Конструкційна сталь

Конструкційна сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, мідь, алюміній, титан, азот, залізо, яка відрізняється тим, що вона додатково містить рідкісноземельні метали при такому співвідношенні компонентів, мас % Винахід відноситься до чорної металурги, зокрема до виробництва високоміцної сталі, призначеної для виготовлення листового і фасонного прокату, а також інших виробів Відома полуспокійна сталь із карбонітрідним зміцненням типу Г2АФпс, що містить, мас % Вуглець 0,05-0,21 Марганець 1,3-1,7 Кремній 0,05-0,15 Ванадій 0,05-0,18 Азот 0,015-0,030 Залізо решта при цьому для одержання оптимальної структури зливку і максимального збільшення виходу придатного металу, кремній вводять у КІЛЬКОСТІ, обумовленій рівнянням [Sr]=0,05+0,096[C]-0,045[Mn]+0,0069[H]+2,1[M]10[V]-0,008(up-u), де Up - швидкість розливання металу у виливницю, м/хв, и=0,3-0,5м/хв (Шнееров Я А , Вихлевщук В А Полуспокойная сталь М Металлургия, 1973.С 136-141,301-310) Така сталь має високу МІЦНІСТЬ І ХОЛОДОСТІЙКІСТЬ І при її виробництві величина головної обрізі вуглець марганець кремній хром нікель МІДЬ алюміній титан азот рідкісноземельні метали залізо при виконанні 0,52алюмшій+0,29 титан >1 азот 0,15-0,40 0,20-1,50 0,15-1,20 0,01 -1,00 0,01 -0,60 0,005 - 0,50 0,005-0,10 0,005 - 0,04 0,014-0,040 0,01 -0,10 решта, співвідношення складає 3-6% Проте через високу вартість і дефіцитність ванадію виробництво сталі значно обмежено А застосування більш дешевих і недефіцитних елементів, таких як алюміній і титан, замість ванадію для карбонітрідного зміцнення полуспокійної сталі не доцільно, тому що вони будуть виступати як розкислювачи і їх використання підвищить головну обрізь Слід також відзначити, що якість полуспокійної сталі звичайно нижча, ніж спокійної, що обмежує область її застосування При цьому підвищений вміст кисню в металі, що недостатньо розкислений, негативно впливає на абсорбцію азоту, що знижує позитивний ефект від легування ним Найбільш близькою по своєму складу до сталі, що запропонована, є сталь із карбонітрідним зміцненням наступного ХІМІЧНОГО складу, мас % Вуглець 0,26-0,50 Марганець 0,80-2,00 Кремній 0,10-1,20 Хром 0,01-1,00 Нікель 0,01-1,20 Мідь 0,01-0,40 СО Ю (О О (О 60653 вмісту рідкісноземельних металів (0,01%) відповідає низькій концентрації сірки в сталі і забезпечує Титан мінімум пластичності й ударної в'язкості Верхня Азот межа вмісту рідкісноземельних металів (0,10%) Миш'як відповідає максимально припустимій концентрації Ванадій сірки у металі Залізо решта Введення до складу запропонованої сталі ти(Пат України № 19883, МПК 6 С 22 С 38/00 від тану та алюмінію дозволяє очистити твердий роз13 08 1996 р "Сталь") чин від азоту й вуглецю, що забезпечує підвищенТака сталь має високий комплекс міцносних і ня пластичності й ударної в'язкості, у тому числі і пластичних характеристик Проте при виробництві при низьких температурах Карбонітріди титану, зливків даної сталі через необхідність видалення що утворюються при цьому, і нітріди алюмінію підусадочної раковини вихід придатного металу змевищують МІЦНОСНІ властивості сталі Комплексне ншується на 14-16% легування азотом, титаном, алюмінієм і РЗМ змеЗадачею даного винаходу є зниження головної ншує розмір зерна металу при кристалізації, гаряобрізі при деформації зливків глибоко розкисленої чій