Сталь конструкційна для продукції підвищеної міцності

Сталь конструкційна для продукції підвищеної міцності, що містить вуглець, марганець, кремній, 2 3 бонітридного зміцнення та значного подрібнення ферито-перлітной мікроструктури (збільшення балу зерна фериту). Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що запропонована сталь містить вуглець, марганець, кремній, алюміній, титан, азот, залізо при такому співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець - 0,14-0,30; марганець - 0,40-1,20; кремній - 0,15-0,60; алюміній - 0,025-0,070; титан 0,005-0,040; азот - 0,015-0,030; залізо і неминучі домішки - решта, при виконанні умови 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti, де Ті, Аl, N - вміст титану, алюмінію, азоту в мас. %, а 0,29 і 0,52 - стехіометричні коефіцієнти утворення, відповідно, нітридів TiN і AlN; та 0,38 - коефіцієнт, який враховує характер кристалізації сталі з метою утворення щільної безпузирчатої поверхні зливка або безперервнолитої передільної заготівки. Як неминучі домішки сталь додатково містить, мас. %: хром - не більше 0,20; молібден - не більше 0,10; мідь - не більше 0,20; нікель - не більше 0,20; сірка - не більше 0,030; фосфор - не більше 0,030. Присутність даних елементів в таких кількостях не суперечить нормативній документації на склад рядової низьковуглецевої сталі (ГОСТ 3802005) і не впливає на істотне коливання механічних властивостей продукції в гарячекатаному стані. Поєднання легуючих і модифікуючих елементів, що заявляються, дозволяє одержати в прокаті з такої сталі сприятливу дрібнодисперсну структуру з балом зерна не нижче ніж 10-12 за ГОСТ 5639-82, що забезпечує досягнення підвищених значень міцності ( т≥350Н/мм2; в≥450Н/мм2) та пластичності ( p≥6,0%; 5≥25,0%). Основним технічним результатом запропонованого винаходу є набуття підвищеної міцності сталі за рахунок збільшення вмісту вуглецю і марганцю, і додаткового карбонітридного зміцнення шляхом модифікування (мікролегування) сталі азотом, титаном і алюмінієм у поєднанні з оптимальним вмістом марганцю і кремнію. Приведене поєднання легуючих елементів дозволяє одержати в готовій продукції дрібнодисперсну ферито-перлітну структуру, низький вміст неметалічних включень, однорідну макроструктуру в готовому прокаті, сприятливе поєднання високих характеристик міцності та пластичності. Вуглець вводиться в композицію даної сталі з метою забезпечення заданого рівня її міцності. Верхня межа вмісту вуглецю 0,30% обумовлена граничною величиною вмісту вуглецю в сталі з метою забезпечення необхідного рівня зварюваності, а нижня - 0,14% - забезпеченням необхідного рівня міцністних властивостей даної сталі. Марганець використовується, з одного боку, як зміцнювач твердого розчину фериту, а з іншого боку, як елемент, що підвищує стійкість переохолодженого аустеніту при кристалізації стали. Крім того, підвищений вміст марганцю в запропонованій сталі дозволяє збільшити розчинність азоту при кристалізації, що передбачає подрібнення вже первинної литої структури аустеніту за рахунок утворення нанонітридних часток TiN. 54340 4 При цьому верхній рівень вмісту марганцю 1,20% визначається необхідністю забезпечення необхідного рівня пластичності стали, а нижній 0,40% необхідністю забезпечення необхідного рівня міцності сталі. Кремній вводять для розкислювання і твердорозчинного зміцнення фериту. Нижня межа по кремнію - 0,15% обумовлена технологією розкислювання сталі. Вміст кремнію вище 0,60% може несприятливо позначитися на характеристиках пластичності сталі. Алюміній використовують як розкислювач сталі і як модифікуючий елемент, що забезпечує формування однорідної дрібнодисперсної феритоперлітной структури за рахунок утворення нітридів алюмінію. При цьому утворення нітридів алюмінію відбувається тільки в твердому стані в процесі гарячої деформації і/або термічної обробки. Так, нижній рівень вмісту алюмінію - 0,025% визначається вимогою забезпечення однорідності структури, а верхній рівень 0,070% - вимогою забезпечення заданого рівня пластичності сталі. Крім того, вказаний рівень концентрації алюмінію гарантує виключення старіння продукції в процесі тривалої експлуатації. Титан використовують як розкислювач та інокулятор другого роду. Нижній рівень вмісту титану дозволяє гарантувати утворення