Сталь повышенной прокаливаемости для холодной объемной штамповки

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке стали повышенной прокаливаемости, предназначенной для изготовления сложнопрофильных деталей методом холодной объемной штамповки. Заявленная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0.28-0.35; марганец 0.90-1.40; кремний 0.01-0.17; сера 0.005-0.020; хром 0.01-0.25; ванадий 0.01-0.07; никель 0.01-0.20; ниобий 0.005-0.02; титан 0.01-0.04; бор 0.0005-0.0050; алюминий 0.02-0.06; азот 0.005-0.015; железо и неизбежные примеси – остальное. Причем: ; . Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств сортового проката диаметром до 35 мм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

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

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0.16-0.25, кремний 0.13-0.32, марганец 0.95-1.35, бор 0.001-0.005, титан 0.02-0.08, хром 0.10-0.27, медь 0.15-0.25, ванадий 0.02-0.035, молибден 0.06-0.17, азот 0.004-0.006, никель 0.08-0.025, фосфор 0.025-0.040, вольфрам 0.16-0.25, остальное железо [1]. Недостатками данной стали являются ее низкая технологичность и неудовлетворительный уровень параметров конструктивной прочности при термоулучшении.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%: углерод 0.18-0.27, кремний 0.20-0.42, марганец 0.60-1.0, 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 0.005-0.025, сера 0.010-0.060, остальное железо, причем ∑(Ti+V+Zr)=0.05-0.12% [2].

Недостатками известной стали являются широкие границы варьирования углерода, марганца, хрома, что не позволяет получить стабильный уровень механических свойств. Присутствие циркония в стали, хотя и благоприятно сказывается на характеристиках прокаливаемости, однако делает ее производство в ряде случаев нетехнологичным в связи с плохой усвояемостью данного элемента при выплавке стали. Показано также, что в данной стали без потери уровня потребительских свойств возможно исключить такие дорогостоящие элементы как цирконий и кальций. В анализируемой композиции 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 сортового проката диаметром до 35 мм.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, серу, марганец, хром, ванадий, титан, никель, бор, алюминий, железо и неизбежные примеси, отличается тем, что дополнительно содержит ниобий и азот и не содержит молибден, кальций и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0.28-0.35

Марганец 0.90-1.40

Кремний 0.01-0.17

Сера 0.005-0.020

Хром 0.01-0.25

Ванадий 0.01-0.07

Никель 0.01-0.20

Ниобий 0.005-0.02

Титан 0.01-0.04

Бор 0.0005-0.0050

Алюминий 0.02-0.06

Азот 0.005-0.015

Железо и

Неизбежные

Примеси Остальное

Причем

Примеси: фосфор до 0.025%, медь до 0.20%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 40 мм, сортовой прокат диаметром до 50 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°C) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод и карбонитридообразующие элементы (ванадий и ниобий) 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 ниобий управляет процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения), в то время как влияние ванадия проявляется при температурах ниже A₁, так как именно в этой области находится интервал интенсивного выделения карбонитрида ванадия. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.35%), ванадия (0.07%) и ниобия (0.02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - (соответственно 0.28% углерода, 0.01% ванадия и 0.005% ниобия) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром 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, 0.25% Сr) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (соответственно 0.90% Мn, 0.01% Сr) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. Верхний предел - 0.20% обусловлен необходимостью получения заданного уровня вязкости стали, а нижний предел - 0.01% - вопросами технологичности производства.

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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел - 0.020% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0.005% - вопросами технологичности производства.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора - 0.005% определяется соображениями пластичности стали, а нижний - 0.005% - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан 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% Аl и 0.01% Ti соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.06% Аl и 0.04% Ti) - 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.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TlN и A1N 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

определяет 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 никеля и циркония и введением новых компонентов - ниобия и азота, 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 исследуемых сталей 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^0.05_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 струёй воды в специальной установке. В связи с необходимостью предотвращения окисления и обезуглероживания торца образца, непосредственно соприкасающегося со струёй 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 струёй 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. 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 № 1406208, С 22 С 38/54, 30.10.1986.

2. Авторское свидетельство СССР № 768849, С 22 С 38/54, 06.03.1978 (прототип).

Формула изобретения

1. Высокопрочная сталь, содержащая углерод, кремний, серу, марганец, хром, ванадий, титан, никель, молибден, бор, железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ниобий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,28-0,35

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,17

Сера 0,005-0,020

Хром 0,01-0,25

Ванадий 0,01-0,07

Никель 0,01-0,20

Ниобий 0,005-0,02

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Железо и неизбежные примеси Остальное

причем

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей она содержит, мас.%:

Фосфор До 0,025

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: 06.08.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---