Сталь
Изобретение относится к металлургии, в частности к низколегированным толстолистовым свариваемым конструкционным сталям, предназначенным для изготовления платформ большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера. Заявленная сталь имеет следующий состав, в мас.%: углерод 0,12-0,20; марганец 1,0-1,8; кремний 0,4-0,7; хром 0,4-0,8; алюминий 0,02-0,05; ванадий 0,04-0,08; азот не более 0,015; медь 0,1-0,4; никель не более 2,5; кальций 0,002-0,050; ниобий не более 0,06; титан не более 0,03; бор 0,001-0,005; фосфор не более 0,020; сера не более 0,015; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости стали и снижение коробления толстолистового проката в термообработанном состоянии. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к низколегированным толстолистовым свариваемым конструкционным сталям, предназначенным для изготовления платформ большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера.
Для изготовления платформ большегрузных самосвалов, эксплуатирующихся при температурах до -50°С, используют горячекатаные листы толщиной 9-50 мм в термообработанном состоянии из свариваемой хладостойкой низколегированной стали. Горячекатаные стальные листы такого назначения должны сочетать высокие прочностные и вязкостные свойства при отрицательных температурах. Требуемые механические свойства горячекатаных листов в состоянии поставки приведены в табл. 1.
Известна низколегированная сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%:
Углерод 0,11-0,16
Марганец 1,0-1,4
Кремний 0,15-0,35
Титан 0,08-0,14
Медь 0,02-0,30
Алюминий 0,02-0,06
Хром 0,02-0,15
Никель 0,02-0,15
Молибден 0,005-0,015
Ванадий 0,005-0,015
Железо Остальное [1].
Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы после термической обработки имеют низкие прочностные и вязкостные свойства при -40°С.
Известна также низколегированная сталь, содержащая, мас.%:
Углерод 0,05-0,2
Марганец 0,15-1,6
Фосфор 0,015
Кремний Не более 0,5
Сера 0,002-0,008
Медь 0,2-0,5
Алюминий Менее 0,1
Ниобий и/или Менее 0,05
Ванадий 0,1
Молибден 0,5
Хром Менее 0,5
Никель Менее 0,3
Кальций 0,0001-0,005
Железо Остальное [2].
Недостатками стали указанного состава является низкие прочность и ударная вязкость толстых горячекатаных листов даже после термического улучшения.
Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предлагаемой стали является низколегированная свариваемая сталь следующего состава, мас.%:
Углерод 0,12-0,18
Марганец 1,0-1,8
Кремний 0,4-0,7
Хром 0,4-0,8
Алюминий 0,01-0,05
Ванадий 0,04-0,08
Азот 0,009-0,015
Медь 0,1-0,4
Никель 0,01-0,34
Кальций 0,001-0,05
Железо Остальное [3].
Недостатки известной стали состоят в следующем. Для повышения комплекса механических свойств толстые горячекатаные листы из этой стали необходимо подвергать термическому улучшению (закалка + отпуск). Но даже после термического улучшения вязкостные свойства толстых листов при температуре -40°С (KCU-40 и KCV-40 ) остаются ниже допустимого уровня. Кроме того, термические напряжения, возникающие в процессе закалки толстых листов, приводят к нарушению их плоскостности (короблению).
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вязкостных свойств и плоскостности толстолистового проката в термообработанном состоянии.
Поставленная техническая задача решается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, азот, медь, никель, кальций и железо, дополнительно содержит ниобий, титан, бор, фосфор и серу при следующем соотношении содержании элементов, мас.%:
Углерод 0,12-0,20
Марганец 1,0-1,8
Кремний 0,4-0,7
Хром 0,4-0,8
Алюминий 0,02-0,05
Ванадий 0,04-0,08
Азот Не более 0,015
Медь 0,1-0,4
Никель Не более 2,5
Кальций 0,002-0,050
Ниобий Не более 0,06
Титан Не более 0,03
Бор 0,001-0,005
Фосфор Не более 0,020
Сера Не более 0,015
Железо Остальное
Сущность изобретения состоит в том, что предложенный химический состав стали с бором, ниобием и титаном в термообработанном состоянии приобретает ячеистую структуру, увеличивающую долю вязкой составляющей в изломе образца. За счет этого достигается повышение вязкостных свойств толстых листов при отрицательных температурах даже при использовании нормализации вместо термического улучшения. Благодаря тому что закалка не применяется, толстолистовой прокат в термообработанном состоянии имеет высокую плоскостность. Сера и фосфор, как неизбежные примеси, в указанных концентрациях не влияют на свойства стали.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,12% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,20% ухудшается свариваемость стали.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 1,0% прочность и износостойкость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,8% приводит к снижению вязкости при температуре -40°С.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,4% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,7% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.
Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 0,4% прочность ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 0,8% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов хрома.
Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот в нитриды, уменьшая его вредное влияние на вязкостные свойства. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,05% приводит к графитизации углерода и снижению прочностных характеристик.
Ванадий в сочетании с алюминием являются сильными раскисляющими и карбидообразующими элементами. При содержании ванадия менее 0,04% снижается прочность и пластичность стали в термообработанном состоянии. Увеличение содержания ванадия более 0,08% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих.
Азот в стали является примесным элементом. Он не приводит к существенному ухудшению свойств при концентрации в стали не более 0,015%. Более глубокая деазотация существенно удорожает производство стали.
Медь введена для повышения устойчивости аустенита, что особенно важно при нормализации толстых листов. Увеличение содержания меди более 0,4% приводит к графитизации низколегированной стали, которая снижает комплекс механических свойств. Уменьшение содержания меди менее 0,1% ухудшает вязкостные и прочностные свойства низколегированной стали после нормализации.
Никель способствует повышению прочности стали, и при его содержании не более 2,5% комплекс механических свойств толстых листов не ухудшается, но расширяются возможности использования никельсодержащего металлического лома при выплавке.
Кальций оказывает модифицирующее действие, что позволяет повысить свойства толстых листов в Z-направлении, повысить ударную вязкость при -40°С. При содержании кальция менее 0,002% его положительное воздействие проявляется слабо, толстые листы имеют низкие механические свойства. Увеличение содержания кальция более 0,050% приводит к росту неметаллических включений, снижению пластичности и ударной вязкости низколегированной стали.
Ниобий и титан способствуют стабилизации микроструктуры низколегированной стали по толщине листа. Однако если содержание ниобия будет более 0,06% или титана более 0,03%, то улучшения свойств толстолистовой стали не произойдет, а лишь увеличатся затраты на легирующие материалы.
Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прочность и вязкость стали, измельчает микроструктуру. При содержании бора менее 0,001% его влияние незначительно. Увеличение содержания бора более 0,005% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.
Фосфор и сера в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации фосфора не более 0,020% и серы не более 0,015% их отрицательное влияние незначительно. В то же время более глубокая дефосфорация и десульфурация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Низколегированные стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, феррованадием, ферробором, ферротитаном, вводили металлические алюминий, никель, медь, ниобий, а также силикокальций. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора, избыток азота устраняли вакуумированием стали в процессе ее внепечной обработки. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.
Сталь разливали в слябы, которые подвергали гомогенизирующему отжигу при температуре 700°С. Затем слябы нагревали до температуры 1250°С и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы толщиной 25 мм. Прокатанные листы подвергали нормализации путем нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе. После охлаждения от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств. В таблице 3 приведены результаты испытаний свойств горячекатаных листов.
Из табл.2 и 3 следует, что предложенная сталь (составы 2-4) имеет более высокие показатели ударной вязкости при температуре -40°С. Благодаря тому что при термообработке (нормализации) исключена закалка, неплоскостность толстых листов не превышает 6 мм/м.
При запредельных концентрациях элементов (составы 1, 5) вязкостные свойства стали при отрицательных температурах ухудшаются, неплоскостность толстых листов возрастает. Также более низкие вязкостные свойства имеет сталь-прототип (вариант 6). Кроме того, толстые листы из этой стали характеризуются неплоскостностью 30-55 мм/м после закалки. Применение нормализации для листов из стали-прототипа с целью снижения неплоскостности толстых листов не позволило получить заданные прочностные и вязкостные характеристики.
Технико-экономические преимущества предложенной стали состоят в том, что введение в ее состав 0,001-0,005% бора и не более 0,03% титана при ограничении примесных содержаний серы и фосфора оптимальной концентрации остальных элементов позволило повысить ударную вязкость при отрицательных температурах, заменить термическое улучшение на нормализацию. Исключение закалки позволило повысить плоскостность толстолистовой стали.
В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит повысить рентабельность производства толстых листов для платформ БелАЗов северного исполнения на 10-15%.
Источники информации
1. Авт. свид. СССР №1652373, МПК С 22 С 38/50, 1991 г.
2. Заявка Японии №5247521, МПК С 22 С 38/42, 1977 г.
3. Патент Российской Федерации №2200768, МПК С 22 С 38/46, 38/58, 1997 г. - прототип.
Формула изобретения
Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, алюминий, ванадий, азот, медь, никель, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, титан, бор, фосфор и серу при следующем соотношении содержания элементов, мас.%:
Углерод 0,12-0,20
Марганец 1,0-1,8
Кремний 0,40-0,70
Хром 0,4-0,8
Алюминий 0,02-0,05
Ванадий 0,04-0,08
Азот Не более 0,015
Медь 0,1-0,4
Никель Не более 2,5
Кальций 0,002-0,050
Ниобий Не более 0,06
Титан Не более 0,03
Бор 0,001-0,005
Фосфор Не более 0,020
Сера Не более 0,015
Железо Остальное
