Высокопрочная сталь мартенситного класса
Владельцы патента RU 2327801:
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных сталей, используемых в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит. Может использоваться в бронезащитных конструкциях. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,25-0,65; кремний 0,30-1,5; марганец 0,30-1,5; хром 0,5-3,5; никель 0,3-1,2; молибден 0,15-0,40; кобальт 0,1-3,5; сера не более 0,010; фосфор не более 0,012; железо - остальное. Максимальному значению концентрации углерода соответствует максимальное значение содержания кобальта и минимальное значение концентрации никеля. Минимальному значению концентрации углерода соответствует минимальное значение содержания кобальта и максимальное значение концентрации никеля. Сталь обладает высокими бронезащитными свойствами. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам высокопрочных сталей, используемых в специальных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.
Листовая горячекатаная термоупрочненная сталь с повышенными бронезащитными свойствами должна обладать следующим комплексом механических и специальных характеристик (табл.1):
| Таблица 1 | ||||
| Свойства листовой стали для бронезащитных конструкций | ||||
| HRC, ед. | σт, МПа | δ5, % | KCU, МДж/см2 | Н, мм |
| 63-65 | 1700-2000 | 8-10 | 4-6 | 9,0 |
| Примечание: Н - минимальная толщина листа, выдерживающая без разрушения обстрел по нормали с расстояния 100 м 12,7-мм бронебойно-зажигательными пулями Б-32 с закаленными сердечниками |
Известна конструкционная сталь следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 0,46-0,56 |
| Кремний | 0,17-0,90 |
| Марганец | 0,10-1,00 |
| Хром | 2,80-5,00 |
| Никель | 1,50-3,00 |
| Молибден | 1,70-2,70 |
| Ванадий | 0,25-0,35 |
| Железо | Остальное [1]. |
Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы в закаленном на мартенсит состоянии имеют низкие характеристики твердости и прочности. Это не позволяет использовать ее для изготовления бронезащитных конструкций.
Известна также сталь для подложки многослойной бронепреграды, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,42-0,56 |
| Хром | 0,8-5,0 |
| Никель | 0,9-3,0 |
| Молибден | 0,2-2,7 |
| Ванадий | 0,1-0,35 |
| Марганец | 0,1-1,0 |
| Кремний | 0,17-0,9 |
| Железо | Остальное [2]. |
Недостатком данной стали являются низкие прочностные, вязкостные и бронезащитные свойства листов в закаленном состоянии: толщина Н листов не может быть менее 10 мм, а в случае минимальной концентрации всех легирующих ее элементов - не менее 13 мм.
Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предложенной стали является легированная сталь для изготовления бронеэлементов следующего химического состава, мас.%:
| Углерод + азот | 0,45-1,5 |
| Кремний | 0,9-1,5 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Хром | 0,7-5,5 |
| Никель | 0,6-3,5 |
| Молибден | 0,15-0,75 |
| Сера + фосфор | не более 0,010-0,016 |
| Железо | Остальное [3] - прототип. |
Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы, изготовленные из нее, после закалки сохраняют в структуре остаточный аустенит, в результате чего сталь имеет недостаточный уровень бронезащитных свойств. А именно при твердости закаленных листов менее 63 единиц HRC стандартные испытания на обстрел выдерживают листы толщиной не менее 15 мм.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронезащитных свойств закаленной стали.
Для решения поставленной технической задачи сталь для изготовления бронезащитных конструкций, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,25-0,65 |
| Кремний | 0,30-1,5 |
| Марганец | 0,30-1,5 |
| Хром | 0,5-3,5 |
| Никель | 0,3-1,2 |
| Молибден | 0,15-0,40 |
| Кобальт | 0,1-3,5 |
| Сера | не более 0,010 |
| Фосфор | не более 0,012 |
| Железо | остальное, |
причем по мере увеличения концентрации углерода от минимального до максимального значения концентрацию никеля равномерно снижают от максимального до минимального значения, а кобальта - повышают от минимального до максимального значения.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Исследования показали, что резервом повышения бронезащитных свойств закаленной стали является уменьшение содержания в ее микроструктуре остаточного аустенита. Остаточный аустенит в закаленной стали сохраняется в виде распределенной между кристаллами мартенсита отдельной фазы, снижающей твердость, прочность и значение толщины Н. При этом с повышением концентрации в стали углерода имеет место снижение температуры начала мартенситного превращения аустенита, вследствие чего в процессе закалки в стали сохраняется все большее количество остаточного аустенита, поэтому повышения бронезащитных свойств не происходит.
Было установлено, что кобальт в стали предложенного состава обеспечивает одновременно как повышение температуры мартенситного превращения, так и вязко-пластических свойств, что присуще никелю. Поэтому увеличение концентрации кобальта по мере увеличения концентрации углерода позволяет снизить содержание остаточного аустенита в закаленной стали, а также уменьшить необходимое количество никеля. В результате сталь предложенного состава обретает более высокие бронезащитные свойства.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,25% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его содержании более 0,65% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. При концентрации кремния менее 0,30% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 1,5% снижается пластичность и вязкость.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,5% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.
Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 0,5% прочность ниже допустимого значения. Увеличение содержания хрома более 3,5% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,2% повышается содержание остаточного аустенита в стали и бронезащитные свойства закаленных листов. Снижение содержания никеля менее 0,3% приводит к потере пластичности и ударной вязкости, листы не выдерживают баллистические испытания на бронестойкость.
Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,15% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает пластичность закаленных листов.
