Конструкционная сталь
Владельцы патента RU 2296810:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Федеральный научно-производственный центр "Прибор" (RU)
Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к легированным сталям для корпусов бронебойных снарядов. Предложена конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,46-0,60, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,80, хром 0,80-2,00, молибден 0,15-0,30, алюминий более 0,1-0,15, титан 0,05-0,10, бор 0,001 - менее 0,003 или более 0,005-0,006, железо - остальное. Предложенное техническое решение позволило упрочнить сталь до уровня показателей, обусловленных техническими требованиями эксплуатации по бронепробиванию, при этом обеспечено повышение технологичности изготовления корпусов снарядов. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к легированным сталям, которые предназначены для изготовления бронебойных снарядов.
Уровень данной области техники характеризует конструкционная сталь марки 53ХМЮ по ГОСТ 10230-75, которая содержит в мас.%: 0,49-0,55 углерода, 0,17-0,37 кремния, 0,50-0,80 марганца, 1,0-1,4 хрома, 0,15-0,30 молибдена, 0,07-0,15 алюминия, остальное - железо.
Корпуса бронебойных снарядов, изготовленные резанием из прутка, после термообработки закалкой имеют предел прочности σв до 2000 МПа и предел текучести σ02 в пределах 1700-1800 МПа.
Недостатком указанной стали являются ограниченные возможности структуры и состава для повышения прочностных характеристик корпусов бронебойных снарядов, изготовленных из нее, то есть показателей назначения боеприпасов.
Известна конструкционная сталь, описанная в JP 59-123716, С21D 9/08, 8/10, 1984 г., которая по большинству совпадающих признаков выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной.
Известная конструкционная сталь, предназначенная для изготовления труб, характеризуется улучшением механических свойств за счет пластической деформации в сочетании с термобработкой и содержит следующие компоненты (мас.%): 0,15-0,80 углерод, 0,1-1,0 кремний, 0,3-2,0 марганец, 0,1-3,0 хром, 0,1-1,0 молибден, 0,001-0,100 алюминий, 0,0003-0,0050 бор, 0,01-0,15 титан и железо - остальное (при наличии легирующих добавок ванадия, ниобия и циркония).
Недостатком известной конструкционной стали является то, что не представляется возможным серийное изготовление из нее корпусов бронебойных снарядов из-за низких прочностных свойств на нижнем пределе содержания углерода (0,15-0,46 мас.%), когда сталь имеет неудовлетворительную твердость после закалки, при которой происходит трещинообразование, если содержание углерода находится в диапазоне 0,60-0,80 мас.%.
Количественное содержание компонентов этой стали обеспечивает максимальную твердость материала 52-53 HRC, что ниже технических требований технических по условиям эксплуатации снаряда, имеющего повышенное бронепробивание.
Кроме того, дополнительное содержание в составе стали дорогостоящих ванадия, ниобия и циркония, которые улучшают структуру и измельчают зерно, усложняет промышленную технологию ее изготовления, но при этом бронепробивание снарядов не повышается.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является улучшение, за счет оптимизации количественного состава, технологичности стали в переработке для серийного изготовления корпусов бронебойных снарядов, имеющих повышенные показатели назначения.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной конструкционной стали, содержащей железо, углерод, кремний, марганец, хром, молибден, алюминий, титан и бор, компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%):
| углерод | 0,46-0,60 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| марганец | 0,50-0,80 |
| хром | 0,80-2,00 |
| молибден | 0,15-0,30 |
| алюминий | более 0,1-0,15 |
| титан | 0,05-0,10 |
| бор | 0,001 - менее 0,003 или более 0,005-0,006 |
| железо | остальное |
Отличительные признаки обеспечили повышение прочностных характеристик корпусов бронебойных снарядов из предложенной стали до требований чертежа и технических условий Заказчика после упрочняющей термообработки (закалки и отпуска), гарантированно во всем диапазоне количественного содержания ее структурных компонентов, а также улучшена технологичность ее серийного производства и механической обработки резанием.
При содержании углерода ниже 0,46 мас.% не достигается заданный уровень прочности материала после закалки, что снижает бронепробивание снарядов из новой стали.
При содержании углерода выше 0,60 мас.% в материале образуются закалочные трещины, снижающие механические характеристики стали.
Уменьшение доли содержания кремния обеспечило снижение твердости и прочности феррита в сплаве, что в итоге улучшает ее обрабатываемость резанием.
Максимальное содержание марганца в стали ограничено 0,80 мас.%, потому что при более высоком содержании (в диапазоне 0,80-1,50 мас.%) резко ухудшаются условия резания, вызывая повышенный расход дорогостоящего инструмента.
Минимальное содержание марганца 0,50 мас.% обеспечивает полное раскисление стали при выплавке.
Хром введен в оптимальном для промышленной технологии выплавки стали диапазоне содержания.
При этом содержание хрома ниже 0,80 мас.% не обеспечивает сквозного прокаливания монолитных корпусов снарядов, а при содержании хрома более 2,00 мас.% образуются трудно растворимые карбиды, охрупчивающие сталь.
Минимальное содержание молибдена выбрано в виде нижнего технологического предела 0,15 мас.%, меньше которого в стали при закалке образуются продукты диффузионного распада аустенита (тростит и сорбит), прочность которых уступает прочности мартенсита, в результате чего не обеспечивается заданный уровень прочностных характеристик и требуемое бронепробивание снарядов.
