сталь

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Углерод 0,15-0,22

Марганец 0,61-0,8

Кремний 0,2-0,31

Хром 6,9-8,5

Никель 0,16-0,41

Медь 0,05-0,1

Ванадий 0,8-1

Титан 0,008-0,015

Азот 0,01-0,03

Молибден 0,008-0,01

Кальций 0,005-0,01

Железо Остальное,

при выполнении условия, что сумма углерода и азота меньше либо равна 0,26.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к конструкционным материалам на основе железа, содержащим углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, которые используются для изготовления различных деталей машин и механизмов металлургического производства.

В металловедении конструкционных материалов известны следующие стали на основе железа, содержащие углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, азот, кальций, медь, титан.

1. Авторское свидетельство 1507849 кл. С 22 С 38/46, 1989 Бюл. 34.

2. Авторское свидетельство 1498814,кл. С 22 С 38/46, 1989 Бюл. 29.

3. Авторское свидетельство 1507851 кл. С 22 С 38/50. 1989 Бюл. 34.

В качестве прототипа выбрано изобретение по авторскому свидетельству 1507851 кл. С 22 С 38/50, 1989, в котором описана конструкционная сталь, используемая в металлургии и содержащая в мас. углерод 0,20-0,26; ванадий 0,03-0,20; марганец 0,75-0,98; титан 0.008-0,15; кремний 0,20-0,29; азот 0,005-0,02; хром 0,35-0,50; молибден 0,008-0,10; никель 0,15-0,30; кальций 0,005-0,01; медь 0,15-0,30; железо остальное.

Указанная сталь после охлаждения на воздухе с высоких температур имеет хорошую пластичность, но сравнительно невысокие прочностные свойства. Такая простая термическая обработка является привлекательной для производства, но возникает необходимость в повышении прочности то есть разработке стали, которая после указанной выше термической обработки обладала бы высокими прочностными и хорошими пластическими свойствами. Задача решается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, азот, молибден, кальций, железо остальное, имеет следующее соотношение химических элементов (мас.): углерод 0,15-0,22; ванадий 0,8-1,0; марганец 0,61-0,80; титан 0,008-0,15; кремний 0,20-0,31; азот 0,01-0,03; хром 6,9-8,5; молибден 0,008-0,010; никель 0,16-0,41; кальций 0,005-0,010; медь 0,05-0,10; железо остальное.

Сравнение предлагаемой стали с прототипом показывает, что ее состав отличается повышенным содержанием хрома и ванадия-при определенном соотношении остальных элементов. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна". При этом сумма элементов внедрения (С + ) 0,26. Увеличение суммарного количества элементов внедрения приводит к снижению пластичности стали. Вредные добавки таких элементов, как сера и фосфор, не должны превышать 0,02% В предлагаемой стали увеличение количества хрома и ванадия, по сравнению с известной сталью, имеет важное значение. Материалы на основе железа, содержащие элементы внедрения (С + ) 0,26 и сравнительно небольшие добавки ( 1%) таких элементов, как марганец, кремний, хром, никель, медь, ванадий, титан, молибден, кальций, после закалки на воздухе имеют в структуре феррит и феррита-карбидную смесь. Закалка на воздухе наиболее технологичная операция термообработки, и она широко применяется в промышленности. Увеличение количества хрома до 6,9-8,5% позволяет получить в основном мартенситную структуру, которая обеспечивает большую прочность стали.

Увеличение количества ванадия до 0,8-1,0% позволяет, кроме того, сделать сталь дисперсионно-упрочняемой, то есть закаленная сталь в процессе охлаждения на воздухе повышает прочностные свойства в результате выделения в мартенсите карбонитридных частиц типа VC(N). Поскольку частицы имеют небольшие размеры (не более 5-10 нм), они Плохо видны в мартенситных кристаллах даже в электронный микроскоп из-за высокой плотности дислокаций. Такие мелкодисперсные частицы уверенно фиксируются электронномикроскопически в аустенитных сталях, где их наблюдению не мешают дислокации (Сагарадзе В.В. Уваров А.И. Упрочнение аустенитных сталей. М. Наука, 1989. 270 с.). Карбонитриды выделяются при отпуске. В этом случае прочность стали будет определиться двумя факторами: упрочнением за счет выделения карбонитридов и разупрочнением мартенситных кристаллов при нагреве.

