высокопрочная сталь с повышенной деформируемостью после закалки

Формула изобретения

Высокопрочная сталь для изготовления осесимметричных деталей, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	от 0,18 до менее 0,2
Марганец	1,00 - 1,3
Кремний	0,20 - 0,40
Сера	не более 0,010
Фосфор	не более 0,015
Хром	2,90 - 3,20
Медь	не более 0,25
Никель	2,20 - 2,50
Молибден	0,70 - 0,90
Ванадий	от 0,15 до менее 0,2
Железо и неизбежные примеси	Остальное,

при этом после закалки на воздухе и термомеханической обработки временное сопротивление разрыву _В составляет не менее 170 кгс/мм² , а относительное удлинение ₅ составляет не менее 6%.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным комплекснолегированным сталям, закаливающимся на воздухе, и может быть использовано при производстве осесимметричных деталей, работающих под давлением.

Высокопрочная сталь с повышенной деформируемостью после закалки может применяться для осуществления термомеханической обработки на прочность 170-180 кгс/мм² путем деформации после закалки и отпуска.

Известна комплекснолегированная сталь марки 28Х3СНМ1ФА ТУ АД И 543-2002, содержащая, мас.%: углерод 0,26-0,31; марганец 0,50-0,80; кремний 0,90-1,20; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром 2,80-3,20; никель 0,90-1,20; молибден 0,75-0,85; ванадий 0,05-0,15; медь не более 0,15.

Данная композиция не обеспечивает требуемые параметры деформируемости после закалки, так как даже после отпуска 700°С характеристика пластичности ее по относительному удлинению ₅ не превышает 12% (см. фиг.1). Поэтому она не может использоваться для изготовления деталей термомеханическим упрочнением как с точки зрения пластичности, так и с точки зрения накопления при холодной деформации внутренних напряжений, которые могут приводить материал к разрушению непосредственно при деформации.

Известна также сталь 18Х2Н4МА ГОСТ 4543-71, имеющая химический состав, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,25-0,55; кремний 0,17-0,37; хром 1,35-1,65; никель 4,00-4,40; молибден 0,30-0,40; сера не более 0,025; фосфор не более 0,025; медь не более 0,030.

Указанная сталь применяется для изготовления ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой вязкости и износостойкости однако относительное удлинение ₅ в диапазоне отпуска при температурах 200-500°С не поднимается выше 12%, при отпуске 600°С - выше 19%, но при этом временное сопротивление разрыву _в становится равным 94 кгс/мм², что не позволяет обеспечить требуемую прочность после деформации на уровне 170 кгс/мм².

Наиболее близкой по характеристикам является сталь марки 12Х3ГНМФБА по патенту РФ № 2104325, С22С 38/48, опубл. 10.02.1998 г.), принятая авторами за прототип, имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,12-0,24; марганец 0,80-1,20; кремний 0,20-0,50; хром 2,90-3,40; никель 0,9-2,0; молибден 0,25-0,90; ванадий 0,03-0,15; ниобий 0,02-0,05; кальций 0,005-0,030; железо - остальное.

Указанный состав высокопрочной стали обеспечивает при всех температурах отпуска высокое относительное удлинение ₅=16 20% и свидетельствует о высокой ее деформируемости после закалки и отпуска.

Недостатком данной стали является уменьшенное значение временного сопротивления разрыву при пониженном содержании легирующих элементов в рамках широкого интервала значений.

Общими признаками с предлагаемой авторами сталью являются содержание в ней углерода, кремния, хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, остальное - железо.

В отличие от прототипа предлагаемая авторами высокопрочная сталь с повышенной деформируемостью после закалки содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,18-0,24; марганец 1,00-1,30; кремний 0,20-0,40; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром 2,90-3,20; медь не более 0,25; никель 2,20-2,50; молибден 0,70-0,90; ванадий 0,15-0,20, при этом остаток составляет железо и неизбежные примеси.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны во всех случаях, достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокопрочной стали с повышенной деформируемостью после закалки, закаливаемой на воздухе с последующей термомеханической обработкой и получением готовой детали с временным сопротивлением разрыву _в не ниже 170 кгс/мм² при сохранении ₅ не ниже 6%.

Новая совокупность признаков изобретения позволяет получить сталь с повышенной деформируемостью после закалки и термомеханической обработки при температуре 450-600°C с улучшенной структурой и повышенной способностью к деформируемости.

Составы, режимы термической обработки, свойства стали после термической обработки и различных степеней деформации ротационной вытяжкой представлены в табл.1, 2, 3.

Таблица 1
Химический состав исследуемых плавок и прототипа
№ плавки	Содержание элементов, масс.%
	С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	V	Nb	Ca	Fe
1 (прототип)	0,15	0,30	0,70			2,70	1,40	0,40	0,02	0,04	0,001	ост.
2	0,22	0,33	1,05	0,006	0,006	3,30	2,30	0,81	0,19			ост.
3	0,20	0,38	1,16	0,005	0,007	2,98	2,29	0,78	0,19			ост.

