Сталь повышенной прокаливаемости

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали для изготовления сварных конструкций различного назначения. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении в мас.%: углерод 0.15-0.21; марганец 0.80-1.10; кремний 0.40-0.80; сера 0.003-0.020; хром 0.50-0.80; молибден; 0.18-0.28; бор 0.0005-0.0050; алюминий 0.02-0.06; цирконий 0.05-0.10; азот 0.005-0.015; железо и примеси – остальное, при выполнении следующих соотношений: и . Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств листов в толщинах до 32 мм и сортового проката диаметром 40 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций различного назначения.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,18-0,26%, кремний 0,4-0,7%, марганец 1,4-1,8%, бор 0,001-0,008%, титан 0,01-0,08%, хром 1,3-1,8%, алюминий 0,005-0,05%, остальное железо [1]. Недостатком данной стали является ее низкая технологичность и недостаточный уровень прокаливаемости.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,04-0,12%, кремний 0,20-0,90%, марганец 0,70-2.3%, хром 0,3-1,5%, бор 0,0009-0,010%, титан или цирконий 0,03-0,12%, алюминий 0,03-0,08%, сера 0,003-0,015%, азот 0,002-0,015%, РЗМ-0,01-0,020, остальное железо, причем {(Ti или Zr)/N=4÷15; (PЗM/S)=2,5÷8,0} [2].

Недостатками известной стали являются широкие границы варьирования углерода, марганца, хрома, что не позволяет получить стабильный уровень механических свойств. В анализируемой композиции относительно низко содержание углерода, что не позволяет достичь заданного уровня прочности, не учтен также фактор защиты бора от связывания в нитриды, что при промышленно получаемом уровне азота в стали не позволит получить повышенные характеристики ее прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенной металлопродукции в толщинах до 32 мм и сортового проката диаметром 40 мм.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, цирконий, бор, алюминий, серу, азот, остальное железо дополнительно содержит молибден (при отсутствии РЗМ) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,15-0,21

Марганец 0,80-1,10

Кремний 0,40-0,80

Сера 0,003-0,020

Хром 0,50-0,80

Молибден 0,18-0,28

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Цирконий 0,05-0,10

Азот 0,005-0,015

Причем:

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

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 32 мм и сортовой прокат диаметром до 40 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°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 (0,21%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 0,15% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, хром 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 1,10%Мn, 0,80%Сr, 0,28%Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0,80%Мn, 0,50%Сr, 0,18%Мо), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,40% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,80% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

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

Алюминий и цирконий используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0,02 и 0,05 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,10) требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

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

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.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа ZrN и A1N в результате протекания реакций:

[Zr]+[N]=ZrN

[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.

Соотношения определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного отсутствием РЗМ и введением нового компонента - молибдена, а также соотношениями:

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 дан пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

В экспериментальных условиях выплавлено 10 плавок опытных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1. Заготовки образцов размером 14×14×300 мм прошли термическую обработку в 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_в и σ_0,2 и пластичности - 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^0,005 _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. Отклонения 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 секунд. 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 площади 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. Если на определенном расстоянии от торца образца твердость не меняется, то измерения производили через один интервал, а затем прекращали испытания. С целью обеспечения точной фиксации мест измерения твердости было специально сконструировано и изготовлено приспособление. 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 №730863, С 22 С 38/32, 21,09.1977 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1150279, С 22 С 38/32, 28.07.1982 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Сталь повышенной прокаливаемости, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, цирконий, азот, бор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,15-0,21

Марганец 0,80-1,10

Кремний 0,40-0,80

Сера 0,003-0,020

Хром 0,50-0,80

Молибден 0,18-0,28

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Цирконий 0,05-0,10

Азот 0,005-0,015

Железо и примеси Остальное

при выполнении следующих соотношений:

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она содержит фосфор, никель и медь в следующем соотношении, мас.%:

Фосфор До 0,025

Никель До 0,20

Медь До 0,20

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 04.07.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---