Повышение содержания молибдена более 0,30 мас.% не целесообразно, так как не улучшает прочностных характеристик стали.
Содержание алюминия в пределах более 0,1-0,15 мас.% определено полным раскислением стали для повышения условного предела текучести и увеличения прочности бронебойных снарядов, что не обеспечивается в известном аналоге при содержании алюминия в диапазоне 0,001-0,1 мас.%.
Для расширения технологических возможностей термообработки стали содержание в ней бора оптимизировано в диапазоне менее 0,001-0,003 мас.% или более 0,005-0,006 мас.%, когда он полностью растворяется в твердом растворе без образования соединений, охрупчивающих сталь.
При содержании бора менее 0,001 мас.% не обеспечивается сквозная прокаливаемость стали, а при содержании бора более 0,006 мас.% образуются бориды железа, ухудшающие технологичность производства стали, которая охрупчивается после термообработки.
Содержание титана, необходимой технологической добавки для связывания азота, предотвращающей перевод бора в нитриды, расширено в диапазоне 0,05-0,10 мас.%.
При содержании титана менее нижнего предела оптимизированного для промышленной технологии диапазона не весь азот связывается, что снижает эффективность действия бора на прокаливаемость монолитных корпусов снарядов, уменьшая их прочность.
При введении в твердый раствор титана более 0,10 мас.% образуются крупные частицы нитридов титана, снижающие пластичность стали.
Содержание структурных компонентов в стали рассчитано по математической модели планирования эксперимента и проверено на опытных плавках при изготовлении опытной партии бронебойных снарядов, которые характеризуются следующими прочностными свойствами материала, полученными после закалки и отпуска полуфабрикатов: предел прочности (σв)=2200-2400 МПа, а предел текучести (σ02)=1850-2000 МПа, что на 8-10% выше, чем у снарядов из известной стали в термообрабатываемом диапазоне содержания углерода. При этом соответственно увеличилась бронепробивание этих снарядов, твердость которых соответствует чертежным значениям 54-58 HRC.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть техническая задача в изобретении решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков. Изобретение иллюстрируется примерами выполнения стали для корпусов бронебойных снарядов, содержание компонентов которой варьировалось в пределах заявленных диапазонов и за граничными значениями.
Характерные составы стали приведены в таблице.
| Таблица. | ||||||
| состав компонент | содержание, мас.% | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| углерод | 0,60 | 0,45 | 0,60 | 0,60 | 0,60 | 0,55 |
| марганец | 0,60 | 0,45 | 0,80 | 0,80 | 0,90 | 0,80 |
| кремний | 0,30 | 0,20 | 0,15 | 0,40 | 0,30 | 0,35 |
| хром | 0,78 | 2,00 | 0,80 | 2,00 | 2,10 | 1,00 |
| молибден | 0,15 | 0,30 | 0,20 | 0,30 | 0,20 | 0,20 |
| алюминий | 0,15 | 0,15 | 0,10 | 0,15 | 0,15 | 0,10 |
| титан | 0,08 | 0,01 | 0,10 | 0,12 | 0,10 | 0,05 |
| бор | 0,0008 | 0,002 | 0,006 | 0,003 | 0,005 | 0,006 |
| железо | остальное | |||||
| Прочностные характеристики | ||||||
| σв, МПа | 2150 | 2100 | 2180 | 2150 | 2200 | 2200 |
| σ02, МПа | 1750 | 1700 | 1650 | 1750 | 1650 | 1850 |
Из таблицы следует экспериментальное подтверждение, что сталь состава №6 с оптимизированным долевым содержанием компонентов имеет технологические свойства при изготовлении корпусов бронебойных снарядов с заданными механическими характеристиками, обеспечивающими эффективность применения по назначению.
Бронепробивание снарядов из стали по изобретению, сравнительно с прототипом, повысилась на 23%.
При выходе за установленные пределы диапазонов содержания одного или нескольких компонентов в стали выбранного качественного состава (№№1-5) не достигаются показатели назначения изделий и/или технологические свойства стали неприемлемы для практического использования в серийном производстве боеприпасов.
Технологические свойства составов.
Состав 1 - повышенный процент брака при закалке.
Состав 2 - недостаточные твердость и прочность.
Состав 3 - охрупчивание стали, снижается предел текучести.
Состав 4 - ухудшается механическая обрабатываемость.
Состав 5 - сталь охрупчивается после закалки, ухудшается механическая обрабатываемость резанием.
Состав 6 - соответствует требованиям чертежа и условиям эксплуатации бронебойных снарядов.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по боеприпасам, показал, что оно не известно, а с учетом возможности практической реализации стали в условиях серийного производства бронебойных малокалиберных снарядов можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Конструкционная сталь, содержащая железо, углерод, кремний, марганец, хром, молибден, алюминий, титан и бор, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,46-0,60 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Марганец | 0,50-0,80 |
| Хром | 0,80-2,00 |
| Молибден | 0,15-0,30 |
| Алюминий | Более 0,1-0,15 |
| Титан | 0,05-0,10 |
| Бор 0,001- менее 0,003 |
или более0,005-0,006
| Железо | Остальное |