прокатці і термообробці, поліпшуючи технолосталі і збереження високого рівня міцносних і плагічні властивості сталі і компенсуючи окрихчуючий стичних властивостей металу вплив кремнію Легування титаном у КІЛЬКОСТІ Поставлена задача вирішується тим, що за0,005-0,04% і алюмінієм - 0,005-0,10% обумовлено пропонована сталь, що містить вуглець, маргаграничним вмістом азоту 0,014-0,040% Так при нець, кремній, хром, нікель, мідь, алюміній, титан, введенні титану нижче 0,005% не відбувається азот, залізо, додатково містить рідкісноземельні зв'язування азоту в карбонітріди при кристалізації і метали (РЗМ) при такому співвідношенні компонене забезпечується здрібнення литої структури ментів, мас % талу і поліпшення його технологічних властивосВуглець 0,15-0,40 тей При цьому мінімальний спільний вміст титану Марганець 0,20-1,50 й алюмінію повинен забезпечити зв'язування всьоКремній 0,15-1,20 го азоту і може бути обчислений в атомних відсотХром 0,01-1,00 ках, виходячи зі стехіометричного співвідношення Нікель 0,01-0,60 елементів у нітрідах титану (TiN) і алюмінію (AIN) Мідь 0,005-0,50 АЛЮМІНІЙ 0,001-0,10 0,001-0,15 0,003-0,02 0,001-0,08 0,01-0,25 АЛЮМІНІЙ 0,005-0,10 Титан Азот Рідкісноземельні метали Залізо при виконанні 0 52алюмшій+0,29титан >1 0,005-0,04 0,014-0,040 0,01-0,10 решта співвідношення азот Введення до складу запропонованої сталі азоту в КІЛЬКОСТІ 0,014-0,040% дозволяє знизити головну обрізь при деформації зливків глибоко розкисленої сталі за рахунок формування оптимальної структури зливка з розсередженою усадочною раковиною При введенні азоту менш 0,014% газовиділення або не починається, або починається лише на заключній стадії кристалізації зливка, і виділення азоту в газові пузирі вже практично не впливає на процес утворення усадочної раковини При введенні азоту більш 0,040% утворення газових пузирів може починатися ще до формування достатньо товстої зовнішньої корки зливку, що приведе до їхнього розкриття при наступній гарячій деформації і збільшенню браку металу за якістю поверхні Крім того, інтенсивний кип у головній частині зливка призводить до утворення відкритої пористості, що обумовлює окисленість поверхні, виключає її зварюваність при гарячій деформації і призводить до збільшення головної обрізі Введення рідкісноземельних металів необхідно для компенсації негативного впливу високого вмісту азоту в сталі на и пластичність і ударну в'язкість Рідкісноземельні метали забезпечують диспергування і глобул и рування сульфідної фази і збільшують пластичність і ударну в'язкість, утому числі і при низьких температурах Нижня межа [N]=[N]T,N+ [N]AI N[N] Введення титану вище 0,04% і алюмінію 0,10% призводить до зменшення пластичності й ударної в'язкості При цьому малі концентрації титану (0,005-0,04%) активніше, ніж ванадій підвищують ударну в'язкість І знижують поріг холодноламкісті Крім того, комплексне введення трьох сильних розкислювачів (титан, алюміній і РЗМ) забезпечує стабільне і досить високе засвоєння РЗМ У запропонованій сталі кремній (0,15-1,20%) використовується не тільки як розкислювач, що дозволяє одержувати глибоко розкислений метал, але і як корисний легуючий елемент Легування сталі кремнієм призводить до зміцнення твердого розчину і підвищення міцносних характеристик сталі, що дозволяє зробити часткову заміну ним більш коштовного марганцю Проте