Низьколегована високоміцна сталь та її застосування

Реферат: Винахід належить до низьколегованої, високоміцної бейнітної сталі, що не містить карбідів, для виробництва стрічок, листів і труб, що має наступний хімічний склад, мас. %: 0,10-0,70 С; 0,254,00 Si; 0,05-3,00 Аl; 1,00-3,00 Мn; 0,10-2,00 Сг; 0,001-0,50 Nb; 0,001-0,025 N; не більше 0,15 Р; не більше 0,05 S; решта - залізо з обумовленими плавкою домішками при необов'язковій добавці одного або кількох елементів: Mo, Ni, Co, W, Ті або V, а також Zr і рідкісноземельні елементи за умови, що для попередження первинних виділень AlN дотримується умова, у мас. -3 %: АlN4С. UA 116111 C2 (12) UA 116111 C2 UA 116111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до сталевого сплаву для одержання низьколегованої високоміцної і одночасно в'язкої сталі з чудовою зносостійкістю згідно з пунктом 1 формули винаходу. Зокрема, винахід належить до виготовлених з такої сталі труб, стрічок і листів, з яких виробляються, наприклад, конструктивні деталі для автомобільної промисловості, такі, як кузовні листи, компоненти несучих конструкцій або труби для надувних подушок безпеки і циліндричні труби. У сфері промисловості з виробництва будівельних машин, наприклад, при наявності високих вимог до зносостійкості з такого сплаву можуть виготовлятися зносостійкі листи для механічних лопат. Також ці стали застосовуються в тих випадках, коли потрібно поглинати енергію удару, яка раптово виникає, наприклад, стійка до обстрілу броня. Виготовлені з такої сталі труби можуть бути зварними, отриманими з гаряче- або холоднокатаних смуг або безшовними, які в окремих випадках можуть мати поперечний переріз, що відхиляється від круглої форми. Конструкційні труби або листи з цієї легованої сталі можуть застосовуватися і для особливо навантажених зварних сталевих конструкцій, наприклад, при виробництві кранів, мостів, суден, підйомних механізмів і вантажних автомобілів. Вимоги про постійне підвищення міцності і поліпшення оброблюваності і властивостей отриманих конструктивних елементів при одночасному зниженні ваги та / або вартості привели, в числі іншого, до розробки одержуваних дуплекс-процесом сталей із наддрібним зерном, які відомі також під назвою «надбейнітних», які є бейнітними сталями, що не містять карбідів. Утворення такої структури, що містить бейнітний ферит з пластинками залишкового аустеніту, схематично показано, порівняно з верхньою і нижньою бейнітними структурами, на фіг. 1. Відмінністю таких сталей є, наприклад, міцність від 1000 до близько 2000 МПа, в залежності від міцності відносне подовження при розриві не менше 5% і надзвичайно дрібно (нано) структурована бейнітна структура з наявністю залишкового аустеніту. Умовою отримання такої найдрібнішої мікроструктури є фазове перетворення при низьких температурах в діапазоні бейніта при виключенні виділення цементиту і утворення мартенситу. Тому необхідно пригнічувати карбіди, що виділяються в бейніті, наприклад, цементит, так як вони можливі причини утворення тріщин, по-перше, викликають сильне окрихчування і в результаті цього більше не досягається необхідна в’язкість і по-друге, неможливо задати неможливо кількості стабілізуючого аустеніту для досягнення властивостей згідно винаходу. Рентабельне застосування таких сталей обмежене, правда, тією обставиною, що при зазначених низьких температурах перетворення кінетика перетворення різко сповільнюється, що залежно від складу сплаву, зокрема, зі збільшенням вмісту вуглецю, призводить до тривалих ізотермічних витримувань від багатьох годин до декількох діб. Однак такі тривалі технологічні періоди не прийнятні для рентабельного виробництва деталей, внаслідок чого ведеться пошук рішень, що стосуються способу легування з метою прискорення перетворення. Склад сплаву, для якого потрібно настільки тривале ізотермічне перетворення, аж до 48 годин, відомий з WO 2009/075494 А1. Крім того, недолік проявляється в тому, що в такій сталі містяться поряд з вуглецем і залізом дорогі добавки, наприклад, нікель, молібден, бор і титан, при цьому досягнуті показники в'язкості не є достатньо високими для згаданих областей застосування. Бейнітні сталі, що не містять карбідів, для залізничних рейок відомі, наприклад, з