Сталь конструкційна

Сталь конструкційна, що вміщує вуглець, марганець, кремній, бор, азот, решта - залізо, яка відрізняється тим, що додатково вміщує ванадій, алюміній та титан, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець, С марганець, Мn кремній, Si бор, В ванадій, V алюміній, Al титан, Ti азот, N залізо, Fe причому дотримуватись умови: Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема, до розробки конструкційної високоміцної сталі, призначеної для виготовлення зварюваних конструкцій різного призначення. Відома конструкційна сталь, яка містить (мас. %): вуглець - 0,06-0,30%, кремній - 0,17-1,0%, марганець - 0,8-2,0%, ванадій - 0,01-0,25%, азот 0,005-0,040%, бор - 0,001-0,008%, алюміній 0,005-0,10%, титан - 0,005-0,015%, решта – залізо [1]. Недоліками вказаної сталі є її низька технологічність та недостатній рівень прогартовуваності, та широкі межі вмісту легуючих елементів, що може призвести до нестабільності механічних властивостей сталі. Найбільш близька за технічною суттю і досягнутому ефектові до запропонованої сталі є сталь, яка містить (мас. %): вуглець - 0,14-0,22%, кремній - 0,10-0,37%, марганець - 1,0-1,6%, бор - 0,0050,01%, азот - 0,015-0,03%, решта - залізо [2]. Недоліками відомої стали є широкі межі варіювання вуглецю та марганцю, що не дозволяє одержати стабільний рівень механічних властивостей. В аналізованій композиції не обраховувався також фактор захисту бору від зв'язуванні в нітриди, що при промислово одержуваному рівні азоту у сталі не дозволяє одержати підвищення характеристики її прогартовуваності. Задачею винаходу є дорозробка високоміцної сталі, призначеної для виготовлення зварюваних конструкцій різного призначення, підвищення характеристик прогартовуваності сталі і забезпечення наскрізної прогартовуваності термічно покращеної металопродукції товщиною до 25 мм. Поставлена задача досягається тим, що запропонована сталь вміщує вуглець, марганець, кремній, бор, азот, решта – залізо, додатково вміщує ванадій, алюміній та титан при такому співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець, С 0,15-0,21 марганець, Мn 0,80-1,50 кремній, Si 0,17-0,37 бор, В 0,0005-0,0050 ванадій, V 0,01-0,08% алюміній, Al 0,02-0,06% титан, Ti 0,01-0,04% азот, N 0,005-0,015 залізо, Fe решта, причому: N 10 ´ B - 0,01C £ 0,039 та ³ 1,80 . 10Ti + Al N Домішки: фосфор - до 0,025%, нікель - до 0,20%, мідь - до 0,20%. Наведені сполучення легуючих елементів дозволяють отримати в запропонованій сталі (листи товщиною до 25 мм) після термо-покращення (гартування від температури не менше 920°С з наступним відпуском від температури не нижче 620°С) однорідну дрібнодисперсну структуру мартенситу 0,15-0,21 0,80-1,50 0,17-0,37 0,0005-0,0050 0,01-0,08% 0,02-0,06% 0,01-0,04% 0,005-0,015 решта, (19) UA (11) 30639 (13) A N £ 0,039 10Ti + Al 10 ´ B - 0,01C ³ 1,80 . N 30639 вання його в нітриди і різко знижуються характеристики прогартовуваності сталі. N Співвідношення £ 0,039 , 10 Ti + Al 10 ´ B - 0,01C ³ 1, 80 визначає умови зберігання в N сталі більше 50% ефективного бору, що забезпечує задані властивості прогартовуваності сталі. Порівняльний аналіз з прототипом дозволяє зробити висновок, що запропонований склад відрізняється від відомого відсутністю уводу нових компонентів - ванадій, алюміній та титан, а також співN відношеннями: £ 0,039 , 10 Ti + Al 10 ´ B - 0,01C ³ 1, 80 . N Нижче надані приклади здійснення 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 СН3 за такими режимами: гартування від 950°С з витримкою 50 хвилин і охолодженням в воді. Відпуску при температурі 630°С з витримкою 30 хвилин. Товщина заготівки і режими охолодження при гартуванні забезпечували наскрізне прогартовування заготівок. Механічні характеристики визначали на тангенціальних зразках. Випробування на розтягування при кімнатній температурі проводили на зразках типу І, ГОСТ 1497-84. на випробувальній машині "INSTRON-1185" з тензометричною реєстрацією деформації. Швидкість навантаження зразка 5 мм/хв. Визначали характеристики міцності sb і s0,2 і пластичності - d5 і j. Середні значення характеристик підраховували за результатами випробувань не менше трьох зразків на точку. Значущість відмінностей середніх значень величин, які аналізувались, оцінювали з використанням критерію Стьюдента, вираховували таким чином: відпуску зі сприятливим сполученням характеристик міцності і пластичності. Вуглець і карбонітридостворюючі елементи впроваджуються в композицію даної сталі з ціллю забезпечення дрібнодисперсної зернистої структури, що дозволяє підвищити як рівень її міцності, так і забезпечити заданий рівень пластичності. При цьому ванадій керує процесом в аустенітній галузі (визначає схильність к зростанню зерна аустеніту, стабілізує структуру при термомеханічній обробці, підвищує температуру рекристалізації і, як слідство, впливає на характер