Легована вуглецева сталь і спосіб виготовлення високоміцної, корозійностійкої, пластичної легованої вуглецевої сталі

1. Легована вуглецева сталь, що має температуру початку мартенситного перетворення принаймні 300°С і містить мартенситно-аустенітні зерна величиною не більше 10 мікрон у діаметрі, де кожне зерно охоплене аустенітною оболонкою і має мікроструктуру, що складається із рейок мартенситу, які чергуються з тонкими плівками аустеніту, однорідно орієнтованими по всьому зазначеному зерну. 2. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що температура початку мартенситного перетворення складає принаймні 350°С. 3. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона містить максимум 0,35 мас. % вуглецю. 4. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що мартенситно-аустенітні зерна мають величину від 1 до 10 мікрон. 5. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що містить приблизно від 1 мас. % компонентів, вибраних із групи, що складається із нікелю і марганцю. 6. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що містить, мас. %: приблизно від 0,05 до 0,33 вуглецю, від 0,5 до 12 хрому, від 0,25 до 5 нікелю, від 0,26 до 6 марганцю і менше 1 кремнію. 7. Спосіб виготовлення високоміцної, корозійностійкої, пластичної легованої вуглецевої сталі, який включає: C2 2 (19) 1 3 75501 4 них сталей для створення мікроструктур, що надок так званого "самовідпуску". У цитованому видають сталі особливих фізичних і хімічних властище патенті США №6,273,968 зазначається, що востей. самовідпуску можна уникнути, якщо обмежувати Леговані сталі високої міцності, ударної в'язковибір легувальних елементів так, щоб температусті і здатності до холодного формування, мікрора Ms початку утворення мартенситу була на рівні структури яких являють собою суміші мартенситне нижче 350°С. У деяких сплавах карбіди, утвоної й аустенітної фаз, описані в перелічених нижче рені внаслідок самовідпуску, додають матеріалу патентах США, включених тут в усій їхній повноті ударної в'язкості, у той час як в інших сталях каршляхом посилання: біди цю в'язкість обмежують. 4,170,497 (Gareth Thomas, Bangaru V.N. Rao), Дислокована рейкова структура дає високомівиданий 9 жовтня 1979 p. за заявкою від 24 серпня цну сталь, що є як в'язкою, так і ковкою - якості, що 1977p.; необхідна для забезпечення стійкості до розтріс4,170,499 (Gareth Thomas, Bangaru V.N. Rao), кування і достатньої здатності до формування, а виданий 9 жовтня 1979p. за заявкою від 14 вересотже й успішного виготовлення елементів механіня 1978p., що частково продовжує вищезазначену чних конструкцій із цієї сталі. Одним із найбільш заявку, подану 24 серпня 1977р.; ефективних засобів одержання потрібних рівнів 4,619,714 (Gareth Thomas, Jae-Hwan Ahn, міцності і ударної в'язкості є регулювання мартенNack-Joon Kim), виданий 28 жовтня 1986p. за заяситної фази таким чином, щоб створювати дисловкою від 29 листопада 1984p., що частково продоковану рейкову, а не двійникову структуру зі збевжує заяку від 6 серпня 1984p.; реженими в ній тонкими плівками аустеніту, що 4,671,827 (Gareth Thomas, Nack J. Kim, надають матеріалу ковкості і здатності до формуRamamoorthy Ramesh), виданий 9 червня 1987p. вання. Для того щоб отримати таку дислоковану за заявкою, поданою 11 жовтня 1985p.; рейкову мікроструктуру, а не менш бажану двійни6,273,968 ВI (Gareth Thomas), виданий 14 серкову структуру, потрібно ретельно підібрати склад пня 2001р. за заявкою, поданою 28 березня 2000р. сталі, що, в свою чергу, впливає на величину Ms. Мікроструктура відіграє ключову роль у визнаСтабільність аустеніту в дислокованій рейковій ченні властивостей легованої сталі, міцність і удамікроструктурі є одним із чинників, що визначають рна в'язкість якої залежить, таким чином, не тільки здатність сплаву зберігати свою ударну в'язкість, від вибору і кількості легувальних елементів, але особливо коли цей сплав працює у важких механітакож від наявних у ній кристалічних фаз та їх упочних і навколишніх умовах. У певних умовах аусрядкування. Сталі, призначені для застосування у теніт є нестабільним при температурах вище припевних навколишніх умовах експлуатації, потреблизно 300°С, схиляючись до перетворення на бують більшої міцності і пластичності, а в загалькарбідні виділення, що роблять сплав відносно ному випадку - об'єднання в собі властивостей, крихким і знижують його здатність протистояти часто взаємносуперечливих, оскільки одні легувамеханічним напругам. Ця нестабільність є однією