Низколегированная сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности, к конструкционным свариваемым сталям, используемым при производстве лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей, работающих в условиях Крайнего Севера. Низколегированная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,15; кремний 0,1-0,6; марганец 1,0-1,8; хром 0,3-0,9; медь 0,1-0,5; ванадий 0,02-0,1; алюминий 0,01-0,06; никель 0,7-1,5; азот 0,002-0,015; кальций 0,002-0,030; ниобий 0,01-0,05; титан 0,004-0,035; сера не более 0,010; фосфор не более 0,020; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости до 44 Дж/см² при температуре -70°С при сохранении свариваемости. 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным свариваемым сталям, используемым при производстве лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей для работы в условиях Крайнего Севера.

Для изготовления лонжеронов и других несущих узлов большегрузных самосвалов, работающих при температурах до -70°С, используют горячекатаные листы толщиной 8-50 мм из свариваемой хладостойкой низколегированной стали. Горячекатаные стальные листы должны сочетать высокую прочность и вязкость при отрицательных температурах. Требуемые механические свойства горячекатаных листов в состоянии поставки приведены в табл.1

Таблица 1
Механические свойства листов из низколегированной стали
σт, Н/мм2	σв, Н/мм2	δ, %	KCV-70, Дж/см2	Хол. загиб на 180°d=3a
не менее 690	не менее 790	не менее 16	не менее 40	удовл.
Примечание: d - диаметр оправки; а - толщина листа

Известен состав низколегированной стали, имеющей 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 имеют недостаточную прочность и ударную вязкость при температуре -70°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 низкая прочность и ударная вязкость толстых горячекатаных листов при температуре -70°С.

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] - прототип

Недостатки стали известного состава состоят в том, что она имеет низкие прочностные свойства, недостаточную ударную вязкость при температуре -70°С.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении ударной вязкости при температуре -70°С при сохранении свариваемости.

Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, ванадий, алюминий, никель, азот, кальций и железо, дополнительно содержит ниобий, титан, серу и фосфор при следующем соотношении содержания элементов, мас.%:

Углерод 0,08-0,15

Кремний 0,1-0,6

Марганец 1,0-1,8

Хром 0,3-0,9

Медь 0,1-0,5

Ванадий 0,02-0,10

Алюминий 0,01-0,06

Никель 0,7-1,5

Азот 0,002-0,015

Кальций 0,002-0,030

Ниобий 0,01-0,05

Титан 0,004-0,035

Сера не более 0,010

Фосфор не более 0,020

Железо Остальное

Сущность изобретения состоит в том, что сталь предложенного химического состава, дополнительно легированная 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 температурах до -70°С при сохранении свариваемости.

Сера и фосфор, как неизбежные примеси, при указанных концентрациях не оказывают отрицательного влияния на свойства стали. Это упрощает и удешевляет ее производство.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,08% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,15% ухудшается свариваемость стали.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,1% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,6% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.

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 -70°С.

Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 0,3% прочность ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 0,9% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов.

Медь введена для повышения устойчивости аустенита, что особенно важно при термообработке толстых листов. Увеличение содержания меди более 0,5% приводит к графитизации низколегированной стали, которая снижает комплекс механических свойств. Уменьшение содержания меди менее 0,1% ухудшает вязкостные и прочностные свойства низколегированной стали после термообработки.

Ванадий в сочетании с алюминием являются сильными раскисляющими и карбидообразующими элементами. При содержании ванадия менее 0,02% снижается прочность стали в термообработанном состоянии. Увеличение содержания ванадия более 0,10% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот в нитриды, уменьшая его вредное влияние на вязкостные свойства. При содержании алюминия менее 0,01% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,06% загрязняет сталь неметаллическими включениями и приводит к снижению прочностных характеристик.

Никель способствует повышению прочности стали и вязкости, но при его содержании более 1,5% ухудшается свариваемость. Снижение содержания никеля менее 0,7% приводит к потере пластичности, листы не выдерживают испытания на холодный загиб.

Азот в стали является элементом, упрочняющим сталь при выпадении мелкодисперсных карбонитридных частиц. Однако при концентрации азота более 0,015% вязкостные и пластические свойства стали ниже допустимого уровня. Снижение содержания азота менее 0,002% приводит к разупрочнению стали и требует увеличения легированности, ухудшающей свариваемость.

