Конструкційна сталь підвищеної прогартовуваності

Конструкційна сталь підвищеної прогартовуваності, що вміщує вуглець, марганець, кремній, нікель, хром, титан, азот, сірку, кальцій, алюміній, бор, решта залізо, яка відрізняється тим, що додатково вміщує ніобій та ванадій, при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: вуглець, С 0,15-0,21 марганець, Мп 0,45-0,70 кремній, Si 0,17-0.35 бор. В 0,0010-0,0050 нікель, Ni 1,20-1,50 хром.Сг 0,01-0,20ніобій, Nb 0,01-0,02 ванадій, V 0,03-0,08 алюміній, АІ 0,02-0,06 титан, Ті 0,01-0,04 азот, N 0,005-0,015 кальцій, Са 0,001-0,010 сірка, S 0,005-0,020 залізо, Fe решта, причому дотримуються співвідношення: Винахід відноситься до галузі металурги, зокрема до розробки конструкційної високоміцної сталі, призначеної для виготовлення зварюваних конструкцій різного призначення Відома конструкційна сталь, яка містить (мас.%). вуглець 0,15-0,30%, кремній 0 5-0,8%, марганець 0,7-1,5%, фосфор 0,02-0,10%, мідь 0,100,40%, бор 0,001-0,003%, алюміній 0,010-0,050%, титан 0,01-0,05%, решта залізо [1] Недоліками вказаної сталі є її низька технологічність та недостатній рівень прогартовуваносп та широкі межі вмісту легуючих елементів, що може привести до нестабільності механічних властивостей сталі. Найбільш близька по технічній суті і достигаючому ефектові до пропонованої сталі є сталь, яка містить (мас.%)- вуглець 0,18-0,25%, кремній 0,17-0,37%, марганець 0,45-0,79%, хром 0,40,7%, нікель 0,4-0,7%, титан 0,005-0,030%, бор 0,0005-0,0030%, сірку 0,015-0,060%, кальцій 0,001-0,008%, алюміній 0,01-0,05%, азот 0,0050,015%, решта залізо [2]. Недоліки відомої сталі в тім, що при відносно високому вмісту вуглецю та хрому не можна забезпечити потрібний рівень пластичності та в'язкості сталі, широкі межі варьюровання титану, алюмінію, азоту та бору не дозволяють забезпечити фактор захисту бору від зв'язування в нітриди, що при промисловому одержанні рівень азоту у сталі не дозволяє одержати підвищення характеристики її прогартовуваності. Задачею винаходу є розробка конструкційної сталі підвищеної прогартовуваності, призначеної для виготовлення зварюваних конструкцій різного призначення, підвищення характеристик прогартовуваності сталі і забезпечення крізної прогартовуваності термічнопокращуваної металопродукції товщиною до 50 мм. Поставлена задача достигається тим, що запропонована сталь вміщує вуглець, марганець, кремній, нікель, хром, титан, азот, сірку, кальцій, алюміній, бор, решта залізо додатково вміщує ніобій та ванадій, при слідуючому відношенні компонентів, мас.%: вуглець, С 0,15-0,21 марганець, Мп 0,45-0,70 кремній, Si 0,17-0,35 бор, В 0,0010-0,0050 нікель, Ni 1,20-1,50% хром, Сг 0,01-0,20% ніобій, Nb 0,01-0,02% Мп + 2хСг 2 0.7. 00 00 ю «5* со 0 6 х Ю , Мп+2хСг>07 48 27 14 Домішки фосфор до 0,025%, мідь до 0,20% Приведені сполучення легуючих елементів дозволяють отримати в запропонованій сталі (листи товщиною до 50 мм), після термоприкращення (гартування від температури не менше 920°С з наступним відпуском від температури не нижче 620°С) однорідну мілко дисперсну структуру мартенситу відпуску з сприятливим сполученням характеристик МІЦНОСТІ І пластичності Вуглець і карбонітрідостворюючі елементи запроводжуються в композицію даної сталі з ціллю забезпечення дрібнодисперсної зеренної структури, що дозволяє підвищити як рівень и МІЦНОСТІ так і забезпечити заданий рівень пластичності При цьому ніобій управляє процесом в аустенітній галузі (визначає схильність до зросту зерна аустеніту, стабілізує структуру при термомеханічній обробці, підвищує температуру рекристалізації і як слідство, впливає на характер у-а-перетворювання) в той час як вплив ванадія проявляється при