Високоміцна конструкційна сталь

Високоміцна конструкційна сталь, вміщуюча вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, бор, титан, ванадій, алюміній, азот, решта залізо, яка відрізняє ться тим, що додатково вміщує моліб 28781 тування від температури не менше 920°С з наступним відпуском від температури не нижче 620°С) однорідну дрібнодисперсну структур у мартенситу відпуску з сприятливим сполученням характеристик міцності і пластичності. Вуглець і карбонітридостворюючі елементи запроваджуються в композицію даної сталі з ціллю забезпечення дрібнодисперсної зереної структури, що дозволяє підвищити як рівень її міцності, так і забезпечити заданий рівень пластичності. При цьому ванадій управляє процесом в аустенітній галузі (визначає схильність до зросту зерна аустеніту, стабілізує стр уктуру при термомеханічній обробці, підвищує температуру рекристалізації і, як слідство, впливає на характер g-a-перетворювання), в той час як вплив ванадію проявляється при температурах нижче А1, так як саме в цій галузі знаходиться інтервал інтенсивного виділення карбонітриду ванадію. Ванадій сприяє також зміцненню сталі при термополіпшенні. Верхня межа вмісту вуглецю (0,21%), ванадію (0,08%) замовлена необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижня - відповідно 0,16%, 0,03% - забезпеченням потрібного рівня міцності даної сталі. Марганець, хром і молібден використовуються з однієї сторони, як зміцнювачі твердого розчину, з другої сторони, як елементи, значно підвищуючі стійкість переохолодженого аустеніту і збільшуючі прогартовуваність сталі. При цьому верхній рівень вмісту зазначених елементів (відповідно 1,3% Mn, 0,65% Cr, 0,30% Мо) визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижній - (відповідно 0,95% Mn, 0,40% Cr, 0,20% Мо), необхідністю забезпечити потрібний рівень міцності і прогартовуваності сталі. Нікель у заданих межах визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня прогартовуваності і в'язкості сталі. При цьому нижній рівень вмісту нікелю - 0,30%, зумовлена необхідністю забезпечити потрібний рівень в'язкості сталі, а верхній - 0,70% - необхідністю сполучення структури мартенситу при гартуванні сталі (нікель є аустенітостворюючий елемент). Кремній відноситься до феритостворюючих елементів. Нижній рівень кремнію - 0,20% зумовлений технологією розкислення сталі. Вміст кремнію вище 0,35% несприятливо позначиться на характеристиках пластичності сталі. Бор сприяє різкому підвищенню прогартовуваності сталі. При цьому верхня межа вмісту бору визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижня - необхідністю забезпечення потрібного рівня прогартовуваності сталі. Титан і алюміній використовується як розкислювач і забезпечує захист бор у від зв'язування у нітриди, що сприяє різкому підвищенню прогартовуваності сталі. Так нижній рівень вмісту титану 0,01% і алюмінію - 0,03% визначається необхідністю забезпечення заданого рівня прогартовуваності сталі, а верхній рівень - (0,03% і 0,06%) визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі. Азот - елемент, який бере участь в створюванні карбонітридів, при цьому нижній рівень його вмісту (0,005%) визначається вимогою забезпе чення заданого рівня міцності, а верхній рівень (0,015%) - необхідний для забезпечення заданого рівня пластичності і прогартовуваності сталі. Для забезпечення повного зв'язування азоту в нітриди типу TiN і AlN у результаті протікання реакції: [ Ti] + [N] = TiN [ Al ] + [N] = AlN потрібно виконання наступного