при введенні кремнію вище його верхньої межі (1,20%) різко зменшується пластичність Нижня межа вмісту марганцю (0,20%) обумовлена необхідним рівнем міцносних властивостей При його концентрації більш 1,50% знижується пластичність і погіршується зварюваність Нижня межа вуглецю в сталі (0,15%) обрана з умови забезпечення достатнього рівня МІЦНОСТІ металу Максимальний вміст вуглецю (0,40%) обмежений його негативним впливом на пластичність сталі і зварюваність Хром підвищує СТІЙКІСТЬ сталі проти корозії і збільшує МІЦНІСТЬ сталі При концентрації його менш 0,01% корозійна СТІЙКІСТЬ І МІЦНІСТЬ металу не підвищуються, а при концентрації більш 1,00% відбувається істотне зниження в'язкісних характеристик сталі Мідь підвищує корозійну СТІЙКІСТЬ сталі Нижня межа и вмісту (0,005%) обумовлена забезпеченням мінімуму корозійної СТІЙКОСТІ, а верхня межа (0,50%) - можливим окрихченням металу внаслідок виділення МІДІ у вільному стані і зниженням технологічних властивостей сталі при гарячій прокатці Спільне легування міддю і нікелем (0,010,60%) підвищує МІЦНОСНІ властивості металу У результаті розширеного пошуку по патентній і науково-технічній літературі по ВІДПОВІДНИХ рубриках МПК й УДК сукупність істотних ознак, цілком або частково збіжна з тією, що заявляється і дозволяє вирішувати поставлену винахідницьку задачу, не була виявлена в жодному технічному рішенні, отже, запропонований винахід відповідає критерію "новизна" З відомого рівня техніки сукупність істотних ознак технічного рішення, що заявляється, з очевидністю не випливає Сукупність ознак, які характеризують відоме рішення, не забезпечують досягнення нових властивостей і лише наявність вказаних відрізняючих ознак дозволяє отримати новий технічний результат Отже, запропонований винахід відповідає критерію "винахідницький рівень" Запропонований винахід був апробований у дослідно-промислових умовах Проблемної лабораторії нових металургійних процесів Національної металургійної академії України Отже, запропонований винахід відповідає критерію "промислова придатність" Це підтверджується прикладом його конкретного здійснення Для оцінки властивостей запропонованої сталі і величини головної обрізі при її виробництві, у порівнянні з позамежними складами і прототипом, були виплавлені в індукційній печі експериментальні плавки, ХІМІЧНИЙ склад яких приведений у табл 1 Розливання металу проводили зверху в розширені донизу виливниці Маса зливка складала 150кг 3 метою наближення умов кристалізації зливків малої маси до промислових виливницю перед розливанням прогрівали газом до 500700°С Гарячу деформацію зливків на штаби перетином 55х25мм здійснювали вільним куванням на 10-т молоті Потім ковані штаби нагрівали до температури Асз+(70-100)°С і прокатували на стані 300 в один прохід з обтиском 50 % 60653 ми "Leco" з точністю до 10 % Конкретний склад сталі в кожній плавці і результати дослідження залежності величини головної обрізі від вмісту азоту в рідкому металі приведені в табл 1 Як випливає з цих даних, введення азоту в оптимальних межах дозволяє знизити головну обрізь до 3-6% Результати випробувань (табл 2) показали, що запропонована сталь має високий рівень механічних властивостей При цьому запропонована сталь має більш високий комплекс міцносних і пластичних характеристик, ніж прототип Так більш висока МІЦНІСТЬ сталі плавок №№ 5,6, що мають близький ХІМІЧНИЙ склад із плавкою № 1 (прототип), крім азоту і РЗМ, пов'язана з підвищеним вмістом азоту в запропонованій сталі, а підвищена пластичність і ударна в'язкість - із додатковим введенням РЗМ і дотриманням оптимального співвідношення між елементами в металі Позитивний вплив введення РЗМ на механічні властивості сталі показано на прикладі плавок №№ 5 і 8, що мають практично однаковий склад (крім РЗМ) і однакову МІЦНІСТЬ, але метал з оптимальним вмістом РЗМ (0,001-0,10%) має більш високу пластичність і ударну в'язкість Порівняння результатів випробувань складів №№ 6 і 9, свідчить, що введення РЗМ вище його верхньої межі (0,10%) уже не призводить до додаткового поліпшення властивостей металу На підставі плавок №№ 10-12 (позамежні склади), очевидно, що вони мають значно гірший комплекс міцносних і пластичних властивостей Так склад № 10 відрізняється від запропонованої сталі нижчим рівнем МІЦНОСТІ, а склад № 11 - поганою пластичністю й ударною в'язкістю В плавці № 12 не 0,52алюмшій + 0,29титан .виконання СПІВВІД0 52алюмшій+0,29титан , ! ношення >1 при високих азот вмістах азоту (більш 0,014%) призводить до значного погіршення ударної в'язкості у порівнянні з запропонованою сталлю Таким чином, запропонований склад сталі вирішує поставлену задачу - зниження головної обрізі при деформації зливків глибоко розкисленої сталі (до 3-6%) і збереження високого рівня міцносних і пластичних властивостей металу Вміст азоту визначали на газоаналізаторі фірТаблиця 1 Вміст елементів, мас % Номерскладу сталі С Мп Si Сг 1 2 3 4 5 и ** 0,36 1,32 0,92 0,51 2 3 4 5 6 7 0,15 0,23 0,28 0,32 0,40 0,15 0,23 0,30 0,39 0,93 1,48 0,20 0,15 0,74 0,62 0,97 1,15 0,86 0,01 0,18 0,58 0,45 0,89 0,44 Мі Си АІ Ті 6 7 8 9 Відома сталь (прототип) 0,63 0,41 0,049 0,031 Запропонована сталь 0,02 0,006 0,025 0,005 0,09 0,18 0,056 0,013 0,44 0,38 0,073 0,024 0,51 0,28 0,037 0,025 0,60 0,50 0,10 0,039 0,01 0,025 0,005 0,040 РЗМ N 10 11 0,012 0,010 0,071 0,042 0,059 0,100 0,019 0,014 0,019 0 021 0,023 0,040 0,014 К* 12 Величина головної обрізі зливка, % 13 156 1,03 1,73 2,09 1,15 1,58 1,01 3,7 3,0 3,3 4,2 6,0 5,3 60653 Продовження таблиці 1 1 2 3 4 5 8 9 10 11 12 0,31 0,39 0,14 0,41 0,34 0 85 1 12 0 19 1 51 0 67 0 92 1 08 0 15 1 23 0 79 0 33 0 64 0, 009 1 04 0 07 Примітка * К = 6 7 8 Позамежні склади 0 23 0,42 0,051 0 21 0,17 0,088 0, 009 0,004 0,003 0 65 0,51 0,11 0 31 0,26 0,047 9 0 0 0 0 0 028 035 004 044 023 10 0,009 0,110 0,009 0,110 0,011 11 0 0 0 0 0 12 023 037 012 041 032 13 1,51 1,51 0,23 1,71 0,97 4,6 5,1 14,7 16,3 58 0 52[АІ] + 0 29[Ті] - сталь містить 0,16мас % ванадію і 0,01 мас % миш'яку Таблиця 2 Номер складу сталі МІЦНОСНІ характеристики сто 2 ,МПа (Тв, МПа 1 490 720 2 3, 4 5 6 7 420 430 455 530 560 430 500 560 580 770 825 515 8 9 10 11 12 525 550 255 600 530 760 815 380 840 785 Комп'ютерна верстка С Волобуєв Пластичні характерисУдарна в'язкість KCU, Дж/см 2 при температурі тики 20°С 55, % Ч>,% Відома сталь (прототип) 21 56 74 Запропонована сталь 45 79 235 42 73 205 36 74 140 26 72 110 23 64 79 44 77 242 Позамежні склади 21 54 74 24 67 81 46 79 107 14 50 58 22 65 51 Підписне -20°С -40°С -70°С 53 31 17 178 161 134 82 64 186 136 115 88 54 43 131 111 92 59 37 25 119 49 62 77 41 34 21 45 48 29 18 12 21 33 8 7 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119