DE 696 31 953 Т2. Описаний тут сталевий сплав містить поряд з добавками марганцю і хрому, а також іншими елементами, як молібден, нікель, ванадій, вольфрам, титан і бор, також кремній у кількості від 1 до 3%. Також у цьому документі згадується про те, що поряд з кремнієм добавка алюмінію також може зменшувати або пригнічувати утворення карбідів в бейніті і стабілізувати залишковий аустеніт. Крім того, ця сталь дозволяє усунути недолік, що полягає в тривалому часі перетворення, причому за допомогою безперервного охолодження на повітрі (повітряний гарт) може бути досягнута відповідна бейнітна структура. Ця сталь розроблена з урахуванням вимог до залізничних рейок, які піддані сильному зносу, але вона не рентабельна або не може бути застосована для виготовлення смуг, листів і труб у зазначеній галузі застосування, так як тут, поряд з вимогами до зносостійкості слід також забезпечити в рівній мірі дотримання вимог до міцності і в'язкості. Крім того поперечні розміри рейок при їх невеликому перетині помітно відрізняються від поперечних розмірів смуг, листів та труб, які потребують приведення у відповідність концепції легування з необхідними властивостями матеріалу після охолодження сталі на повітрі. Також недоліком відомої сталі є застосування дорогої добавки титану та інших легуючих елементів, таких як нікель, молібден і вольфрам. 1 UA 116111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Інша проблема, пов'язана з відомою сталлю, полягає в тому, що не приведені відомості щодо вмісту азоту, який, зокрема, при добавці алюмінію чинить негативний вплив на властивості матеріалу через утворення нітридів алюмінію. При добавці алюмінію під час затвердіння внаслідок великої спорідненості до вмісту в сталі азоту утворюються великі нітриди алюмінію, які первинно виділяються в сталі, що дуже негативно позначається на пластичності, ударній в'язкості, стійкості до руйнування і межі втоми сталі і, отже, помітно погіршує механічні властивості. Підвищені вмісти азоту та алюмінію в сталі додатково підсилюють цей ефект. Це призводить до того, що цей відомий сталевий сплав, який замість кремнію легований алюмінієм або додатково легований алюмінієм, на практиці виявляється не придатним, так як кількість виділень і розмір шкідливих нітридів алюмінію залежать від кількості азоту і алюмінію, що міститься в сталі, і, оскільки вміст азоту до уваги не береться, то конкретні властивості матеріалу залишаються передбачуваними. Крім того, досягнута в'язкість для даної сталі залишається недостатньо високою для зазначеної області застосування винаходу. Вимоги, що підлягають дотриманню, до механічних властивостей сталевого сплаву можуть бути зведені до наступного: міцність: 1250 - 2500 МПа, відносне подовження при розриві: більше 12 %, ударна в'язкість при -20 °С: не менше 15 Дж. Задачею винаходу є створення сталевого сплаву для отримання низьколегованої, високоміцної, одночасно в'язкої, зносостійкої, бейнітної сталі що не містить карбідів, для виробництва смуг, листів і труб, який є, з одного боку, більш дешевим, ніж відомі сталеві сплави і, з іншого боку, гарантує отримання рівномірних властивостей матеріалу, таких як міцність, відносне подовження при розриві, в'язкість та ін. Крім того, ці властивості повинні досягатися і при охолодженні в спокійній повітряній атмосфері при повітряному загартуванні. Зазначена задача вирішується з урахуванням обмежувальної частини у поєднанні з ознаками відмітної частини пункту 1 формули винаходу. Оптимальні варіанти розвитку представлені в залежних пунктах формули. Згідно з технічним рішенням винаходу запропонований сталевий сплав наступного хімічного складу (мас.%): 0,10-0,70 С, 0,25-4,00 Si, 0,05-3,00 Аі, 1,00-3,00 Μn, 0,10-2,00 Сr, 0,001 - 0,50 Nb, 0,001 - 0,025 Ν, не більше 0,15 Р, не .більше 0,05 S, інше - залізо з обумовленими плавкою домішками при необов'язковій добавці одного або кількох елементів: Mo, Ni, Co, W, Nb, Ті або V, а також Zr і рідкісні землі за умови, що для попередження первинних виділень AIN дотримується умова: ΑΙ × Ν 4 × С (мас.