з льні елементи, що сприяють одній властивості, проблем, що вирішуються даним винаходом. можуть погіршувати іншу властивість. Авторами було виявлено, що зерна структури У перелічених вище патентах описані вуглевуглецевої легованої сталі з описаною вище дисцеві леговані сталі, мікроструктури яких складалокованою рейковою мікроструктурою схильні ються із рейок мартенситу, що чергуються з тонутворювати декілька ділянок в межах структури кими плівками аустеніту. У деяких випадках одного зерна, що за своєю орієнтацією відрізнямартенсит містить дисперговані в ньому зерна ються від плівок аустеніту. Під час деформування карбідів, утворених внаслідок самовідпуску. Струквнаслідок перетворення, що супроводжує утвотура, в котрій рейки однієї фази розділяються тонрення дислокованої рейкової структури, у кристакими плівками іншої фази, зветься "дислокованою лічній структурі аустеніту на різних ділянках відбурейковою" структурою й утворюється процесом вається зсув у різних площинах характеристичної обробки, першою стадією якого є нагрів сплаву до для аустеніту гранецетрованої кубічної (г.ц.к.) реобласті аустеніту, за чим йде охолодження сплаву шітки. Не обмежуючись цим лише поясненням, до рівня нижче температури Ms початку утворення автори вважають, що це зумовлює утворення мармартенситу, тобто температури, при котрій уперше тенситної фази внаслідок зсуву в різних напрямках починає утворюватися мартенситна фаза, у темпо зерну і утворення в результаті цього ділянок, де пературний діапазон, у котрому аустеніт перетвоаустенітні плівки орієнтовані під загальним кутом у рюється на пакети, що містять мартенситні рейки, межах кожної ділянки, але під різними кутами на розділені тонкими плівками неперетвореного, старізних ділянках. Кристалічна структура аустеніту білізованого аустеніту. Цей процес супроводжудозволяє утворюватися чотирьом таким ділянкам ється стандартною металургійною обробкою, таз різними кутами. Внаслідок такого зосередження кою як лиття, термообробка, вальцювання і ділянок утворюються кристалічні структури, в коткуванням, для надання виробу бажаної форми і рих аустенітні плівки мають обмежену стабільполіпшення структури із рейок і плівок, що чергуність. Слід зауважити, що самі зерна при цьому є ються між собою. Така мікроструктура є кращою за замкнутими в аустенітних оболонках по їхніх міжальтернативну їй двійникову мартенситну структузернинних межах, а внутрішньозернові ділянки з ру, оскільки рейкова структура має більшу ударну різними орієнтаціями аустенітних плівок не є зав'язкість. У перелічених вище патентах також замкнутими в аустеніті. значається, що надлишок вуглецю на рейкових Крім того, було встановлено, що мартенситноділянках у процесі охолодження виділяється, аустенітні зерна з дислокованою рейковою струкутворюючи цементит (карбід заліза Fe3С) внаслітурою, де аустенітні плівки мають єдину орієнта 5 75501 6 цію, можна одержувати шляхом обмеження розмізначено вище), азоту, марганцю, нікелю, міді і цинру зерна величиною 10 мікронів і що вуглецеві ку. Особливо кращими серед цих аустенітлеговані сталі з такими зернами мають більшу стабілізуючих елементів є марганець і нікель. При стабільність після обробки їх високими температунаявності нікелю концентрація його в кращому рами і механічним деформуванням. Таким чином, варіанті лежить у межах, приблизно, від об'єктом даного винаходу є вуглецеві леговані 0,25%(мас.) до 5%(мас), а при наявності марганцю сталі, що містять зерна з дислокованою рейковою концентрація останнього лежить у межах, приблимікроструктурою, кожна з яких має свою, відмінну зно, від 0,25%(мас.) до 6%(мас). У багатьох випадвід інших орієнтацію аустенітних плівок, тобто коках здійснення даного винаходу як легувальний жне зерно являє собою один єдиний варіант диселемент використовують також хром, концентралокованої рейкової мікроструктури. цію якого бажано витримувати в межах, приблизОб'єктом даного винаходу є також спосіб одено, від 0,5%(мас.) до 12%(мас). Отже наявність і ржання таких мікроструктур шляхом витримування вміст кожного з легувальних елементів може (аустенізації) композиції сплаву при температурі, впливати на температуру початку мартенситного що цілком переводить залізо в аустенітну фазу, а перетворення сплаву і, як зазначено вище, придавсі легувальні елементи - в розчин, з наступною за тними для застосування згідно з даним винаходом цим деформацією аустенітної фази при витримує сплави, температура початку мартенситного певанні цієї фази при