Сталь

Винахід відноситься до металургії, зокрема до області лито-зварних конструкцій із сталі підвищеної міцності. Відомо про сталь марки 15ХН2МФ (ДСТ 7832-65, сталь 15ХН2МФ), що містить у мас. %: вуглець 0,12-0,18; кремній 0,2 - 0,4; марганець 0,5 - 0,8; хром 1,2 - 1,4; нікель 1,6 - 2,0; молібден 0,2 - 0,3; ванадій 0,1 - 0,2; мідь £ 0,3, залізо інше. Зазначена сталь після нормалізації з відпуском має наступні механічні властивості: 2 s 0,2 =650МПа, s b =750МПа, d =12%, y =20%, KCU=30Дж/см . Володіючи добрими показниками міцності, така сталь має відносно низькі показники ударної в'язкості і відноситься до класу труднозварюваних сталей. При її зварюванні необхідно застосовувати попередній підігрів для попередження утворення холодних тріщин. Відома також сталь 12ДХН1МФЛ (ДСТ977-75, сталь 12ДХН1МФЛ), що містить мас. %: вуглець 0,1-0,18; кремній 0,2-0,4; марганець 0,3-0,55; хром 1,2-1,7; нікель 1,4-1,8; молібден 0,2-0,3; мідь 0,4-0,65; ванадій 0,08-0,15, залізо - решта. Зазначена сталь застосовується для виготовлення литих-зварних конструкцій і після нормалізації з відпустком має наступні механічні властивості: s 0,2 =650МПа, s b =800МПа, d =12%, y =20%, KCU=30Дж/см.2 За близькими показниками механічних властивостей ця сталь у порівнянні з попередньою сталлю, містить трохи менше марганцю і, крім того, додатково легується міддю. Легування міддю трохи підвищує корозійну стійкість стали і незначно міцність за рахунок процесів дисперсійного твердіння підчас відпуску. Однак з погляду на дорожнечу міді такого ж ефекту можна домогтися легуванням більш дешевими елементами. Дана сталь прийнята як прототип. Зазначені високоміцні сталі через підвищене легування нікелем є порівняно дорогими і мають низьку стійкість проти утворення холодних і гарячих трі щин при зварюванні. Поставлено задачу створити низьколеговану високоміцну сталь для лито-зварних конструкцій зі зниженим вмістом нікелю, у якій завдяки оптимальному складу досягаються високі показники міцності зі збереженням задовільних показників в'язкості і зварюваності. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в сталі, яка містить легуючі елементи нікель, хром, марганець, молібден, ванадій відповідно до винаходу збільшено вміст марганцю, додано цирконій, а кількість вуглецю обмежено при наступному оптимальному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,10-0,14; кремній 0,20-0,30; марганець 1,3-1,6; нікель 0,8-1,0; хром 0,5-0,7; молібден 0,3-0,4; ванадій 0,10-0,15; цирконій 0,10-0,15; алюміній до 0,07; сірки і фосфору (кожного) до 0,030; залізо решта. Для дослідження впливу легуючих добавок на міцність і в'язко-пластичні характеристики сталі шляхом математичної обробки з залученням ЕОМ були оброблені дані по 28 сталям (Dickinson D.W., Ries G.D. Implant Testing of Medium to High Strength Steel-A Model for Predicting Delayed Cracking Susceptibility. //Welding Journal. 1979. №7. P.205-211) із вмістом вуглецю і легуючи х елементів, що змінюються в наступних межах, мас. %: вуглець 0,05-0,18; кремній 0,17-0,95; марганець 0,5-4,6; хром від 0 до3,1; нікель від 0 до 1,95; молібден від 0 до 0,5; ванадій від 0 до 0,22; ниобій від 0 до0,11; алюміній від 0 до 0,05 мідь від 0 до 0,75. Схильність до утворення холодних тріщин при зварюванні оцінювалася іспитами за метод ом вставок («імплант») (Granjon H. The "implants" method for Studing the Weldabiliten of hingh Steugth Steels. Metal Constr. and British Weldig Journal. 