g-a-перетворювання), в той час як вплив ванадію виявляється при температурах нижче А1, бо 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%) зумовлена необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижня, відповідно, 0,15%, 0,01% забезпеченням потрібного рівні міцності даної сталі. Марганець використовується, з однієї сторони, як заміщувач твердого розчину, з другої сторони, як елемент, який значно підвищує стійкість переохолодженого аустеніту і збільшує прогартовуваність сталі. При цьому верхній рівень вмісту зазначеного елемента 1,50% Мn визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижній – 0,80% Мn, необхідністю забезпечити потрібний рівень міцності і прогартовуваності сталі. Кремній відноситься до феритостворюючих елементів. Нижній рівень кремнію – 0,17% зумовлений технологією розкислення сталі. Вміст кремнію віще 0,37% 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. Алюміній і титан використовуються як розкислювачі і забезпечують захист бору від зв'язування у нітриди, що сприяє різкому підвищенню прогартовуваності сталі. Так, нижній рівень вмісту титану - 0,01% і алюмінію - 0,02% визначається необхідністю забезпечення заданого рівня прогартовуваності сталі, а верхній рівень - (0,03% Ті і 0,06% Аl) 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 забезпечення 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: [Тi]+[N]=TiN [Al]+[N]=AlN потрібно виконання наступного співвідношення N елементів: £ 0,039 , у протилежному ви10 ´ Ti + Al падку не забезпечується захист бору від зв'язу t= (M1 - M2 ) (S 2 1 + S2 2 ) £ t 0,05 (a ), KR де: М1 і М2 - середні значення порівнюваних вели2 чин; S1 і S 2 - дисперсії середнього; t 0,005 (a ) 2 kr 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 ГОСТ 5657. Перед виготовленням зразка заготівки пройшли термічну обробку у камерних печах за таким режимом: нормалізація, 950°С, 1 год, повітря. Випробовували по два зразки на плавку. Га 2 30639 ртування зразків проводилось струменем води в спеціальній установці. В зв'язку з необхідністю запобігання окисленню і зневуглецювання торцю зразка, який безпосередньо торкається 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 температурі 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±5ºC. Для вимірювання твердості по всій довжині загартованого зразка зішліфовувались дві діаметрально протилежні площі до глибин 0,5±0,1 мм. Площини зішліфовувались при великій кількості охолоджуючої води. Шорсткість поверхні площин була не більше 7-го класу чистоти відповідно ГОСТ 2789. Не допускались прогари,які виклика ють структурні зміни металу. Для побудови кривої прогартовуваності сталі вимір твердості починали 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 випадку необхідності повторного відмірювання твердості на площині, на якій були зроблені виміри, площину перешліфовували. Глибина зйомку металу при повторному шліфуванні складала 0,1¸0,2 мм. Твердість визначали за Роквелом (HRC) у відповідності з вимогами ГОСТ 9013. Для кожної пари точок, які знаходяться на однаковій відстані від торця зразка на двох протилежних площинах, вираховували середнє арифметичне значення твердості. Механічні властивості наведені 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 № 601321, С22С38/12, 1976. 2. Авторське свідоцтво СРСР № 462880, С22С39/00, 1973. Таблиця 1 Хімічний склад запропонованої і відомої сталі Плавки С Мn Si 1 2 3 4 5 0,15 0,18 0,21 0,2 0,19 1,5 0,8 0,9 1,1 1,3 0,17 0,25 0,37 0,25 0,2 6 7 8 9 0,22 0,2 0,14 0,19 1,55 0,75 0,8 0,9 0,19 0,25 0,28 0,3 10 0,15 1,1 0,25 Вміст елементів, мас.% V Тi N В Al Запропонована сталь 0,05 0,02 0,007 0,002 0,02 0,06 0,02 0,009 0,002 0,035 0,03 0,02 0,009 0,002 0,05 0,06 0,03 0,012 0,003 0,055 0,05 0,04 0,012 0,004 0,06 За межами запропонованого 0,09 0,05 0,016 0,001 0,02 0,07 0,01 0,012 0,001 0,03 0,05 0,01 0,015 0.001 0,03 0,03 0,01 0,013 0,001 0,02 Відома сталь 0,012 0,001 N/(10Ti+Al) (10B+ +0,01C)/N ост. ост. ост. ост. ост. 0,031818 0,038298 0,036 0,033803 0,026087 3,071429 2,422222 2,455556 2,666667 3,491667 ост. ост. ост. ост. 0,030769 0,092308 0,115385 0,108333 0,7625 1 0,76 0,915385 ост. Fe Таблиця 2 Механічні властивості запропонованої і відомої сталі Плавка Тимчасова міцність, sb, МПа 1 2 3 4 5 780 810 820 835 820 6 7 8 9 880 730 700 790 10 700 Відносне звуження, Межа текучості, Відносне s0,2, МПа подовження, d5, % j, % Запропонована сталь 690 18,5 49,0 760 18,0 47,0 770 17,5 48,0 775 17,0 46,5 750 18,0 47,0 За межами запропонованого 800 13,0 40,0 670 16,5 46,0 650 20,5 53,0 700 18,0 46,0 Відома сталь 620 19,0 45,0 3 Критичний діаметр, Д50, мм 25,0 24,4 29,6 30,1 31,6 13,2 10,1 15,1 14,2 12,7 30639 __________________________________________________________ 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 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4