співвідношення N елементів: £ 0,14 у протилежTi + 0,5 ´ Al + 10 ´ B ному випадку не забезпечується захист бору від зв'язування його в нітриди і різко знижуються характеристики прогартовуваності сталі. N Співвідношення £ 0,14 виTi + 0,5 ´ Al + 10 ´ B значає умови зберігання в сталі більше 50% ефективного бору, що забезпечує задані властивості прогартовуваності сталі. Співвідношення Mn + Cr + Mo + 10 ´ V ³ 2,0 , з одного боку визначає умови, забезпечуючі заданий рівень міцності сталі, з другого боку, визначає рівень базового легування, забезпечуючого мінімальний рівень прогартовуваності сталі. Порівнюючий аналіз з прототипом дозволяє зробити висновок, що запропонований склад відрізняється від відомого уводом нових компонентів молібдену і титану, а також співвідношеннями: N £ 0,14 і Ti + 0,5 ´ Al + 10 ´ B Mn + Cr + Mo + 10 ´ V ³ 2,0 . Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "новина". Аналіз патентної та науково-технічної інформації не виявив рішень, маючих аналогічно сукупні ознаки, якими досягався б подібний ефект - підвищення характеристик прогартовуваності сталі. Отже, запропонована сукупність ознак відповідає критерієві "істотні ознаки". Нижче надані приклади здійснювання запропонованого винаходу, не виводячи інших в об'ємі формули винаходу. В експериментальних умовах в 60-кг відкритій індукційній печі виплавлено 10 плавок дослідних марок сталі, хімічний склад яких надано в табл. 1. Сталь розливали на 3 злитки вагою по 17 кг, які далі кували на сутунку поперечним перерізом 70´70 мм. Потім сутунки прокатували на лист товщиною 14 мм. З листа виготовляли заготівки зразків розміром 14´14´300 мм, котрі у подальшому пройшли термічну обробку в лабораторних печах типу СНЗ по наступних режимах; гартування від 950°С з витримкою 50 хвилин і охолодженням у воді. Відпуску при температурі 630°С з витримкою 30 хвилин. Товщина заготівки і режими охолодження при гартуванні забезпечували крізне прогартовування заготівок. Ме ханічні характеристики визначали на тангенціальних зразках. Випробування на розтягування при кімнатній температурі проводили на зразках тип 1, ГОСТ 1497-84, на випробувальній машині "INSTRON-1185" з тензометричною реєстрацією деформації. Швидкість навантаження зразка – 2 28781 5 мм/хв. Визначали характеристики міцності s6 і s0,2 і пластичності - d5 і j. Середні значення характеристик підраховували по результатах випробувань не менше трьох зразків на точку. Значущість відмінностей середніх значень величин, які аналізувались, оцінювали з використанням критерію Стьюдента, вираховували наступним чином; (M1 - M2 ) 0,05 t= £ tKR (a ) 2 2 (S 1 + S 2 ) де: М1 і М2 - середні значення порівнюваних величин; S12 і S 22 - дисперсії середнього; tKR0,05(a) - критичне значення критерію Стьюдента при рівні значущості 0,95 і числі ступенів свободи - a. Визначення характеристик прогартовуваності (критичний діаметр Д50) проводили методом торцевого гартування циліндричних зразків діаметром 25,0 мм і довжиною 100 мм з заплічками, відповідно до ГОСТ 5657. Перед виготовленням зразка заготівки пройшли термічну обробку у камерних печах за наступним режимом: нормалізація, 950°С, 1 год., повітря. Випробовували по два зразки на плавку. Гартування зразків проводилось струменем води в спеціальній установці. В зв'язку з необхідністю запобігання окисленню і обезвуглецювання торцю зразка, безпосередню торкаючогося струменю води при гартуванні, нагрівання зразків у камерних печах (без захисної атмосфери) проводили в спеціальних стаканах. Торець