1969. 11. p. 509511). Приварка зразків-вставок здійснювалася аргоно-дуговим зварюванням з додаванням 2% кисню, що забезпечувало мінімальну концентрацію дифузійного водню в наплавленому металі. Швидкість охолодження металу після зварювання була така, що при заданому легуванні сталей в зоні термічного впливу (ЗТВ) зварних з'єднань утворювалась повністю мартенситна структура. Як показник схильності до холодних тріщин при зварюванні зазначених сталей приймали критичні напруження уповільненого руйнування s КР , тобто максимальні напруги при яких не спостерігається відрив зразків вставок протягом 24 годин. Отримано наступне рівняння множинної лінійної регресії: s КР =556-25C-164Si-44Mn-38Cr+87Ni-198Mo-456V+1500AI+845Nb-118Cu,(MПa). Комплексне легування С, Мn, Сr, Мі, Мо, V і Zr і його вплив на механічні властивості і зварюваємість сталей досліджено в роботі (Лебедев Ю.М., Репин В.А., Цимбалистий А.Г. Разработка составов низколегированной стали для литых сварных конструкций// Известия Вузов. Черная металлургия. 1988. №3. С.87-91). При цьому встановлено, що всі легуючі елементи, в тому числі і вуглець, зміцьнюють сталь і знижують її пластичність. За ступенем зміцнення їх можна розташува ти в наступній послідовності: С, V, Zr, Мо, Сr, Ni, Mn. На величину критичних напружень зварних зразків-вставок, зварених електродами з основним покриттям, негативно впливають C, Cr, V. Марганець дещо підвищує s КР , більш помітно підвищують Ni і Мо, а Zr особливо сильно. Крім того, при виборі легуючих добавок і їхньої кількості враховані наступні положення. Вуглець обмежується за вмістом виходячи із його негативного впливу на зварювальні властивості і регламентується з його впливом на міцність. Кремній використовується як розкислювач і його вміст обумовлюється в звичайних межах для зварюваних сталей. Марганець позитивний елемент, так як він: порівняно дешевий, сильно підвищує схильність до гартування, зменшує схильність сталі до утворення гарячих тріщин, сильний десульфуратор, що обумовлено зв'язуванням шкідливого елементу - сірки, а також добрий розкислювач. Нікель - елемент, що підвищує в'язкопластичні властивості сталі, але і підвищує схильність сталі до утворення гарячих тріщин при зварюванні. Хром підвищує міцністні властивості і трохи зменшує схильність сталі до утворення гарячих тріщин. Молібден елемент, вміст якого доводиться обмежувати ви ходячи із його дорожнечі і дефіцитності, хоча він у кількості до 1% підвищує практично всі показники механічних властивостей. Мікродобавки ванадію, цирконію й алюмінію впливають на властивості низьколегованих сталей екстремально. Їхній вплив специфічний і тому їх обмежують за вмістом. Ванадій подрібнює зерно при термообробці сталей, підвищує їхню міцність і твердість, але знижує в'язко-пластичні властивості. Цирконій підвищує міцність і всі зварювальні характеристики сталі. Алюміній сильний розкислювач і при мікролегуванні підвищує міцність, в'язкість і пластичність. Мікродобавки бору перешкоджають виділенню структурновільного фериту по границям зерен у процесі прискореного охолодження низьколегованої сталі з аустенітною структурою і тому підвищує її схильність до гартування. Сірка і фосфор утворюють суль фіди і фосфіди, що розташовуються по границях зерен, знеміцьнюють структуру сталі під час кристалізації і підвищують її схильність до утворення гарячих тріщин. Тому їхній вміст при виплавлені