высокопрочная сталь повышенной прокаливаемости

Формула изобретения

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

Углерод 0,14-0,20

Марганец 1,10-1,50

Кремний 0,15-0,35

Бор 0,0010-0,0050

Молибден 0,45-0,55

Алюминий 0,03-0,06

Титан 0,01-0,04

Азот 0,005-0,015

Кальций 0,001-0,010

Сера 0,005-0,020

Железо Остальное

причем

Мn+3,0Мо2,7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке конструкционной высокопрочной стали, предназначенной для изготовления сварных конструкциях различного назначения.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,08-0,20%, кремний 0,2-0,6%, марганец 1,2-2,0%, кальций 0,0002-0,060%, азот 0,005-0,025%, бор 0,0005-0,0050%, алюминий 0,010-0,060%, титан 0,01-0,10%, итрий 0,0001-0,050%, остальное железо [1]. Недостатком данной стали является ее низкая технологичность, недостаточный уровень прокаливаемости и широкие концентрационные границы содержания элементов, что не позволяет обеспечить достаточную стабильность свойств стали.

Наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,12-0,20%, кремний 0,1-0,5%, марганец 1,0-1,6%, азот 0,015-0,030%, бор 0,003-0,01%, кальций 0,005-0,3%, алюминий 0,02-0,08%, остальное железо [2].

Недостатком известной стали является относительно низкое содержание элементов, повышающих устойчивость аустенита. Отсутствие титана, при высоком азоте не позволяет учесть фактор защиты бора от связывания в нитриды, что при промышленно получаемом уровне азота в стали не обеспечит требуемые характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является повышение характеристик прокаливаемости, и обеспечение сквозной прокаливаемости термоулучшенных листов в толщинах до 40 мм и сортового проката диаметром до 50 мм.

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

Углерод, С 0,14-0,20

Марганец, Мn 1,10-1,50

Кремний, Si 0,15-0,35

Бор, В 0,0010-0,0050

Молибден, Мо 0,45-0,55

Алюминий, Аl 0,03-0,06

Титан, Ti 0,01-0,04

Азот, N 0,005-0,015

Кальций, Са 0,001-0,010

Сера, S 0,005-0,020

Причем:

; Мn+3,0Мо2,7

Примеси: фосфор до 0,025%, медь до 0,20%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (листы толщиной до 40 мм и сортовой прокат диаметром до 50 мм) после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) 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 (0,21%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 0,16% - 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 1,50% Мn, 0,55% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 1,10% Мn, 0,45% Мо - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,20% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,35% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0,03 и 0,01 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,03) 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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел вопросами технологичности производства.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел вопросами технологичности производства.

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

[Ti]+[N]=TiN

[Al]+[N]=AlN

требуется выполнение следующего соотношения элементов:

, Mn+3,0Мо2,7,

в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношения

, Mn+3,0Мо2,7

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

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов молибдена, титана и серы, а также соотношениями:

, Мn+3,0Мо2,7.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

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

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

В экспериментальных условиях выплавлено 10 плавок опытных сталей, химический состав которых приведен в таблице 1. Заготовки образцов размером 1414300 мм прошли термическую обработку в лабораторных печах типа СНЗ по следующим режимам: закалка от 950°С с выдержкой 50 минут и охлаждением в воде. Отпуск при температуре 630°С 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 _в и _0.2 и пластичности - 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^0.05_KR() - критическое значение критерия Стьюдента при уровне значимости 0.95 и числе степеней свободы - . Определение характеристик прокаливаемости (критический диаметр Д₅₀) 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°С, 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°С. Продолжительность прогрева образца до температуры закалки составляла 30-50 минут. Отклонения от заданной температуры закалки не превышало ±5°С. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева составляла 30 мин. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не превышало 5 с. Образец находился под струей воды до полного охлаждения (порядка 15-20 мин). Температура охлаждающей воды составляла (20±5)°С. 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 производили с интервалом 1,5 мм, а затем через 3 мм. Если на определенном расстоянии от торца образца твердость не меняется, то измерения производили через один интервал, а затем прекращали испытания. С целью обеспечения точной фиксации мест измерения твердости было специально сконструировано и изготовлено приспособление. 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 №1052558, С 22 С 38/4, 04.06.1982 г.

2. Авторское свидетельство СССР №773125, С 22 С 38/06, 26.03.1979 г. (прототип).