Высокопластичная конструкционная сталь повышенной прокаливаемости для холодной объемной штамповки

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке конструкционной штампуемой высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сложнопрофильных термоулучшаемых деталей методом холодной объемной штамповки. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,15; марганец 0,90-1,40; кремний 0,01-0,17; молибден 0,01-0,10; бор 0,0005-0,0050; титан 0,01-0,04; сера 0,005-0,020; алюминий 0,02-0,06; кальций 0,001-0,010; азот 0,005-0,015. Причем ; ; . Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, что позволит гарантировать сквозную прокаливаемость сортовой заготовки диаметром до 25 мм, при обеспечении высокой прочности и пластичности. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной штампуемой высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сложнопрофильных термоулучшаемых высокопрочных деталей методом холодной объемной штамповки.

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,15-0,30%, кремний 0,5-0,8%, марганец 0,7-1,5%, фосфор 0,02-0,10, медь 0,1-0,4, бор 0,001-0,005%, титан 0,01-0,05%, алюминий 0,01-0,05%, остальное железо [1]. Недостатком данной стали являются широкие границы содержания легирующих элементов, что может привести к нестабильности механических свойств, ее низкая технологичность и недостаточный уровень прокаливаемости.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,10-0,20%, кремний 0,15-0,30%, марганец 0,90-1,40%, молибден 0,01-0,30%, бор 0,005-0,005%, титан 0,01-0,04, азот 0,005-0,015%, остальное железо при следующих соотношениях компонентов Мn+5×Мо≥2,15 [2]. Недостатки известной стали состоят в том, что при относительно высоким уровне вариации содержания углерода не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости (гарантия сквозной прокаливаемости термоулучшенной металлопродукции диаметром до 25 мм).

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, молибден, бор, титан, азот, остальное железо, дополнительно содержит алюминий, кальций и серу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,08-0,15

марганец 0,90-1,40

кремний 0,01-0,17

молибден 0,01-0,10

бор 0,0005-0,0050

титан 0,01-0,04

сера 0,005-0,020

алюминий 0,02-0,06

кальций 0,001-0,010

азот 0,005-0,015

Причем

Примеси: сера до 0,025%, фосфор до 0,025%, хром до 0,20%, никель до 0,20%, медь до 0,20%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (сортовая заготовка диаметром до ⊘25 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 500°С) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,15%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 0,08% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и молибден используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 1,40% Мn, 0,10% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,90% Мn, 0,01% Мо - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,01% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,17% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливасмости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0,02 и 0,01 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,04) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0,005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0,015%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел, как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN в результате протекания реакций

[Ti]+[N]=TiN

[Al]+[N]=AlN

требуется выполнение следующего соотношения элементов:

В противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение с одной стороны определяет условия, обеспечивающие заданный уровень прочности стали, с другой стороны, определяет уровень базового легирования, обеспечивающего минимальный уровень прокаливаемости стали.

Соотношение с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень вязкости стали, так как кальций модифицирует неметаллические включения, с другой стороны, определяет уровень содержания кальция, необходимый для частичного связывания кислорода, что позволяет высвободить дополнительное количество алюминия и обеспечивает дополнительную защиту бора от связывания в нитриды.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и серы, а также соотношениями

и

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик прокаливаемости стали.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

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

В экспериментальных условиях в 60-кг открытой индукционной печи выплавлено 10 плавок опытных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1. Сталь разливали на 3 слитка весом по 17 кг, которые далее ковали на сутунку сечением 70×70 мм. Затем сутунки прокатывали на лист толщиной 14 мм. Из листа изготавливали заготовки образцов размером 14×14×300 мм, которые в дальнейшем прошли термическую обработку и лабораторных печах типа СНЗ по следующим режимам: закалка от 950°С с выдержкой 50 минут и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 630°С с выдержкой 30 минут. Толщина заготовок и режимы охлаждения при закалке обеспечивали сквозную прокаливаемость заготовок.

Механические характеристики определяли на тангенциальных образцах. Испытания на растяжение при комнатной температуре проводили на образцах тип I, ГОСТ 1497-84. на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца 5 мм/мин. Определяли характеристики прочности σ_b и σ_0,2 и вязкости - δ и ϕ.

Средние значения характеристик подсчитывали по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивали с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:

где M₁ и М₂ - средние значения сравниваемых величин;

S²₁ и S²₂ - дисперсии среднего;

t^0,05_KR(α) - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0,95 и числе степеней свободы - α.

Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр Д₅₀) проводили методом торцевой закалки цилиндрических образцов диаметром 25,0 мм и длиной 100 мм с заплечиками, согласно ГОСТ 5657. Перед изготовлением образца заготовки прошли термическую обработку в камерных печах по следующему режиму: нормализация, 950°С, 1 час, воздух. Испытывали по два образца на плавку. Закалка образцов проводилась струей воды в специальной установке. В связи с необходимостью предотвращения окисления и обезуглероживания торца образца, непосредственно соприкасающегося со струей воды при закалке, нагрев образцов в камерных печах (без защитной атмосферы) проводили в специальных стаканах. Торец образца ставился на специальную графитовую пластину. Образец нагревался в камерной печи до температуры 950°С. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляла 30-50 минут. Отклонение от заданной температуры закалки не превышало ±5°С. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляла 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышало 5 сек. Образец находился под струей воды до полного охлаждения (порядка 15-20 мин). Температура охлаждающей воды составляла 20±5°С.

Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывались две диаметрально противоположные площадки на глубину 0,5±0,1 мм. Площадки сошлифовывались при обильном охлаждении водой. Шероховатость поверхности площадок была не грубее 7-го класса чистоты по ГОСТ 2789. Не допускались прижоги, вызывающие структурные изменения металла. Для построения кривой прокаливаемости стали замер твердости начинали на расстоянии 1,5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца производили с интервалом 1,5 мм, а затем через 3 мм. В случае необходимости повторного измерения твердости на площадке, на которой были сделаны замеры, площадку перешлифовывали. Глубина съема металла при повторной шлифовке составляла 0,1-0,2 мм. Твердость определяли по Роквеллу (HRC) в соответствии с требованиями ГОСТ 9013. Для каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца образца на двух противоположных площадках, подсчитывали среднее арифметическое значение твердости.

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики прокаливаемости.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 901331, С 22 С 38/16, 21.04.1980.

2. Патент РФ № 2127770, С 22 С 38/14, 20.03.1999 (прототип).

Формула изобретения

Конструкционная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, молибден, бор, титан, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, кальций и серу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,15

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,17

Молибден 0,01-0,10

Бор 0,0005-0,0050

Титан 0,01-0,04

Сера 0,005-0,020

Алюминий 0,02-0,06

Кальций 0,001-0,010

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

причем