сталі необхідно обмежувати. З метою подальшої оптимізації хімічного складу сталі за основними легуючими ( Мі, Сr, Мn, Мо ) і вивчення впливу мікродобавок Zr, V, В, АІ була відлита партія дослідних сталей з порівняно високим вмістом нікелю, хімічний склад яких наведено у таблиці 1. Таблиця 1 Хімічний склад дослідних сталей, % № п/п С Si Мn Сr Ni Мо 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0,07 0,12 0,14 0,10 0,18 0,25 0,12 0,12 0,12 0,15 0,13 0,15 0,14 0,15 0,17 0,27 0,40 0,27 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,24 0,33 0,36 0,34 0,27 0,60 0,70 0,80 0,70 0.70 0.70 0,70 0,80 1,30 0,75 0,77 0,85 0,75 0,85 0,40 0,50 0,60 0,50 0,50 0,50 1,00 0,08 0,40 0,21 0,30 0,26 0,24 1,40 1,50 1,60 1,50 1,50 1,60 1,00 1,50 1,50 1,78 1,41 1,51 1,37 1,49 0,30 0,35 0,40 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,29 0,26 0,27 0,27 0,27 V (OCT.) АІ (OCT.) В (розр.) 0,10 0,14 0,18 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,035 0,056 0,05 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,09 0,09 0,11 0,10 0,11 0,004 0,008 0,004 РЗМ (розр.) 0,2 Zr (розр.) 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 Ме ханічні властивості сталей після термообробки й випробувань на зварюваність за методом вставок наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Ме ханічні властивості дослідних сталей після термообробки і випробувань на зварюваність №п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 s b ,МПа 450 703 565 565 743 693 543 690 700 670 780 858 805 815 s 0 .2 ,МПа 407 655 530 525 690 610 510 640 656 503 630 685 663 660 d ,% 8 8 8 8 8 8 10 8 10 23 21 18 19 20 y ,% 35,8 26,5 21,3 21,3 16 16,8 15,5 17 21,5 64,3 59 47,8 60,2 60 КСU, Дж/см 2 188 100 40 57,5 46,5 34,5 40,5 32,7 46 186 62,5 47,5 61,7 129 HV 173 239 259 235 266 267 243 229 267 184 231 255 250 238 s КР ,МПа 650 615 450 670 482 450 750 615 323 800 650 684 742 705 HVmax, 3TB 266 354 342 363 405 405 390 354 405 254 333 354 360 354 Остаточний вигляд емпіричних формул, отриманих при обробці результатів досліджень механічних властивостей і зварюваності наступний: s b =473+1334С+146Mn-52Si-233Cr-169Ni-826Mo+1933V+4275AI+8964В, МПа, середньоквадратичне відхилення ± 46МПа; s 0 .2 =462+1115С+147Mn-218Si-236Cr-210Ni-826Mo+2849V+3823AI+8773В, МПа, середньоквадратичне відхилення ± 46МПа; (=17-14С+2Mn+64Si+4Cr+4Ni-6Mo-198V-94AI-1030B, %, середньоквадратичне відхилення ± 0,1%; y =52-106C-7Mn+132Si+18Cr+37Ni-194Mo-336V+38AI-3181B, %, середньоквадратичне відхилення ± 2,6%; KCU=99-504C-42Mn-349Si+101Cr+182Ni-89Mo-846V+57АІ-7688B, Дж/см 2; середньоквадратичне відхилення ± 14,4Дж/см 2 ; HVmax=122+327C+55Mn+110Si+10Cr-19Ni-422Mo-882V+811АІ-1118В; середньоквадратичне відхилення ± 8HV; Зварені зразки-вставки: s КР =502-720С-678Si-439Mn-197Cr-470Ni+4351Mo-2874V+4793AI+8247B, (МПа), середи ьоквадратич не відхилення ± 28МПа; HVmax=353+641С+100Мn-40Сг-16Ni-1418Мо+2456V+1524АІ+2196В, середньоквадратичне відхилення + 28HV. Отримані залежності властивостей сталей від хімічного складу дозволяють якісно визначити вплив досліджуваних елементів: 1. С, Мn, V, АІ, В підвищують міцності характеристики сталей, але зменшують в'язко-пластичні; 2. Si,Cr у межах досліджуваного вмісту позитивно впливають на показники пластичних властивостей, але трохи знижують міцність, a Si також і ударну в'язкість. 