сталь
Классы МПК: | C22C38/54 с бором C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе |
Автор(ы): | Кувшинников О.А. (RU), Никитин В.Н. (RU), Мариев Павел Лукьянович (BY), Ложечко Л.Б. (RU), Маслюк В.М. (RU), Попова Т.Н. (RU), Баранов В.П. (RU), Никитин М.В. (RU), Трайно А.И. (RU), Кузнецов А.А. (RU), Киселев С.И. (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Северсталь" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-12-03 публикация патента:
27.12.2004 |
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.
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
Описание изобретения к патенту
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.
Класс C22C38/58 с более 1,5 % марганца по массе