нанонітридних включень вище температури ліквидусу, а його верхня межа обмежена збільшенням розміру і зменшенням кількості цієї фази. Вище верхнього рівня знижується пластичність без істотного підвищення міцності. Так, нижній рівень вмісту титану - 0,005% визначається вимогою забезпечення однорідності первинної структури, а верхній рівень 0,040% - вимогою забезпечення заданого рівня пластичності сталі. Азот бере участь в утворенні нітридних та карбонітридних фаз у сталі. Нижня межа вмісту азоту 0,015% обумовлена необхідністю одержання заданого рівня міцності сталі, а верхня межа 0,030% обмежується утворенням відкритої пористості у зливку або безперервнолитій заготівці та різким зниженням виходу придатного при прокатці. Співвідношення 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti визначає умови утворення нітридів і карбонітридів і їх рівномірний розподіл в усьому об'ємі сталі. Якщо дотримується вказане співвідношення, то утворюються нанодисперсні карбонітридні фази в кількості, що визначає збільшення межі текучості в гарячекатаному, термічно зміцненому або холоднодеформованому стані. При вмісті азоту більш ніж 0,3877 знижується вихід придатного прокату через утворення відкритої газової пористості в зливку або у безперервнолитій передільній заготівці без істотного підвищення міцністних та експлуатаційних властивостей сталі. При вмісті азоту менш ніж 0,29Ti+0,52Al істотне підвищення межі текучості не досягається. В результаті виконання вимог щодо хімічного складу гарантується набуття високих споживчих властивостей (міцність, пластичність, зварюваність та ін.), що досягається завдяки формуванню дрібнодисперсної ферито-перлітної структури про 5 54340 кату та рівномірному розподілу нанодисперсних нітридних та карбонітридних часток. Порівняльний аналіз запропонованого винаходу з прототипом дозволяє зробити висновок, що сталь, яка заявляється, відрізняється підвищеним вмістом вуглецю, марганцю, кремнію та наявністю алюмінію, титану і азоту при виконанні умови 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti. Аналіз патентної і науково-технічної інформації не виявив рішень, що мають аналогічну сукупність ознак, якою досягався б схожий ефект, - підвищення міцністних властивостей при збереженні високої пластичності сталі в гарячекатаному, термічно зміцненому та холоднодеформованому стані. Таким чином, технічне рішення, що заявляється, відповідає критерію «новизна». На підставі вищенаведеного аналізу відомих джерел інформації можна зробити висновок, що для фахівця склад сталі, який заявляється, не випливає явним чином з відомого рівня техніки, а отже, відповідає умові патентоспроможності «винахідницький рівень». Приклад реалізації способу в умовах металургійного виробництва при виготовленні гарячекатаної заготівки. Виплавляли низьковуглецеву (низьколеговану) сталь хімічного складу в мас, %: вуглець - 0,20; марганець - 0,85; кремній - 0,25; алюміній - 0,032; титан - 0,021; азот - 0,020; залізо і неминучі домішки решта при виконанні умови 0,29Ti+0,52Al≥N≥0,38Ti, використовуючи стандартну шихту. Плавку і легування сталі марганцем і кремнієм проводили за технологічними інструкція 6 ми, що діють на підприємстві. Алюміній і феротитан присаджували на дно ковша перед випуском або при 1/4 частині його наповнення металом. Можливим є варіант часткового введення алюмінію і титану порошковим дротом за допомогою трайбапарата. Азотвмісний матеріал присаджували у ковш під струмінь рідкого металу при заповненні 1 /3 частини ковша. Можливий варіант введення азоту у складі наповнювачів порошкових дротів. Розливання сталі проводили в розширені догори виливниці з прибутковою надставкою. Маса зливка становила не менше 6т. Нагрів зливків в обтисковому цеху проводили в рекуперативних колодязях до температури початку плющення 1250-1270°С, при цьому не виключається передача зливків на прокат та їх завантаження до нагрівальних колодязів у нагрітому стані. Прокат зливків проводили на блюмінгу і далі на безперервному заготовчому стані на передільну заготівку перерізом 100 100мм. Можливий так само варіант отримання заготівки із сталі даного складу при її розливанні на МБЛЗ. Потім здійснювали гаряче плющення одержаної передільної заготівки на дротовому стані на катанку діаметром 6,5; 8,0 і 10,0мм. Плющення закінчували при температурі 980-1050°С (Тк.