Высокопрочная низколегированная азотосодержащая мартенситная сталь
Владельцы патента RU 2638873:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной низколегированной азотосодержащей мартенситной стали, используемой для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении и железнодорожном транспорте. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,05-0,10, кремний 0,2-0,4, марганец 0,5-1,0, хром от 2,5 до менее 3,0, азот от 0,15 до менее 0,2, железо и примеси остальное. Достигается повышение показателей прочности вследствие наличия азота в α-твердом растворе и дополнительного упрочнения частицами карбонитридов хрома, выделяющимися в процессе отпуска, и удовлетворительные показатели пластичности и ударной вязкости вследствие наличия в структуре небольшого количества остаточного аустенита, расположенного между кристаллами мартенсита. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к области низколегированных высокопрочных конструкционных сталей, используемых для высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении.
Известна сталь низколегированная углеродсодержащая сталь 18Х2Н4ВА [Международный транслятор современных сталей и сплавов под редакцией B.C. Кершенбаума. М., 1992, т. 1, 1103 С.], содержащая следующие компоненты, мас.%:
| углерод | 0,14-0,20 |
| хром | 1,35-1,65 |
| никель | 4,0-4,4 |
| марганец | 0,25-0,55 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| вольфрам | 0,8-1,2 |
| железо | остальное |
Основным недостатком этой стали является пониженная для высоконагруженных деталей прочность (σB = 1050 МПа, σ0,2 = 800 МПа) после термической обработки, включающей закалку от 950°С, масло и отпуск 550°С, а также содержание в ней дорогостоящих элементов никеля и вольфрама.
Наиболее близкой по химическому составу к предлагаемому техническому решению является низколегированная углеродсодержащая сталь 30Х3МФ [Международный транслятор современных сталей и сплавов под редакцией B.C. Кершенбаума. М., 1992, т. 1, 1103 С.], содержащая следующие компоненты, мас.%:
| углерод | 0,27-0,34 |
| хром | 2,3-2,7 |
| марганец | 0,3-0,6 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| молибден | 0,2-0,3 |
| ванадий | 0,06-0,12 |
| железо | остальное |
Основным недостатком этой стали является пониженная прочность (σB = 980 МПа, σ0,2 = 835 МПа).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа легирования, позволяющего получать высокопрочную низколегированную конструкционную сталь, обладающую по сравнению со сталями 18Х2Н4ВА и 30Х3МФ более высоким пределом текучести и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности низколегированной конструкционной стали.
Технический результат достигается тем, что в углеродсодержащую низколегированную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, железо и примеси, дополнительно введен азот, при следующем соотношении компонентов мас.%:
| углерод | 0,05-0,10 |
| кремний | 0,2-0,4 |
| марганец | 0,5-1,0 |
| хром | от 2,5 до менее 3,0 |
| азот | от 0,15 до менее 0,2 |
| железо и примеси | остальное |
Дополнительное введение азота в состав стали в количестве 0,15-0,20% приводит к повышению прочности. Увеличение показателей прочности обусловлено твердорастворным упрочнением и упрочнением дисперсными частицами карбонитридной фазы, выделяющимися в процессе нагрева при температурах 200-400°С. Высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости связаны с формированием структуры азотистого мартенсита с тонкими прослойками остаточного аустенита, а также дисперсными частицами карбонитридной фазы. При концентрации азота более 0,20% трудно получить качественный металл без пористости из-за ограниченной растворимости азота в расплаве.
При содержании углерода более 0,1% по границам зерен выделяются крупные частицы карбидов типа Me3C, приводящие к снижению пластичности и ударной вязкости.
Добавки хрома и марганца, повышающие растворимость азота в расплаве железа, в количествах 2,5-3,0% и 0,5-1,0% соответственно достаточны для кристаллизации жидкого метала без образования пор. При содержании хрома менее 2,5% не обеспечивается необходимая растворимость азота в расплаве, а также снижается степень упрочнения стали. Увеличение содержания хрома более 3,0% не приводит к дополнительному упрочнению стали, а также увеличивает стоимость стали. Увеличение содержания марганца более 1,0% приводит к разупрочнению стали вследствие образования аустенита.
Добавки 0,2-0,4% кремния достаточны для раскисления стали. Сталь выплавляли на установке для литья под давлением 30-40 атм азота. Химический состав стали приведен в таблице 1.
Термическую обработку проводили по режимам, состоящим из закалки от 950°С с охлаждением в воде и последующего старения при 200-400°С в течение 2 часов. После указанной обработки наблюдали мелкозернистую (<10 мкм) структуру с реечным мартенситом и очень дисперсными выделениями карбонитридной фазы. Результаты механических испытаний металла приведены в таблице 2.
Таким образом, по результатам испытаний видно (табл. 2), что предлагаемая сталь в отличие от прототипа обладает более высоким пределом текучести и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости, что приводит к увеличению долговечности и надежности высоконагруженных изделий и конструкций из этой стали.
*- сталь дополнительно содержит 0,25% молибдена и 0,08% ванадия.
Высокопрочная низколегированная азотосодержащая мартенситная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,05-0,10 |
| кремний | 0,2-0,4 |
| марганец | 0,5-1,0 |
| хром | от 2,5 до менее 3,0 |
| азот | от 0,15 до менее 0,2 |
| железо и примеси | остальное |