Кобальт снижает содержание остаточного аустенита в стали и частично заменяет никель, уменьшая требуемую его концентрацию, сохраняет благоприятную дислокационную морфологию тонкой структуры мартенсита. При содержании кобальта менее 0,1% не достигается повышения бронезащитных свойств закаленных листов. Увеличение содержания кобальта сверх 3,5% не приводит к дальнейшему улучшению бронезащитных свойств, а лишь увеличивает расходы на легирующие.
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 0,012% их отрицательное влияние свойства стали незначительно. В то же время более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Равномерное увеличение концентрации в стали кобальта от 0,1% до 3,5% по мере увеличения концентрации углерода от минимального значения 0,25% до максимального значения 0,65% способствует поддержанию температуры мартенситного превращения в интервале 400-200°С. Поэтому вне зависимости от конкретного значения концентрации углерода закаленная сталь не содержит остаточного аустенита и приобретает более высокие бронезащитные свойства. Причем поскольку кобальт в стали данного состава по своему воздействию на механические свойства заменяет никель, по мере увеличения концентрации кобальта от 0,1% до 3,5% концентрацию никеля следует равномерно снижать от 1,2% до 0,3%.
Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, вводили металлические никель и кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Состав сталей для изготовления бронезащитных конструкций | ||||||||||
| № состава | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Со | S | Р | Fe | |
| 1. | 0,24 | 0,29 | 0,29 | 0,4 | 1,30 | 0,14 | 0,09 | 0,007 | 0,008 | остальн. |
| 2. | 0,25 | 0,30 | 0,30 | 0,5 | 1,20 | 0,15 | 0,10 | 0,008 | 0,010 | -:- |
| 3. | 0,45 | 0,90 | 0,90 | 2,0 | 0,75 | 0,27 | 1,80 | 0,009 | 0,011 | -:- |
| 4. | 0,65 | 1,50 | 1,50 | 3,5 | 0,30 | 0,40 | 3,50 | 0,010 | 0,012 | -:- |
| 5. | 0,66 | 1,60 | 1,60 | 3,6 | 0,20 | 0,50 | 3,6 | 0,011 | 0,013 | -:- |
| 6. | 0,75 | 0,80 | 0,70 | 2,4 | 1,50 | 0,60 | - | 0,005 | 0,004 | -:- |
Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1250°С и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 8,5 до 15 мм. Прокатанные листы подвергали с прокатного нагрева немедленной закалке с температуры 850°С водой. Закаленные листы отпускали путем выдержки в течение 3 ч при температуре 200°С.
После охлаждения от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств. В таблице 3 приведены результаты испытаний свойств горячекатаных листов.
Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная сталь (составы №2-4), у которой по мере повышения концентрации углерода концентрация никеля равномерно снижается, а кобальта возрастает, имеет наиболее высокие механические и бронезащитные свойства: минимальная толщина листа, выдерживающая стандартные баллистико-ударные испытания, равна Н=8,5 мм.
При запредельных содержаниях химических элементов в сталях (составы №1 и №5), а также при использовании стали-прототипа (вариант 6) механические и бронезащитные свойства горячекатаных закаленных листов снижаются, значение Н возрастает до 12-15 мм.
| Таблица 3 | |||||
| Свойства листовых сталей различных составов | |||||
| № состава | HRC, ед. | σт, МПа | δ5, % | KCU, МДж/см2 | Н, мм |
| 1. | 59 | 1500 | 5 | 3 | 12,0 |
| 2. | 63 | 1700 | 9 | 5 | 8,5 |
| 3. | 64 | 1900 | 10 | 6 | 8,5 |
| 4. | 65 | 2000 | 10 | 6 | 8,5 |
| 5. | 61 | 1450 | 6 | 3 | 13,5 |
| 6. | 61 | 1500 | 5 | 2 | 15,0 |
Технико-экономические преимущества предложенной высокопрочной стали мартенситного класса состоят в том, что введение в ее состав кобальта, концентрация которого равномерно возрастает от 0,1% до 3,5% по мере возрастании концентрации углерода от 0,25% до 0,65%, обеспечивает при его закалке полное превращение аустенита в мартенсит диспергированной морфологии. Это повышает твердость и бронезащитные свойства закаленных листов. Одновременно с этим, поскольку кобальт по своему воздействию на механические свойства заменяет никель, то снижение его концентрации с 1,2% до 0,3% не сопровождается снижением пластических и вязкостных свойств закаленной стали и соответственно баллистико-ударной стойкости.
В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали повысит эффективность бронезащитных конструкций на 8-10%.
Источники информации
1. А.с. СССР 1700091, ИПК C22C 38/46, 1982.
2. Пат. РФ 2102688, МПК F41H 5/04, 1998.
3. Пат. РФ 2139357, МПК C21D 9/42, F41H 11/02, 5/02, 1999.
Высокопрочная мартенситная сталь для бронезащитных конструкций, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,25-0,65 |
| Кремний | 0,30-1,5 |
| Марганец | 0,30-1,5 |
| Хром | 0,5-3,5 |
| Никель | 0,3-1,2 |
| Молибден | 0,15-0,40 |
| Кобальт | 0,1-3,5 |
| Сера | Не более 0,010 |
| Фосфор | Не более 0,012 |
| Железо | остальное, |
причем максимальному значению концентрации углерода соответствует максимальное значение содержания кобальта и минимальное значение концентрации никеля, а минимальному значению концентрации углерода соответствует минимальное значение содержания кобальта и максимальное значение концентрации никеля.
