Сталь

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов (в мас.%): углерод 0,18-0,27 марганец 1,20-1,60 кремний 0,40-0,70 хром 0,35-0,75 никель 0,40-1,20 ванадий 0,08-0,20 молибден 0,21-0,40 кальций 0,002-0,050 бор 0,0005-0,0030 железо остальное. (19) (21) 97010149 (22) 14.01.1997 (24) 16.10.2000 (33) UA (46) 16.10.2000, Бюл. № 5, 2000 р. (72) Азаркевич Анатолій Анатолійович, Анціферов Іван Юхимович, Бабіцький Марк Самойлович, Балон Валерій Ісаакович, Бризгунов Кирил Антонович, Булянда Олександр Олексійович, Іванов Євгеній Анатолійович, Коваленко Леонід Васильович, Краснопольский Віктор Михайлович, Лебедєв Олександр Дмитрійович, Носоченко Олег Васильович, Пацека Іван Єгорович, Тихонюк Леонід Сергійович (73) УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВОДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ 28411 фекту является, выбранная в качестве прототипа, сталь по а.с. СССР № 596656 по кл. С22С38/60 (Бюлл. № 9, 1978 г.), содержащая (в мас.%): углерод 0,17-0,23 марганец 1,10-1,40 кремний 0,17-0,45 хром 0,35-0,75 никель 0,35-0,75 ванадий 0,06-0,14 молибден 0,10-0,20 по крайней мере один из элементов, выбранный из группы: кальций, селен 0,002-0,150 железо остальное. Для прототипа и предлагаемой стали общим является наличие углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, ванадия, молибдена, кальция и железа и также совпадение диапазонов содержания хрома и кальция. Получение требуемого технического результата при использовании прототипа невозможно, потому что эта сталь имеет низкую прокаливаемость, связанную с низкий уровнем легирования и, соответственно, недостаточной устойчивостью аустенита, и, как следствие, низкие временное сопротивление, износостойкость и ударную вязкость в средней части (по толщине) деталей толщиной более 40 мм. В основу изобретения поставлена задача создания такой стали, которая, за счет введения в ее состав бора, а также изменения содержания других компонентов, обеспечивает повышение прокаливаемости, износостойкости и временного сопротивления при сохранении ударной вязкости и за счет этого повышение срока службы сварных деталей толщиной более 40 мм, работающих в условиях интенсивного ударно-абразивного износа. Для решения поставленной задачи в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, кальций и железо, дополнительно вводят бор при следующем соотношении компонентов (в мас.%): углерод 0,18-0,27 марганец 1,20-1,60 кремний 0,40-0,70 хром 0,35-0,75 никель 0,40-1,20 ванадий 0,08-0,20 молибден 0,21-0,40 кальций 0,002-0,050 бор 0,0005-0,0030 железо остальное. При этом содержание хрома в предложенной стали по сравнению с прототипом не изменили, а пределы содержания кальция сузили. В отличие от прототипа повышено содержание углерода, марганца, кремния, никеля, ванадия и молибдена, а содержание железа снижено. В результате использования предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении прокаливаемости, износостойкости и временного сопротивления при сохранении ударной вязкости и, за счет этого, в повышении срока службы сварных деталей толщиной более 40 мм, работающих в условиях интенсивного ударно-абразивного износа. Между существенными признаками предлагаемого изобретения и достигаемым техническим результатом имеется следующая причинноследственная связь. Указанный диапазон содержания бора для стали предложенного состава обеспечивает, за счет повышения устойчивости аустенита, повышение прокаливаемости и соответственно повышение износостойкости, временного сопротивления и ударной вязкости. Глубокая прокаливаемость способствует увеличению ударной вязкости в средней по толщине части деталей толщиной более 40 мм (до 70 мм) за счет получения после закалки структуры нижнего бейнита или мартенсита. Уменьшение содержания бора (ниже нижнего предела) приводит к снижению устойчивости аустенита и соответственно к снижению прокаливаемости, износостойкости, временного сопротивления и ударной вязкости, в особенности при содержании остальных легирующих элементов на нижнем пределе. Увеличение содержания бора (выше верхнего предела) уже не приводит к дальнейшему повышению прокаливаемости, однако приводит к выделению боридов по границам зерен и, соответственно, снижению ударной вязкости. Повышение в предлагаемой стали по сравнению с прототипом содержания углерода, марганца, кремния, никеля, ванадия и молибдена обеспечивает повышение прокаливаемости, временного сопротивления и износостойкости