температурі, трохи вищій темретворення яких складає принаймні 350°С. Відпоператури рекристалізації її аустеніту, для утворенвідно до цього, добір легувальних елементів та їх ня дрібних зерен розміром до 10 мікронів. Слідом кількостей потрібно робити, враховуючи це обмеза цим йде швидке охолодження аустенітної фази ження. Легувальним елементом, що в найбільшодо температури початку мартенситного перетвому ступені впливає на температуру початку маррювання на дислоковану рейкову мікроструктуру. тенситного перетворення, є вуглець, і обмеження При цьому останню стадію охолодження у кращовмісту вуглецю максимальним рівнем 0,35%(мас.) му варіанті проводять зі швидкістю, достатньо веу загальному випадку забезпечує обмеження темликою для того, щоб уникнути утворення бейніту і ператури початку мартенситного перетворення перліту, а також будь-яких виділень уздовж меж бажаним діапазоном. До складу сталі можуть бути між фазами. Утворювана в результаті мікроструквключені також інші легувальні елементи, такі як тура складається із індивідуальних зерен, обмемолібден, титан, ніобій та алюміній, у кількостях, жених оболонками аустеніту, де кожне зерно має достатніх для того, щоб служити як центри зарододноваріантну орієнтацію дислокованих рейок, а коутворення і одержання дрібнозернистої структуне багатоваріантну орієнтацію, що обмежує стабіри, але в достатньо малих концентраціях, щоб не льність аустеніту. Підходящими для використання впливати негативно на властивості виробленого за в даному винаході композиціями сплавів є такі, що їх участі сплаву. дозволяють утворюватися дислокованій рейковій Кращі сплави згідно з даним винаходом, крім структурі при обробці описаного типу. Легувальні того, практично не містять карбідів. Вираз "практиелементи та їх кількості в цих композиціях вибично не містять карбідів" тут означає, що в разі фараються в розрахунку на одержання температури ктичної наявності в сталі певного вмісту карбідів Ms початку мартенситного перетворення на рівні розподіл і кількість цих виділень є такими, що карпринаймні 300°С, і краще, якщо принаймні 350°С. біди чинять зневажливо малий вплив на робочі Фіг.1. Мікроструктура відомих сплавів. характеристики і, особливо, на корозійні характеФіг.2. Мікроструктура сплавів за даним винаристики виробленого сплаву. В разі їх наявності ходом. карбіди існують у формі виділень, включених у Для забезпечення можливості утворення дискристалічну структуру, і негативний вплив їх на локованої рейкової мікроструктури композиція робочі характеристики сплаву буде зведений до сплаву повинна бути такою, щоб її температура Ms мінімуму, якщо розмір цих виділень не буде перескладала приблизно 300°С і вище, а в кращому вищувати 500Å. Особливо бажаним є уникнути варіанті - приблизно 350°С і вище. Серед легувавиділень уздовж міжфазових меж. льних елементів, які в загальному випадку всі Як зазначалося вище, мартенситно-аустенітні впливають на Ms, найсильніше на Ms діє вуглець, і зерна з одноваріантною дислокованою рейковою для обмеження Ms бажаним рівнем можна просто мікроструктурою, тобто з рейками мартенситу і обмежити вміст вуглецю в сплаві максимальним плівками аустеніту, орієнтованими в межах одного рівнем 0,35%(мас). У кращих варіантах здійснення зерна в єдиному напрямку, утворюються шляхом винаходу вміст вуглецю лежить у межах, приблиззменшення розміру зерна до 10 мікронів і менше. но, від 0,03%(мас.) до 0,35%(мас), а в ще кращих У кращому варіанті розмір зерна лежить у межах, приблизно від 0,05%(мас.) до 0,33%(мас). приблизно, від 1 мікрона до 10 мікронів, а в найБажано також, щоб композиція сплаву вибикращому - в межах, приблизно, від 5 мікронів до 9 ралася в розрахунку на уникнення утворення фемікронів. риту під час початкового охолодження сплаву від Хоча даний винахід поширюється на сплави з аустенітної фази, тобто уникнення утворення зеописаною вище мікроструктурою незалежно від рен фериту перед подальшим охолодженням аусметалургійної обробки, застосовуваної для одертеніту для утворення дислокованої рейкової мікрожання такої мікроструктури, все ж певні способи структури. Бажано також до композиції сплаву обробки є згідно з даним винаходом кращими. До включати один і більше легувальних елементів із числа кращих способів обробки належить, передугрупи стабілізації аустеніту, що складається із вугсім, комбінування підходящих компонентів, потріблецю (можливо вже включеного до складу, як заних для виготовлення сплаву бажаного складу, 7 75501 8 слідом за чим стоїть