п.), з цієї температури катанку охолоджували водою до середньомасової температури 800950°С (Тзм), після чого змотували в бунти, які повільно охолоджувалися на повітрі в процесі переміщення від стана до складу готової продукції. Результати виробництва катанки із сталі складу, що заявляється, і складу за прототипом приведені в таблиці 1. Таблиця 1 Параметри виробництва і механічні властивості гарячекатаної продукції № п/п 1 2 3 4 Механічні властивості Діаметр катанки, мм Тк.п., °С 6,5 6,5 8,0 10,0 980 980 1000 1020 Тзм, °С Бал зерна т(0,2) в Н/мм2 850 850 880 920 10-11 12-13 11-12 11-12 300 385 370 365 460 530 515 510 5, % 35,0 35,0 33,5 32,5 №1 - властивості катанки (Ст3сп) згідно зі сталлю-прототипом. Приклади реалізації способу в умовах метизного виробництва при переробці гарячекатаної катанки діаметром 8,0мм на холоднодеформований арматурний прокат класу В500С і високоміцні болти класу 8.8. Виробництво арматурного прокату класу В500С за ДСТУ ENV 10080 здійснювали у виробничих умовах шляхом переробки заготівки (катанки) діаметром 8,0мм на арматурний прокат діаме тром 7,5мм при деформації (є) близько 15%. Формування профілю проводили в безприводній роликовій касеті типу CL 25B33 італійської фірми «Eurolls», встановленої перед тяговим барабаном волочильного стана. Механічні властивості початкової заготівки (катанка) і готової продукції (арматурний прокат) приведені в таблиці 2. 7 54340 8 Таблиця 2 Механічні властивості заготівки (катанки) і арматурного прокату т(0,2) Нормативний документ Вид прокату Вимоги по ДСТУ ENV 10080 армат.прокат ≥500 катанка армат.прокат 382 542 Н/мм2 в, Н/мм2 в/ 0,2 5, ≥550 ≥1,05 543 623 1,42 1,15 34,6 18,6 Наведені результати свідчать про те, що одержаний арматурний прокат діаметром 7,5мм відповідає класу міцності В500С, оскільки рівень механічних властивостей знаходиться у повній відповідності з вимогами стандарту ДСТУ ENV 10080 на даний вид продукції. Виробництво кріплення класу 8.8 шляхом деформації катанки діаметром 8,0мм на одноразовому волочильному стані АЗТМ 1/750 на заготівку діаметром 7,44мм при =18%, з якої на холодно % Agt, % Клас міцності ≥2,5 В500С 20,8 4,6 21,1 4,9 В500С р, % висадному автоматі АВ 1919 виготовляли болти розміром М8 60мм за ГОСТ 7798. Додатково готові болти піддавали штучному старінню при температурі 250°С протягом однієї години. Для порівняльних випробувань використовували болти поточного виробництва, виготовлені із сталі марки 20кп. Результати випробувань приведені в таблиці 3. Таблиця 3 Механічні властивості болтів Марка сталі 20кп Ст3сп Ст3пс Стан Без обробки Без обробки 250°С Н/мм2 558 662 757 0,2, З вищенаведених прикладів випливає, що в результаті виплавки сталі складу, що заявляється, одержання гарячекатаної заготівки при температурі 980-1050°С, подальшого охолоджування катанки водою до температур 800-950°С, змотування і охолоджування на повітрі досягається підвищення міцністних властивостей гарячекатаної катанки. Таким чином, запропонований склад сталі забезпечує набуття механічних властивостей готової гарячекатаної катанки діаметром 6,5-10,0мм з підвищеною величиною межі текучості ( т≥350Н/мм) і відносного подовження ( 5≥25,0%), відповідно до технічних вимог до заготівки для подальшого виготовлення холоднодеформованого арматурного прокату класу В500С за ДСТУ ENV 10080. На підставі викладеного вище, можна зробити висновок, що склад сталі, що заявляється, для Комп’ютерна верстка М. Ломалова в, Н/мм2 700 805 873 в/ 0,2 0,80 0,82 0,87 5, % 9,5 12,5 12,0 Клас міцності 6.8 8.8 8.8 виробництва гарячекатаної катанки для подальшого виготовлення арматурного прокату періодичного профілю і кріплення працездатним і усуває недоліки, які мають місце у прототипі. Заявлений склад сталі може знайти широке застосування для виробництва гарячекатаної катанки підвищеної міцності (за рахунок карбонітридного зміцнення і створення дрібнозернистої ферито-перлитної структури). Подальша переробка такої катанки в хол одно деформований арматурний прокат класу В500С або у кріпильні вироби класу міцності 8.8 дозволить організувати виробництво нових ефективних видів продукції підвищеної міцності, що істотно підвищує рентабельність виробництва і зменшує собівартість продукції. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601