%). При необхідності може додатково проводитись легування рідкісно земельними і реакційними елементами, такими, як Се, Hf, La, Re, Sc і / або Υ, в цілому до 1 мас. %. У формі трубної заготовки або сляба сталі згідно винаходу вже після охолодження на повітрі мають міцність (Rm) більше 1250 МПа, відносне подовження при розриві більше 12% і (ударну) в'язкість при -20 °C не менше 15 Дж (див. Таблицю 1). Структура складається з вільного від карбідів бейніту і залишкового аустеніту з вмістом не менше 75% бейнітного фериту, не менше 10% залишкового аустеніту і не більше 5% мартенситу (або мартенситной фази і / або аустеніту,що розпався). Сталевий сплав згідно винаходу заснований на розробці, що не містить карбідів бейнітної сталі, відомої з DE 696 31 953 Т2 і WO 2009/075494 А1. Проведені в рамках цього винаходу досліди несподівано показали, що в порівнянні з відомим сталевим сплавом для забезпечення необхідних властивостей матеріалу поряд з чудовими показниками міцності і зносостійкості може бути досягнута дуже висока в'язкість при повітряному загартуванні шляхом цільового введення алюмінію в інтервалі від 0,05 до 3,0 мас. % і ніобію в інтервалі від 0,001 до 0,5 мас. %. Зокрема, добавка ніобію забезпечує при цьому помітне підвищення в'язкості за рахунок подрібнення зерна, внаслідок чого такий сплав 2 UA 116111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 оптимально відповідає підвищеним вимогам як до механічних властивостей, так і до зносостійкості. Крім того в результаті оптимальної добавки хрому в кількості від 0,10 до 2,00 мас. % істотно контролюється кінетика утворення фериту, за рахунок чого ефективно попереджається утворення великих полігональних феритних зерен, здатних негативно впливати на властивості матеріалу. Вирішальне значення має при цьому узгодженість між вмістами алюмінію і хрому. Якщо алюміній прискорює феритне і бейнітне перетворення, то добавка хрому феритні перетворення уповільнює (див. також фіг. 2). Шляхом цільового комбінування цих обох елементів можна контролювати кінетику утворення як фериту, так і бейніту. Поряд з відомим оптимальним впливом добавки алюмінію на попередження виділення карбідів в бейніті досліди також показали, що добавка алюмінію в порівнянні з кремнієм помітно прискорює кінетику бейнітного перетворення. Це перетворення зростає зі збільшенням вмісту алюмінію, що означає, що в'язкість і міцність сталі згідно винаходу після безперервного охолодження помітно підвищуються в порівнянні зі сталями, легованими тільки кремнієм, тобто можуть бути досягнуті підвищені показники в'язкості і міцності. Оптимально, щоб швидкість охолодження становила понад 10 °C / с, що необхідно для досягнення необхідної комбінації механічних властивостей також і більш товстих листів (наприклад, товщиною від 10 мм); необхідні механічні властивості можуть бути досягнуті також оптимальними для тонких листів шляхом охолодження в спокійній повітряній атмосфері або шляхом узгодження концепції легування. Вплив різних легуючих елементів на кінетику перетворення показано на фіг. 2. На ній схематично зображено вплив елементів С, Si, ΑΙ, Μn, Cr i Mo на кінетику перетворення фериту, перліту і бейніту, а також на температуру початку мартенситного перетворення. Згідно винаходу, у порівнянні з відомою сталлю, для досягнення зазначених оптимальних властивостей вкрай необхідно, щоб вміст азоту не перевищував вказану верхню межу, що становить 0,025 мас. %, краще 0,015 мас. %, оптимально 0,010 мас. %, для мінімізації кількості та розміру шкідливих нітридів алюмінію як первинних виділень в сталі, причому додатково має дотримуватися умова: ΑΙ × Ν 13 /T + 10. - Кінетика бейнітного перетворення: Приведеної нижче рівності для кінетики бейнітного перетворення необхідно дотримуватися для того, щоб можна було задати оптимальну для механічних і технологічних властивостей мікроструктуру з дуже тонкими бейнітногими пластинками фериту і залишкового аустеніту: 400 × ехр [(-7 × С) - (4 × Μn) + 8 AI + 3] /Т> 1. - Температура початку мартенситного перетворення (°С): для виключення значної частки мартенситу в структурі, яка здатна погіршити механічні та технологічні властивості, температуру початку мартенситного перетворення слід визначати наступним чином: 525 - (350 × С) - (45 × Μn) - (16 × Mo) - (5 × Si) + (15 × AI) 4 × С. Для попередження шкідливих первинних виділень AIN необхідно виконати таку умову: Al × N -3