3. Додавання Zr у кількості близько 0,13%, при зазначених вище співвідношеннях основних легуючи х елементів, дозволило підвищити в'язко-пластичні властивості сталі і зменшити її схильність до уповільненого руйнування в зоні термічного впливу після зварювання. При цьому значення критичних напружень уповільненого руйнування підвищують тільки Мо, АІ, В. 4. Знижена пластичність і в'язкість сталей 2, 3, 4, 5 і 6 (табл.1) обумовлена тим, що в їх структурі після виливання утворюються дефекти типу мікротріщин і раковин. Це вказує на те, що для одержання щільних відливок варто обмежити легування ливарної сталі нікелем, а збільшити вміст у ній марганцю. У результаті проведених досліджень і аналізу всіх отриманих залежностей вибрали склад сталі умовно позначеної, як 12ХГ2НМФЦЛ із наступним складом, мас. %: вуглець 0,10-0,14; кремній 0,2-0,3; марганець 1,5-1,7; нікель 0,8-1,0; хром 0,5-0,7; молібден 0,3-0,4; ванадій 0,10-0,15; цирконій 0,15; алюміній до 0,07; сірки і фосфору (кожного) до 0,03; залізо решта. Як приклад наведено результати плавок запропонованого складу сталі 12ХГ2НМФЦЛ (табл.3 - хімічний склад плавок; табл.4 - механічні властивості сталей після нормалізації 900°С і відпуску 650°С). Таблиця 3 Хімічний склад плавок запропонованої сталі, % Індекс плавки 1 2 3 С Si Mn Cr Mi Mo 0,14 0,10 0,135 0,3 0,2 0,26 1,7 1,5 1,45 0,7 0,5 0,63 1,0 0,8 0,92 0,4 0,3 0,32 V розр. Zrрозр. 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,15 AI ост. S P 0,07 0,03 0,068 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 Таблиця 4 Індекс Плавки 1 2 3 Ме ханічні властивості досліджених сталей після нормалізації 900°С и високого відпустку 650°С y ,% s b ,МПа s 0 .2 ,МПа d ,% 966 764 12,6 42 752 653 17 52 944 742 14,7 45 КСU, Дж/см 2 51 102 56 Дослідження структурних перетворень сталі 1 (табл.3) виконано за методикою (Лебедев Ю.М., Кравченко Л.П., Данилюк Н.М. Методика моделирования сварочных термодеформационных циклов // Автоматическая сварка. 1978. №12) шляхом побудови зварювальної діаграми термокінетичного перетворення аустеніту для високотемпературних ділянок ЗТВ, що наведена на рисунку (Діаграма термокінетичного перетворення аустеніту зони термічного впливу для сталі 12ХГ2НМФЦЛ Т н=1250°С. Склад сталі мас. %: С=0,135; Si=0,26; Mn=1,45; Cr=0,63; Ni=0,92; Mo=0,32; V=0,13; Zr=0,15; S і Р кожного по 0,02). З діаграми термокинетического перетворення випливає, що при зварюванні сталі 12ХГ2НМФЦЛ у ЗТВ зварених з'єднань у широкому діапазоні швидкостей охолодження W550 утвориться бейнітно-мартенситна структура, що має ще й високу опірність утворенню холодних тріщин. Так, при швидкості охолодження W550=25°С/с, що досягається при ручному дуговому наплавленні на масивну деталь електродом діаметром 3мм, у ЗТВ утвориться структура, що складається з 50% бейніту і 50% мартенситу. Отримана структура в ЗТВ без застосування попереднього підігріву забезпечує стійкість зварного з'єднання до утворення холодних тріщин. Оптимально обраний хімічний склад дозволяє звести до мінімуму негативний вплив легування на зварювальні властивості ливарної сталі і забезпечити її задовільну зварюваність з високим комплексом механічних властивостей. Застосування пропонованої сталі, умовно названої 12ХГ2НМФЦЛ, для великогабаритних відливок повинно забезпечити значну економію за рахунок зниження матеріалоємності і трудомісткості на їх виготовлення, розмір якого буде залежати від обсягу виробництва лито-зварних конструкцій на відповідних машинобудівних підприємствах.