Таблица 2
Механические свойства прототипа и сталей после закалки и различных температур отпуска
№ плавки	Температура отпуска, °С	в, кгс/см2	5, %	, %	KCU+20, кгсм/см 2	KCU-50, кгсм/см 2
1 (прототип)	200	130	16,0	63,0	17,6	12,0
	300	128	16,0	62,5	17,6	13,3
	400	127	16,5	62,0	16,0	13,0
	500	129	17,0	64,0	15,0	12,3
	600	105	17,0	70,0	18,0	13,8
2	200	149	13,8	58,0	6,8	5,3
	300	148	13,6	57,4	7,0	5,4
	400	147	13,8	57,0	7,3	5,9
	500	150	13,8	57,0	8,4	5,7
	600	122	14,6	60,0	8,8	6,4
3	200	147	12,1	53,0	7,0	5,0
	300	148	12,2	53,5	7,2	5,2
	400	148	12,5	55,0	7,2	5,5
	500	150	13,0	55,0	8,2	5,7
	600	125	14,5	59,0	8,6	6,2

Таблица 3
Механические свойства прототипа и стали 22Х3ГН2М1ФА в зависимости от степени деформации ротационной вытяжкой
Температура отпуска, °С	Временное сопротивление разрыву в, кгс/мм2				Относительное удлинение 5, %
	Степень деформации , %				Степень деформации , %
	0	40	60	80	0	40	60	80
Прототип сталь 12Х3ГНМФБА
600	93,0	99,0	102,0	105,0	12,0	17,0	18,0	20,0
550	124,0	150,0	157,5	165,0	13,0	9,6	9,0	13,0
500	129,0	154,0	166,5	190,0	14,0	9,0	5,8	5,5
450	129,3	160,0	170,0	203,5	15,0	9,0	5,0	4,5
Сталь 22Х3ГН2М1ФА
600	128,0	136,0	144,0	153,0	14,0	12,5	12,0	11,0
550	142,0	162,0	173,0	184,0	13,0	10,6	10,2	7,2
500	158,0	185,0	195,0	202,0	13,0	12,5	10,0	5,0
450	155,0	169,0	196,0	разр. при деформ.	13,0	3,0	7,1	разр. при деформ.

Как видно из табл.3, в результате термомеханической обработки известного технического решения (прототип) при исходной прочности стали 129 кгс/мм² (температура отпуска 450-500°С, степень деформации 60-80%) достигается прочность выше 170 кгс/мм ², однако, при этом относительное удлинение ₅ не превышает 6%, что приводит к охрупчиванию материала и разрушению детали с фрагментацией, что является не допустимым.

В предлагаемом техническом решении (сталь 22Х3ГН2М1ФА) при исходной прочности 142 кгс/мм² (температура отпуска 550°С) требуемую прочность достигают при степени деформации 60% и пластичности ₅ на уровне 10,2%.

Таким образом, вышеуказанные признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизны».

Пример.

Заявляемую сталь 22Х3ГН2М1ФА производили на металлургическом заводе в 12-тонной дуговой электропечи, при этом было выплавлено 2 плавки с химическим составом 2 и 3, указанными в табл.1.

Сталь разливали в изложницы для получения слитка массой 13,5 т. Далее слитки выдерживали в изложницах и направляли в кузнечный цех.

Перед ковкой слиток нагревали в печи. Ковку слитка проводили на гидравлическом прессе в 3 этапа с подогревом поковки после каждого этапа.

Заготовки охлаждали на воздухе, затем подвергали высокому отпуску 720-740°С.

Оценка качества трубной заготовки по механическим свойствам показала на образцах, подвергнутых термической обработке (закалка с температуры 880°С, отпуск 400-550°С), значения, указанные в табл.4.

Таблица 4
Механические свойства стали 22Х3ГН2М1ФА в трубной заготовке
Температура отпуска, °С	Временное сопротивление разрыву в, кгс/см2	Условный предел текучести 0,2, кгс/см2	Относительное удлинение 5, %	Относительное сужение , %	Ударная вязкость KCU+20 , кгсм/см2
400	147	127	12,2	53	7,3
	148	126	12,5	55	6,8
450	149	130	12,0	45	8,4
	149	129	12,1	48	8,6
500	150	125	13,0	55	8,4
	148	123	12,6	49	7,8
550	143	121	12,9	55	8,4
	148	122	13,1	43	8,4

Из результатов табл.4 видно, что временное сопротивление разрыву _в соответствует 143-150 кгс/мм² при получении относительного удлинения ₅, равного 12,0-13,1%, при хорошем запасе ресурса деформируемости стали после закалки, исходя из соотношения ₀₂/ _в, равного 0,83-0,87.

Затем трубную заготовку из стали 22Х3ГН2М1ФА диаметром 440 мм и длиной 5810 мм отправили для изготовления тонкостенной трубы на трубопрокатный агрегат ТПА "159-426" Волжского трубного завода.

Результаты контроля качества полученных труб по механическим свойствам после закалки и отпуска при 550°С представлены в табл.5.

Таблица 5
№ плавки	Временное сопротивление разрыву в, кгс/мм2	Относительное удлинение 5, %	Ударная вязкость KCU кгсм/см2
2	154,0	18,0	6,1
	150,0	16,0	7,6
	153,6	18,5	6,7
	151,0	15,1	7,3
3	153,2	13,4	6,4
	154,9	12,7	7,5
	150,6	16,2	6,3
	151,6	13,0	6,4

Из полученной трубы методом ротационной вытяжки изготовили осесимметричные тонкостенные детали. Термомеханическую обработку вели по схеме: калибровка, предварительная механическая обработка, закалка + отпуск, механическая обработка под ротационную вытяжку, I ротационная вытяжка + II ротационная вытяжка + отжиг, уменьшающий напряжения. Партию деталей испытали на прочность до разрушения, при этом давление разрушения составило 316-331,4 кгс/см², вместо 270 кгс/см² (см. фиг.1). Проведенный контроль механических свойств показал, что временное сопротивление разрыву _в составило 175-185 кгс/мм², а относительное удлинение ₅ - 8-10%.

Таким образом, полученные данные по изготовлению опытной партии осесимметричных деталей подтверждают возможность их изготовления из заявленной стали с повышенной деформируемостью после закалки термомеханическими методами обработки.