конструкционная сталь повышенной прокаливаемости

Формула изобретения

Конструкционная сталь повышенной прокаливаемости, содержащая углерод, марганец, кремний, бор, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден и титан при следующем соотношении, мас.%:

Углерод - 0,10 - 0,20

Марганец - 0,90 - 1,40

Кремний - 0,15 - 0,30

Молибден - 0,01 - 0,30

Бор - 0,0005 - 0,0050

Титан - 0,01 - 0,04

Азот - 0,005 - 0,015

Железо - Остальное

при условии, что содержание элементов удовлетворяет следующим соотношениям:



Mn + 5 Mo 2,15.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности в разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сортовой заготовки, используемой при холодной высадке крепежных изделий.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас. %): углерод 0.15 - 0.30%, кремний 0.5 - 0.8%, марганец 0.7 - 1.5%, фосфор 0.02 - 0.10, медь 0.1 - 0.4, бор 0.001 - 0.005%, титан 0.01-0.005%, алюминий 0.01 - 0.05%, остальное - железо [1]. Недостатком данной стали являются широкие границы содержания легирующих элементов, что может привести к нестабильности механических свойств, ее низкая технологичность и недостаточный уровень прокаливаемости.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.14 - 0.22%, кремний 0.10 - 0.37%, марганец 1.0 - 1.6%, бор 0.005 - 0.010%, азот 0.015 - 0.03%, остальное - железо [2].

Недостатки известной стали заключаются в том, что при относительно высоком содержании не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенной металлопродукции диаметром до 32 мм.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, бор, азот и железо дополнительно содержит молибден и титан при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

Углерод - 0,10 - 0,20

Марганец - 0,90 - 1,40

Кремний - 0,15 - 0,30

Молибден - 0,01 - 0,30

Бор - 0,0005 - 0,0050

Титан - 0,01 - 0,04

Азот - 0,005 - 0,015

Железо - Остальное

при условии, что содержание элементов удовлетворяет следующим соотношениям:



Mn + 5 Mo 2,15

Примеси: сера до 0.025%, фосфор до 0.025%, хром до 0.20%, никель до 0.20% медь до 0.20%, алюминий до 0.06%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (сортовая заготовка диаметром до 32 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920^oC с последующим отпуском от температуры не ниже 500^oC) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (20%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя (0,10%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и молибден используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 1.40% Mn, 0.30% Mo) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (0.09% Mn, 0.01% Mo) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию (0.15%) обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.30% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом верхний предел содержания бора (0.0050%) определяется соображениями пластичности стали, а нижний (0.0005%) - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Титан используется в качестве раскислителя и обеспечивает защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания титана (0.01%) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.04%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0.005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0.015%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN в результате протекания реакций:

[Ti] + [N] = TiN

требуется выполнение следующего соотношения элементов: , в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение определяет условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение Mn + 5 Mo 2.15, с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень прочности стали, с другой стороны, определяет уровень базового легирования, обеспечивающего минимальный уровень прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - молибдена и титана, а также соотношениями: и Mn + 5 Mo 2.15.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которыми достигался бы сходный эффект - повышение характеристик прокаливаемости стали.

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения в объеме формулы изобретения.

В экспериментальных условиях в 60 кг открытой индукционной печи выплавлено 10 плавок опытных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1. Сталь разливали на 3 слитка весом по 17 кг, которые далее ковали на сутунки сечением 70 х 70 мм. Затем сутунки прокаливали на лист толщиной 14 мм. Из листа изготавливали заготовки образцов размером 14 х 14 х 300 мм, которые в дальнейшем прошли термическую обработку в лабораторных печах типа СНЗ по следующим режимам: закалка от 950^oC с выдержкой 50 минут и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 630^oC с выдержкой 30 минут. Толщина заготовок и режимы охлаждения при закалке обеспечивали сквозную прокаливаемость заготовок.

Механические характеристики определяли на тангенциальных образцах. Испытания на растяжение при комнатной температуре проводили на образцах: тип I, ГОСТ 1497-84, на испытательной машине "INSTRON-1185" с тензометрической регистрацией деформации. Скорость нагружения образца - 5 мм/мин. Определяли характеристики прочности _b и _0,2 и вязкости и .

Средние значения характеристик подсчитывали по результатам испытаний не менее трех образцов на точку. Значимость различий средних значений анализируемых величин оценивали с использованием критерия Стьюдента, вычисляемого следующим образом:



где M₁ и M₂ - средние значения сравниваемых величин; S²₁ и S²₂ - дисперсии среднего;

t^0,_kr⁰⁰⁵() - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0,95 и числе степеней свободы -.

Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр D₅₀) проводили методом торцевой закалки цилиндрических образцов диаметром 25.0 мм и длиной 100 мм с заплечиками, согласно ГОСТ 5657. Перед изготовлением образца заготовки прошли термическую обработку в камерных печах по следующему режиму: нормализация, 950^oC, 1 час, воздух. Испытывали по два образца на плавку. Закалка образцов проводилась струей воды в специальной установке. В связи с необходимостью предотвращения окисления и обезуглероживания торца образца, непосредственно соприкасающегося со струей воды при закалке, нагрев образцов в камерных печах (без защитной атмосферы) проводили в специальных стаканах. Торец образца ставился на специальную графитовую пластину. Образец нагревался в камерной печи до температуры 950^oC. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляла 30 - 50 минут. Отклонения от заданной температуры закалки не превышало 5^oC. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляла 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышало 5 сек. Образец находился под струей воды до полного охлаждения (порядка 15 - 20 мин). Температура охлаждающей воды составляла 20 - 5^oC.

Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывались две диаметрально противоположные площадки на глубину 0.5 0.1 мм. Площадки сошлифовывались при обильном охлаждении водой. Шероховатость поверхности площадок была не грубее 7-го класса чистоты по ГОСТ 2789. Не допускались прижоги, вызывающие структурные изменения металла. Для построения кривой прокаливаемости стали замер твердости начинали на расстоянии 1.5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца проводили с интервалом 1.5 мм, а затем через 3 мм. В случае необходимости повторного измерения твердости на площадке, на которой были сделаны замеры, площадку перешлифовывали. Глубина съема металла при повторной шлифовке составляла 0.1 - 0.2 мм. Твердость определяли по Роквеллу (HRC) в соответствии с требованиями ГОСТ 9013. Для каждой пары точек, находящихся на одинаковом расстоянии от торца образца на двух противоположных площадках, подсчитывали среднее арифметическое значение твердости

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2., предлагаемая сталь, по сравнению с известной имеет более высокие характеристики прокаливаемости.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 901331, C 22 C 38/16, 21.04.1980 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 462880, C 22 C 39/00, 16.03.1973 г. (прототип)н