изобретения является получение стали с повышенными прочностными характеристиками при сохранении пластичности и вязкости в сечении до 50 мм. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к сталям, предназначенным для изготовления соединительных звеньев для цепей и сварных высокопрочных круглозвенных цепей диаметром до 50 мм для горношахтного оборудования.

В настоящее время соединительные звенья для высокопрочных круглозвенных цепей диаметром до 28 мм изготавливают из стали 25ХГНМА, содержащей, мас.%: Углерод - 0,22 - 0,28 Марганец - 0,7 - 1,0 Кремний - 0,17 - 0,37 Хром - 0,5 - 0,8 Молибден - 0,15 - 0,25 Никель - 0,5 - 0,8 Железо - Остальное [1] Указанная сталь после закалки с температурой 880^oC в воду и отпуска 200^oC в прутках сечением до 28 мм имеет следующие механические свойства: Предел прочности ≥ 145 кгс/мм² (1420 Н/мм²)
Предел текучести ≥ 130 кгс/мм² (1275 н/мм²)
Относительное удлинение δ₅ ≥ 10%
Ударная вязкость ≥ (68,8 Дж/см²)
Соединительные звенья для цепей и сварные высокопрочные круглозвенные горные цепи, изготовленные из этой стали, не обеспечивают необходимую статическую прочность в сечении до 50 мм.

Близкие по составу легированные стали имеются за рубежом. Известна сталь состава, мас.%:
Углерод - 0,28 - 0,33
Кремний - 0,20 - 0,35
Хром - 0,8 - 1,1
Марганец - 0,4 - 0,6
Молибден - 0,15 - 0,25
Сера - 0,04
Фосфор - 0,04
Железо - Остальное [2]
Эта сталь не обеспечивает необходимые прочностные и пластические характеристики из-за отсутствия никеля, ванадия.

Наиболее близкой к заявляемой является сталь для изготовления цепей по патенту США 5562881, C 22 C 38/44, опубликованному 08.10.96. Указанная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,19 - 0,26
Кремний - До 0,25
Марганец - 0,95 - 1,4
Хром - 0,7 - 0,9
Молибден - 0,7 - 0,9
Никель - 1,0 - 1,2
Алюминий - 0,02 - 0,05
Вольфрам - 0,2 - 0,5
Железо и примеси - Остальное
Сталь может содержать до 0,015 фосфора и до 0,015 серы.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение стали с повышенными прочностными характеристиками при сохранении пластичности и вязкости в сечении до 50 мм.

Технический результат достигается тем, что известная сталь, включающая углерод, марганец, кремний, хром, молибден, никель, дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,22 - 0,28
Марганец - 0,9 - 1,2
Кремний - 0,15 - 0,35
Хром - 0,5 - 0,7
Молибден - 0,7 - 0,9
Никель - 1,0 - 1,6
Ванадий - 0,06 - 0,12
Азот - 0,002 - 0,012
Железо - Остальное
Предлагаемая сталь в прутках диаметром 50 мм после закалки с температуры 900^oC в воду и отпуска при 200^oC имеет следующие механические свойства:
Предел прочности ≥ 155 кгс/мм² (152 Н/мм²)
Предел текучести ≥ 140 кгс/мм² (137 Н/мм²)
Относительное удлинение δ₅ ≥ 12 %
Ударная вязкость ≥ 8 кгс·м/см² (78 Дж/см²)
При анализе патентной и научно-технической литературы не было обнаружено класса сталей, имеющих признаки, сходные с отличительными признаками предложенной стали, а именно совместное введение ванадия и азота при указанном соотношении компонентов.

Углерод в стали необходим для получения заданной прочности. При содержании углерода ниже 0,22 не обеспечивается необходимая прочность, а при содержании его выше 0,28% снижаются пластические характеристики и вязкость стали и ухудшается свариваемость стали.

Марганец в стали повышает прочность. Содержание марганца ниже 0,9% не обеспечивает необходимой прочности в сечении до 50 мм, содержание его выше 1,2% приводит к снижению вязких и пластических характеристик стали.

Хром повышает устойчивость аустенита, а также увеличивает прочность и прокаливаемость стали. Введение хрома менее 0,5% не обеспечивает достаточной прочности, а содержание его более 0,7% приводит к снижению пластических и вязких характеристик стали.

Содержание молибдена в стали до 0,9% повышает устойчивость аустенита, способствует увеличению прочности и вязкости стали за счет образования более дисперсной структуры, а также предохраняет сталь от разного рода хрупкости.

Содержание молибдена выше 0,9% нецелесообразно, так как не увеличивает прочность стали и делает ее неэкономнолегированной. При содержании молибдена ниже 0,7% дисперсность структуры недостаточна, что не позволяет получить необходимые характеристики прочности и пластичности стали.

Введение никеля в сталь необходимо для повышения устойчивости аустенита, что позволяет повысить прочностные характеристики стали без снижения ударной вязкости. Содержание никеля более 1,6% не повышает механические свойства и делает ее неэкономнолегированной. Содержание никеля ниже 1,0% не позволяет получить необходимые прочностные характеристики в сечении до 50 мм.

Ванадий повышает прочностные характеристики стали. Ванадий связывает азот, карбонитридную фазу, увеличивает центры кристаллизации и приводит к измельчению зерна. Введение ванадия более 0,12% приводит к снижению ударной вязкости стали, а содержание ванадия ниже 0,06% не позволяет получить необходимую прочность.

Азот необходим в стали для образования карбонитридной фазы, которая является дополнительными центрами кристаллизации, что приводит к измельчению зерна и повышению прочности без снижения пластических характеристик. Содержание азота ниже 0,002% недостаточно для получения необходимого количества дисперсных карбонитридных включений, а содержание азота выше верхнего предела (0,012%) охрупчивает сталь.

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключающие других в объеме формулы изобретения.

В условиях экспериментального завода ЦНИИЧМ выплавлены стали, химический состав и механические свойства (диаметр 50 мм) которых после нагрева до 900^oC с последующим охлаждением в воде и отпуска при 200^oC, приведены в табл. 1 и 2.

Выплавка опытных сталей производилась в 50 кг основной высокочастотной печи, разливка на слитки по 25 кг. Ковка на прутки диаметром 50 мм в интервале температур 1170 -900^oC.

После предварительного отпуска по режиму: температура нагрева 780^oC, выдержка 5 ч., охлаждение с печью до комнатной температуры, прутки разрезались на заготовки для последующей термообработки и изготовления образцов.

Как видно из полученных данных, предлагаемая сталь обладает более высокими прочностными характеристиками без снижения пластических и вязких свойств стали.

При применении этой стали за счет повышенных прочностных характеристик при сохранении высоких пластических и вязких свойств увеличивается долговечность и надежность работы соединительных звеньев для горных цепей диаметром до 50 мм при эксплуатации.

Источники информации
1. ТУ. 14-1-1689-76 "Сталь конструкционная легированная высококачественная марки 25ХГНМА".

2. Стандарт США "Легированные стали для термического улучшения SAE 4130".

Формула изобретения

Сталь конструкционная легированная, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, хром, молибден, никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,22 - 0,28
Марганец - 0,9 - 1,2
Кремний - 0,15 - 0,35
Хром - 0,5 - 0,7
Молибден - 0,7 - 0,9
Никель - 0,1 - 1,6
Ванадий - 0,06 - 0,12
Азот - 0,002 - 0,012
Железо - Остальноел

РИСУНКИ

Рисунок 1