Сталь конструкционная

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкций различного назначения. Заявлена сталь конструкционная, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0.16-0.20; марганец 0.60-1.00; кремний 0.15-0.35; никель 0.70-1.00; хром 0.40-0.65; молибден 0.40-0.65; ванадий 0.03-0.08; медь 0.15-0.25; бор 0.0005-0.0050; титан 0.01-0.03; азот 0.005-0.015; железо и примеси - остальное, при выполнении следующих соотношений: ; и Mn+Cr+Mo1.7. В качестве примесей сталь содержит, мас. %: серу до 0.025; фосфор до 0.025 и алюминий до 0.06. Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости заявленной стали, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств листов в толщинах до 65 мм и сортового проката диаметром до 75 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 0.18-0.27%, кремний 0.2-0.42%, марганец 0.6-1.0%, хром 0.8-1.3%, никель 0.45-0.79%, бор 0.0005-0.003%, титан 0.02-0.05%, ванадий 0.01-0.06%, молибден 0.18-0.28%, цирконий 0.01-0.06%, кальций 0.001-0.008%, алюминий 0.01-0.05%, сера 0.010-0.060%, остальное железо, причем ∑(Ti+V+Zr)=0.5-0.12% [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 0.18-0.23%, кремний 0.30-0.60%, марганец 0.90-1.20%, хром 1.4-1.7%, никель 0.9-1.2%, бор 0.002-0.004%, титан 0.03-0.09%, ванадий 0.10-0.18%, остальное железо [2].

Недостатки известной стали заключаются в том, что при относительно высоком содержании хрома, титана и кремния не удается обеспечить заданного уровня пластичности стали, не учтен также фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенных листов в толщинах до 65 мм и сортового проката диаметром до 75 мм.

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

Углерод 0.16-0.20

Марганец 0.60-1.00

Кремний 0.15-0.35

Никель 0.70-1.00

Хром 0.40-0.65

Молибден 0.40-0.65

Ванадий 0.03-0.08

Медь 0.15-0.25

Бор 0.0005-0.0050

Титан 0.01-0.03

Азот 0.005-0.015

Причем

Примеси: сера до 0.025%, фосфор до 0.025%, алюминий до 0.06%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 65 мм и сортовой прокат диаметром до 75 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 и карбонитридообразующие элементы вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ванадий управляет процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита (до 950°С), стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.20%), ванадия (0.08%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.16%, 0.03% - 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 1.0% Мn, 0.65% Сr, 0.65% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0.60% Мn, 0.40% Сr, 0.40% Мо), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0.70%, обуславливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 1.0% необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.35% 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.

Титан используется в качестве раскислителя и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания титана - 0.01% определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень - 0.03% - 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.

Медь усиливает влияние бора в стали. При этом нижний уровень ее содержания - 0.15%, определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень - 0.25% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень прокаливаемости стали.

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

[Ti]+[N]=TiN

требуется выполнение следующего соотношения элементов:

в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали. Данное соотношение определяет условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение Mn+Cr+Mo≥1.7, с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень прочности стали, с другой стороны, определяет уровень базового легирования, обеспечивающего минимальный уровень прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - молибдена и титана, а также соотношениями: и Mn+Cr+Mo≥l.7

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 табл.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_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^0.005_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 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 табл.2.

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

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 768849, С 22 С 38/54, 06.03.1978.

2. Авторское свидетельство СССР № 1152974, С 22 С 38/32, 23.12.1982 (прототип).

Формула изобретения

1. Сталь конструкционная, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, бор, титан, ванадий, остальное железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит молибден, медь и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,16-0,20

Марганец 0,60-1,00

Кремний 0,15-0,35

Никель 0,70-1,00

Хром 0,40-0,65

Молибден 0,40-0,65

Ванадий 0,03-0,08

Медь 0,15-0,25

Бор 0,0005-0,0050

Титан 0,01-0,03

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 серу, фосфор и алюминий в следующем соотношении, мас.%:

Сера До 0,025

Фосфор До 0,025

Алюминий До 0,06

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2