температурах нижче Аі, так як саме в цій галузі знаходиться інтервал інтенсивного виділення карбонітрида ванадія Ванадій сприяє також зміцненню сталі при термополіпшенні Верхня межа вмісту вуглецю (0 21%) ванадія (0 08%) і нюбія (0 02%) зумовлена необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі а нижня - (ВІДПОВІДНО 0 15% 0 03% і 0 01%) - забезпеченням потрібного рівня МІЦНОСТІ даної сталі Марганець та хром використовуються з одНІЄІ 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 0 70% Мп 0,20% Сг) визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижній - (ВІДПОВІДНО 0,45% Мп, 0,01% Сг), необхідністю забезпечити потрібний рівень МІЦНОСТІ і прогартовуваності сталі Кремній відноситься до феритостворюючих елементів Нижній рівень кремнію - 0 17% 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 АЛЮМІНІЙ І титан використовується як розкислювач і забезпечує 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% АІ) 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 Сірка визначає рівень пластичності сталі верхній рівень зумовлений необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності і в'язкості сталі, а нижній рівень питаннями технологічності виробництва, Кальцій є модифікуючий елемент Верхній рівень, як у сірки, зумовлений необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності і в'язкості сталі, а нижній рівень питаннями технологічності виробництва Нікель у заданих межах визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня прогартовуваності і в'язкості сталі При цьому нижній рівень вмісту нікелю - 1,20%, зумовлений необхідністю забезпечити потрібний рівень в'язкості сталі, а верхній - 1,50% - необхідністю сполучення структури мартенситу при гартуванні сталі (нікель є аустенітостворюючий елемент) Для забезпечення повного зв'язування азоту в нітриди типу TiN і AIN у результаті протікання реакції [Ti]+[N] =TiN [АІ] + [N] = AIN потрібно виконання наступного співвідношення Ті АІ N елементів — + > 0 6х 10 э , у протилежному випадку не забезпечується захист бору від зв'язування його в нітриди і різко знижуються характеристики прогартовуваності сталі Ті АІ N Співвідношення — + >06х103 48 27 14 визначає умови зберігання в сталі більше 50% ефективного бору, що забезпечує задані властивості прогартовуваності сталі Співвідношення Мп+2хСг>0 7, 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 заявлений склад відрізняється від відомого відсутністю уводом нових компонентів - ніобію та ванадію, а також співвідношеннями — + — - И > 0 6 х 1 0 3 , Мп+2хСг>07, 48 27 14 Таким чином заявлене технічне рішення відповідає критерію "новина" Аналіз патентної та науково-технічної інформації не виявив рішень, маючих аналогічне сукупні ознаки, якими досягався б подібний ефект - підвищення характеристик прогартовуваності сталі Отже, заявлена сукупність ознак відповідає критерієві "ІСТОТНІ ознаки" 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 ПЛІВОК ДОС 34588 захисної атмосфери) проводили в спеціальних стаканах Торець зразка ставився на спеціальну фафітову пластівку Зразок нафівався у камерній печідо 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 ЗО 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 вода 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 обільності охолоджуючої води Шерохуватість поверхні площин була не більше 7-го класу чистоти ВІДПОВІДНО ГОСТ 2789 Не допускались прогари, викликаючі 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 вимірювання твердості на площині, на якій були зроблені виміри, площину перешліфовували Глибина зйомки металу при повторному шліфуванні складала 0,1-0,2 мм Твердість визначали по Роквелу (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 приведені в таблиці 2 Як видно з таблиці 2, запропонована сталь, у порівнянні з відомою, має більш високі властивості прогартовуваності лідних марок сталі, ХІМІЧНИЙ склад яких надано в таблиці 1 Сталь розливали на 3 злитки вагою по 17 кг, які далі кували на сутунку поперечним перерізом 70x70 мм Потім сутунки прокатували на лист товщиною 14 мм 3 листа виготовляли заготівки зразків розміром 14x14x300 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 в воді Відпуску при температурі 630"С з витримкою ЗО хвилин Товщина заготівки і режими охолодження при гартуванні забезпечували крізне прогартовування заготівок Механічні характеристики визначали на тангенціальних зразках Випробування на розтягування при кімнатній температурі проводили на зразках тип І ГОСТ 1497-84 на випробувальній машині "INSTRON-1185" з тензометричною регютрацією деформації Швидкість навантаження зразка - 5 мм/хв Визначали характеристики МІЦНОСТІ оь І стог і пластичності - 551 ф Середні значення характеристик підраховували по результатах випробувань не менше трьох зразків на точку Значущість відмінностей середніх значень величин які ми аналізували оцінювали з використанням критерію Стьюдента, вираховували наступним чином Iа) І = де Мі і Мг - середні значення порівнюваних величин, Si 2 1 S22 - дисперсії середнього, tkrOOO5(a) критичне значення критерію Стьюдента при рівні значущості і числі ступенів свободи-сс Визначення характеристик прогартовуваності (критичний діаметр Д50) проводили методом торцьового 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 по слідуючому режимові 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, безпосередньо торкаючогося струменю води при гартуванні, нагрівання зразків у камерних печах (без ХІМІЧНИЙ Плавка С 1 2 3 4 5 0,15 0,18 0,21 0,2 0,19 6 8 9 0,22 0,2 0,14 0,19 10 0,19 7 Мп 0,7 0,5 0,45 0,6 0,5 Si 0,17 0 25 0 35 0,25 0,2 0,4 0,5 0 19 0,25 0 28 0,3 0,5 0,25 0,8 0,75 ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ 1 Авторське свідоцтво СРСР № 901331, С22С 38/16, 21 04 1980 р 2 Авторське свідоцтво СРСР № 863706, С22С 38/54, 03 05 1979 р (прототип) Таблиця 1 склад запропоновано і відомої сталі N1 Вміст елементів , мас % Сг Nb Запропонована сталь 0,01 0,1 1,2 1,35 0,015 0,1 1,41 0,15 0,01 0,2 0,012 1,5 1,32 0,014 0,16 За межами заявленого 1,55 0,22 0,02 0,12 1,22 0,01 1,42 0,01 0,01 0,05 0,01 1,36 Відома сталь 0,5 0,5 З . V ТІ N 0,05 0,06 0,03 0,06 0,05 0,02 0,02 0,02 0,03 0,04 0.007 0,009 0,009 0,012 0 012 0,09 0,07 0,05 0,03 0,05 0,01 0,01 0,01 0,016 0,012 0,015 0,013 0,02 0,013 34588 Продовження табл. 1 Вміст •лементів, мас. % Плавка В Са S TV48+A1/27-N/14 хЮ' Аі Мп+2Сг 0,66 1,44 1,81 1,62 2,20 0,90 0,70 0,75 1.0 0,82 0,64 0,46 0,25 0,02 1,24 0,99 0,42 0,6 Запропонована сталь 0,002 0.002 0,003 0,004 0.01 0,009 0,011 0,01 0.01 0,008 0,007 0,006 0,008 0,009 0,001 0.001 0.001 0.001 0,01 0,015 0,019 0,02 0,02 0,045 0,055 0,05 0,06 0,008 0,007 0,005 0,004 0.002 ост. ост ост. ост. ост За межами заявленого 10 Плавка 0,02 ост. 0,03 ост. 0,03 ост. 0,02 ост. Відома сталь І 0,001 | 0,015 І 0 , 0 0 7 | 0,04 ) ост. | Механічні властивості запропонованої і відомої сталі Межа текучості, Відносне Відносне Тимчасова міцність, о*, МЛа Оо», МПа подовження, 6$, % звуження, Ф, % Таблиця 2 Критичний діаметр, Дм, мм Запропонована сталь 1 2 3 4 5 790 810 830 6 7 8 9 880 730 855 810 700 19,0 18,0 16,5 16,0 17,0 52,5 50,4 51,6 53,1 46,0 54,6 13,0 16,5 20,5 18,0 40,0 46,0 53,0 46,0 28,4 22,1 19,1 18,7 19,0 760 770 795 740 51,0 47,0 46,0 47,5 45,0 16,7 За межами заявленого 700 790 800 670 650 700 Відома сталь 10 700 620 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03