стали, при этом повышение содержания никеля, ванадия и молибдена способствует повышению ударной вязкости. Увеличение содержания углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, ванадия и молибдена выше верхнего предела приводит к недопустимому снижению ударной вязкости, пластических характеристик и ухудшению свариваемости, а снижение содержания этих элементов ниже нижнего предела вызывает уменьшение прокаливаемости, временного сопротивления и износостойкости. Содержание серы не должно превышать 0,010%, а фосфора - 0,020%. Для определения свойств предлагаемой стали были выплавлены сплавы (см. табл. 1) с граничными (сплавы 1 и 3) и средним (сплав 2) содержанием всех ингредиентов, а также с фиксированным содержанием хрома и кальция (сплавы 4 и 5) при граничных содержаниях остальных элементов. С целью обеспечения сопоставительного анализа была также выплавлена известная сталь с соотношением ингредиентов, обеспечивающим оптимальное сочетание прокаливаемости, временного сопротивления, износостойкости и ударной вязкости (сплав 6). Сталь указанных составов (табл. 1) выплавляли в электропечи емкостью 400 кг. После доведения до требуемого состава по углероду и другим легирующим элементам (кроме бора и кальция) и раскисления в сталь вводили бор в виде 8,7% ферробора в количестве 75-450 г/т и силико-кальций. Сталь разливали в слитки массой 400 кг. Слитки нагревали в газовой печи до температу 2 28411 ры 1200ºС и прокатывали на полосы толщиной 70 мм. Температура конца прокатки составила 1050-1100°С. Полосы разрезали на заготовки размером 70´300´400 мм, которые подвергли нагреву до температуры 920°С, закалке в воде и отпуску при температуре 500°С в течение 2 ч. Из термообработанных заготовок изготавливали образцы для испытания на растяжение, ударный изгиб, трение и изнашивание. Поперечные образцы вырезали из средних по толщине и поверхностных слоев заготовок. Твердость измеряли по всему сечению заготовок. Прокаливаемость стали оценивали по твердости в средней части заготовок (по толщине). Сварку заготовок из предлагаемой стали разных составов (сплавы 1-5) и известной стали (сплав 6) осуществляли после предварительного подогрева до 260°С штучными электродами УОНИ-13/55 (сварочный ток 280-300А, скорость сварки 1000 см/час), а затем производили вырезку образцов для определения ударной вязкости и временного сопротивления в зоне сварного шва. Испытания на трение и изнашивание проводили на парах трения "ролик-колодка" в воднопесчаной среде при соотношении воды и песка 2:1. Пары трения изготавливали из предлагаемой, а также известной стали. Величину износа определяли по суммарному износу ролика и колодки. Скорость скольжения была равна 2 м/с при давлении в зоне контакта 2 МПа. В табл. 2 и 3 приведены свойства предлагаемой и известной стали по результатам испытаний. Приведенные данные показывают, что предложенная сталь превосходит известную (сплав 6) по твердости на 1-14 HRC, по износостойкости в 1,04-1,43 раза, по временному сопротивлению разрыву на 2-31 кгс/мм2 без уменьшения ударной вязкости. Таблица 1 Химический состав стали Сплав 1 2 3 4 5 6* С 0,18 0,22 0,27 0,18 0,27 0,20 Мn 1,20 1,40 1,60 1,20 1,60 1,25 Si 0,40 0,55 0,70 0,40 0,70 0,30 Массовая доля элементов, % Сr Ni V Мо 0,35 0,40 0,08 0,21 0,55 0,80 0,14 0,30 0,75 1,20 0,20 0,40 0,55 0,40 0,08 0,21 0,55 1,20 0,20 0,40 0,55 0,55 0,10 0,15 Са 0,002 0,025 0,050 0,010 0,010 0,075 В 0,0005 0,0010 0,0030 0,0005 0,0030 Fе 96,9 95,8 94,6 96,7 94,8 96,6 * - прототип. Таблица 2 Твердость, износостойкость и временное сопротивление стали Сплав 1 2 3 4 5 6 (прототип) Твердость после закалки (HRC) Относительная износостойкость Ц 42 46 49 43 49 П 44 47 49 44 49 Ц 1,15 1,31 1,38 1,17 1,03 П 1,19 1,36 1,44 1,22 1,41 35 43 1,00 1,14 Временное сопротивление после закалки с отпуском (кгс/мм2) Основной металл Зона сварного шва Ц П Ц П 87 92 88 93 102 108 94 101 112 114 102 107 91 94 89 92 111 112 100 105 81 90 Ц и П – соответственно средняя часть (по толщине) и поверхность заготовки. 3 85 90 28411 Таблица 3 Ударная вязкость стали Сплав 1 2 3 4 5 6 (прототип) Ударная вязкость стали (KCU-40, Дж/см2) Основной металл Зона сварного шва Ц П Ц П 76-90 85-97 75-80 84-92 70-78 75-82 65-80 72-81 61-68 68-74 53-62 62-75 74-92 81-95 71-82 80-89 58-70 65-70 58-65 68-72 42-55 58-60 40-45 Ц и П – соответственно средняя часть (по толщине) и поверхность заготовки. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 4 54-61