С целью доказательства соответствия предлагаемого изобретения критерию "иэобретательский уровень" проанализируем известность отличительных признаков объекта в известных технических решениях данной области техники. Стали с большим количеством хрома применяются в промышленности. Например, 08Х13, 08Х17Т (ферритного класса), 12Х13, 14Х17Н2 (мартенситно-ферритного класса), 40Х13 (мартенситного класса). Однако, как правило, в этих материалах количество хрома Cr>12% так как такое легирование имеет целевое назначение: получение коррозионностойких материалов. Доело закалки на воздухе сталь мартенситного класса имеет очень низкую пластичность, а стали ферритного и мартенситно-ферритного классов низкую прочность, как указанный выше прототип. В предложенной стали подобрано оптимальное количество хрома, которое обеспечивает получение стали с высокой прочностью. В настоящее время в научно-технической и патентной литературе не обнаружено сведений относительно влияния больших (V0,8% ) добавок ванадия на механические свойства закаленной стали близкого к прототипу состава. Ванадий в количестве 0,03-0,20% вводится в сталь для получения после закалки мелкого зерна (Голиков И.Н. Гольдштейн М. И. Мурзин И.И. Ванадий в стали. М. Металлургия, 1968. 291 с.). Оптимальное количество ванадия в предлагаемой стали, с одной стороны, уменьшает вредное влияние хрома на пластичность, а с другой обеспечивает упрочнение стали за счет мелкодисперсных частиц карбонитридов ванадия, выделяющихся в твердом растворе в процессе охлаждения на воздухе. Все вышеизложенное обеспечивает соответствие заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Пример выполнения. Слитки весом по 10 кг выплавляли вакуумным методом и ковали при 1050-1150°C в прутки сечением 15х15 мм Химический состав сталей приведен в табл.1. Заготовки длиной 60 мм, вырезанные из прокованных прутков, нагревали до IIOO^oC, проводили изотермическую выдержку (1 ч.) и охлаждали на воздухе. Из закаленных на воздухе брусков изготавливали образцы для механических испытаний (ГОСТ 1497-84 тип III). Растяжение проводили на машине ЦД-10/90. Механические свойства известной и предлагаемой стали представлены в табл.2. После закалки на воздухе в известной стали получены следующие механические свойства: временное сопротивление _в 920 МПа, условный предел текучести _0,2 680 МПа, относительное удлинение = 17% и относительное сужение j 59%

В предлагаемой стали, в которой увеличено содержание хрома и ванадия, после аналогичной обработки временное сопротивление увеличивается в 1,6-1,8 раза, а условный предел текучести в 1,8-2 раза. При этом характеристики пластичности (( и )) хотя и несколько снижаются, но остаются на достаточно высоком уровне (табл. 2). Отпуск предлагаемой и известной сталей в пределах 200-550°C практически не изменяет механические свойства. Именно в этом температурном интервале проводят отпуск крупных изделий на заводах для снятия внутренних напряжений, Следовательно, неизменность механических свойств имеет практическое значение.

Количество ванадия в предлагаемой стали подобрано таким образом, чтобы связать элементы внедрения (С+N) в карбонитриды ванадия VC(N). Увеличение количества ванадия приводит только к удорожанию материала, а уменьшение к снижению упрочнения за счет дисперсионного твердения, обусловленного выделением высокодисперсных частиц карбонитридов ванадия. Ванадий имеет большее сродство к углероду и азоту, поэтому образование карбонитридов, выделяющихся внутри зерна, в значительней степени задерживает выделение карбидов хрома по границам зерна, что повышает пластичность. При значительном количестве хрома в стали (Сr>10%) эффективность влияния ванадия уменьшается из-за сильной интенсификации образования карбидов хрома.

Таким образом, увеличение в известной стали количества хрома и ванадия в указанных выше оптимальных соотношениях имеет принципиальное значение для существенного увеличения прочностных свойств (1,6-2 раза) и сохранения пластичности на достаточно высоком уровне.