зразка ставився на спеціальну графітову пластівку. Зразок нагрівався у камерній печі до температури 950°С. Тривалість прогрівання зразка до температури гартування складала 30¸50 хвилин. Відхилення від заданої температури гартування не перевищувало ±5°С. Витримка зразка при темпе ратурі гартування після нагрівання складала 30 хвилин. Час з моменту витягування зразка з печі до початку охолодження не перебільшував 5 сек. Зразок знаходився під струменем води до повного охолодження (приблизно 15¸20 хв). Температура охолоджуючої води складала 20±5°С. Для вимірювання твердості по всій довжині загартованого зразка зішліфовувались дві діаметрально протилежні площі до глибин 0,5±0,1 мм. Площини зішліфовувались при великій обильності охолоджуючої води. Шерохуватість поверхні площин була не більше 7-го класу чистоти відповідно до ГОСТ 2789. Не допускались пригари, викликаючі структурні зміни металу. Для побудови кривої прогартовуваності сталі вимір твердості начинали на відстані 1,5 мм від загартованого торця в осьовому напрямку. Перші 16 вимірів від торця зразка робили з інтервалом 1,5 мм, а потім через 3 мм. У вигадку необхідності повторного вимірювання твердості на площині, на якій були зроблені виміри, площину перешліфовували. Глибина зйому металу при повторному шліфуванні складала 0,1¸0,2 мм. Твердість визначали по Роквелу (HRC) у відповідності до вимог ГОСТ 9013. Для кожної пари точок, які знаходяться на однаковій відстані від торця зразка на двох протилежних площинах, вираховували середнє арифметичне значення твердості. Ме ханічні властивості приведені в табл. 2. Як видно з табл. 2, запропонована сталь, у порівнянні з відомою має більш високі властивості прогартовуваності. Джерела інформації 1. Авторське свідоцтво СРСР № 282658, С22С39/00, 11.11.1968 р. 2. Авторське свідоцтво СРСР № 432225, С22С39/00, 16.11.1972 р. (прототип). Таблиця 1 Хімічний склад запропонованої і відомої сталі Вміст елементів, мас.% Плавки С Mn Si Ni Cr 1 2 3 4 5 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 1,30 0,95 1,10 0,95 1,20 0,25 0,25 0,30 0,25 0,35 0,70 0,55 0,40 0,35 0,30 0,50 0,65 0,40 0,40 0,45 6 7 8 9 0,21 0,20 0,15 0,19 1,35 0,80 1,00 0,90 0,19 0,25 0,28 0,30 0,25 0,40 0,80 0,5 0,70 0,60 0,50 0,35 10 0,19 1,00 0,25 0,40 0,35 Mo V N В Запропонована сталь 0,30 0,03 0,007 0,001 0,20 0,04 0,009 0,002 0,22 0,07 0,009 0,002 0,25 0,07 0,008 0,003 0,20 0,08 0,009 0,003 За межами запропонованого 0,15 0,03 0,008 0,001 0,30 0,02 0,010 0,003 0,35 0,08 0,015 0,001 0,20 0,03 0,016 0,001 Відома сталь 0,04 0,015 0,002 3 N/(Ti+ +0,5´ ´Al+ +10´B) Mn+ +Cr+ +Mo+ +10´ ´V Al Ті Fe 0,06 0,05 0,05 0,04 0,03 0,029 0,020 0,025 0,022 0,030 ост. ост. ост. ост. ост. 0,101 0,138 0,129 0,111 0,120 2,40 2,20 2,42 2,30 2,65 0,065 0,060 0,025 0,030 0,01 0,03 0,02 0,01 ост. ост. ост. ост. 0,152 0,111 0,353 0,457 2,50 1,90 2,65 1,75 0,045 0,04 ост. 28781 Таблиця 2 Ме ханічні властивості запропонованої і відомої сталі Плавка Тимчасова міцність, s6, МПа 1 2 3 4 5 800 800 820 810 830 6 7 8 9 910 800 770 790 10 750 Межа Відносне текучості, подовження, s0,2 , МПа d5 , % Запропонована сталь 720 18,0 700 17,5 760 16,0 740 16,5 760 16,0 За межами запропонованого 820 12,0 700 17,0 690 20,5 700 16,0 Відома сталь 680 17,0 Відносне звуження, j, % Критичний діаметр, Д50, мм 49,0 47,0 45,0 44,0 42,0 53,4 50,6 55,8 51,2 56,3 37,0 46,0 53,0 49,0 23,6 20,4 24,8 22,2 46,0 19,5 __________________________________________________________ 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