Кальций оказывает модифицирующее действие, что позволяет улучшить свойства толстых листов в Z-направлении, повысить ударную вязкость при температуре -70°С. При содержании кальция менее 0,002% его положительное воздействие проявляется слабо, толстые листы имеют низкие механические свойства. Увеличение содержания кальция более 0,030% приводит к росту количества и размеров неметаллических включений, снижению пластичности и ударной вязкости низколегированной стали.

Ниобий способствуют измельчению микроструктуры низколегированной стали по толщине листа, повышению хладостойкости. Однако, если содержание ниобия будет более 0,05%, произойдет ухудшение свариваемости стали, что недопустимо. При снижении содержания ниобия менее 0,01% не достигается высокая ударная вязкость при температуре -70°С.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь, повышающим ударную вязкость при температуре -70°С. Снижение содержания титана менее 0,004% ухудшает прочность и вязкость стали. Однако при сварке титан полностью выгорает. Количество титана в стали не должно превышать 0,035% из-за ухудшения ударной вязкости.

Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,020% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Низколегированные стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферросилицием, ферромарганцем, легировали феррохромом, феррованадием, ферротитаном, вводили металлические алюминий, ниобий и никель, силикокальций. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора, избыток азота устраняли вакуумированием стали. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.

Сталь разливали в слябы и подвергали гомогенизирующему отжигу при температуре 680°С. Затем слябы нагревали до температуры 1230°С и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы толщиной 10 мм. Листы подвергали термическому улучшению (нагрев до температуры 920°С, закалка водой, отпуск при температуре 660°С). После термообработки от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств.

Результаты испытания механических свойства листов из сталей различных составов приведены в табл.3.

Таблица 3
Свойства термообработанных листов из низколегированных сталей
№ состава	σT, Н/мм2	σв, Н/мм2	δ, %	KCV-70, Дж/см2	Хол. загиб на 180° d=3a	Свариваемость
1.	590	680	19	27	неудовл.	удовл.
2.	690	790	29	41	удовл.	удовл.
3.	710	800	22	44	удовл.	удовл.
4.	720	820	16	40	удовл.	удовл.
5.	740	850	14	22	неудовл.	неудовл
6.	1100	1305	11	14	неудовл.	удовл.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная низколегированная сталь (составы №2-4) имеет наиболее высокие показатели ударной вязкости на образцах с острым надрезом при температуре испытания -70°С. При обеспечении всего комплекса заданных свойств сталь сохраняет свариваемость.

В случаях запредельных значений концентрации легирующих элементов (варианты №1 и №5) происходит снижение ударной вязкости при температуре -70°С, а образцы из стали состава №5, кроме того, не выдерживают испытания на свариваемость и холодный загиб.

Известная сталь состава №6 имеет низкую ударную вязкость при температуре -70°С. Поэтому она непригодна для изготовления лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей, эксплуатируемых при температуре ниже -40°С (до -70°С).

Технико-экономические преимущества предложенной низколегированной стали заключаются в том, что дополнительное введение в ее состав 0,01-0,05% ниобия и 0,004-0,035% титана обеспечивает повышение ударной вязкости при температуре -70°С при сохранении свариваемости.

Кроме того, поскольку в предложенной стали допускается содержание примесей серы и фосфора (не более 0,010% и не более 0,020% соответственно), упрощается технология и удешевляется ее производство.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит повысить рентабельности производства лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей для работы в условиях Крайнего Севера на 8-10%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:

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, С 22 С 38/58, 2003 г.

Низколегированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, ванадий, алюминий, никель, азот, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, титан, серу и фосфор при следующем соотношении содержания элементов, мас.%:

Углерод 0,08-0,15

Кремний 0,1-0,6

Марганец 1,0-1,8

Хром 0,3-0,9

Медь 0,1-0,5

Ванадий 0,02-0,1

Алюминий 0,01-0,06

Никель 0,7-1,5

Азот 0,002-0,015

Кальций 0,002-0,030

Ниобий 0,01-0,05

Титан 0,004-0,035

Сера Не более 0,010

Фосфор Не более 0,020

Железо Остальное