гомогенізація (томління) сталі поблизу або трохи нижче температури рекристаліпротягом часу і при температурі, достатніх для зації аустеніту, після чого ще раз гартують для одержання однорідної аустенітної структури з усіодержання або повернення до дислокованої рейма елементами і компонентами у стані твердого кової мікроструктури. Температура повторного розчину. При цьому використовувана температура нагріву лежить у межах, переважно, 50°С від темповинна бути вищою температури рекристалізації ператури рекристалізації аустеніту і складає, нааустеніту, яка може залежати від складу вихідного приклад, приблизно 870°С. матеріалу і, в загальному випадку, легко визначаУ кращих варіантах здійснення винаходу статися фахівцями в даній галузі. Кращі результати дію гартування в усіх описаних вище процесах більшою частиною досягаються, якщо томління проводять зі швидкістю охолодження, достатньо проводять при температурах у межах від 1050°С великою для того, щоб уникнути утворення карбіддо 1200°С. У разі потреби вироблюваний сплав них виділень, таких як бейніт і перліт, а також нітможе при цій температурі піддаватися обробці ридних і карбонітридних виділень, залежно від вальцюванням, куванням або тій та іншій. складу сталі, як і утворення будь-яких виділень По завершенню гомогенізації сплав піддають уздовж міжфазових меж. Використовувані тут теркомбінованій обробці охолодженням і зменшенням міни "міжфазове виділення" і "міжфазові виділензерна до бажаного розміру, який згідно із зазначеня" означають виділення уздовж меж фаз і стосуним вище становить 10 мікронів або менше, приються утворення дрібних включень сполук у місцях чому кращими є якомога вужчі діапазони розміру між мартенситною й аустенітною фазами, тобто зерна. Зменшення розміру зерна може проводитиміж рейками і тонкими плівками, що розділяють ці ся постадійно, але завершальне зменшення зерна рейки. Термін "міжфазові виділення" до самих аусзвичайно досягається при проміжній температурі, тенітних плівок відношення не мають. Утворення що є вищою, але при цьому близькою до темперавсіх цих різноманітних типів виділень, включаючи тури рекристалізації аустеніту. У кращому варіанті бейнітні, перлітні, нітридні і карбонітридні виділенздійснення цього процесу сплав спочатку піддають ня, а також міжфазові виділення, узагальнені тут вальцюванню (тобто динамічній рекристалізації) під назвою "самовідпуск". при температурі гомогенізації, після чого його охоМінімальні швидкості охолодження, потрібні лоджують до проміжної температури і знов вальдля уникнення явища самовідпуску, легко визнацюють для подальшої динамічної рекристалізації. чаються за діаграмою "температура перетворення Для вуглецевих легованих сталей за даним вина- час" для даної сталі. Уздовж вертикальної осі цієї ходом ця проміжна температура в загальному видіаграми відкладена температура, а уздовж горипадку лежить між температурою рекристалізації зонтальної осі - час. Криві такої діаграми окресаустеніту і температурою на 50°С вище темпералюють області, де кожна з фаз існує сама по собі тури рекристалізації аустеніту. Для зазначених або у сполученні з іншою фазою або фазами. Діавище кращих складів вихідного матеріалу темпеграми такого типу показані в цитованому вище ратура рекристалізації аустеніту становить, прибпатенті США №6,273,968 В1 (Thomas). На таких лизно, 900°С, а температура, до котрої сталь оходіаграмах мінімальна швидкість охолодження лоджується на цій стадії, лежить у межах, окреслює діагональну лінію зниження температури приблизно, від 900°С до 950°С, а в найкращому в часі, яка прилягає до лівої сторони С-подібної варіанті - в межах, приблизно, від 900°С до 925°С. кривої. Справа від цієї кривої лежить область наяДинамічна рекристалізація при цьому здійснюєтьвності карбідів. Отже прийнятні швидкості охолося за допомогою таких звичайних засобів, як контдження проходять по лініях, що залишаються злірольоване вальцювання, кування або те й інше. ва від кривої, причому лінія найнижчої швидкості Зменшення зерна при вальцюванні досягає 10% і має найменшу крутизну і прилягає до кривої. більше і в більшості випадків складає, приблизно, Залежно від композиції сплаву швидкість оховід 30% до 60%. лодження, достатньо велика для задоволення Після того, як досягається бажаний розмір зезазначеної вимоги, може потребувати для її досягрна, сплав піддають гартуванню від температури нення охолодження водою або досягатися при вище температури рекристалізації аустеніту до Ms охолодженні повітрям. У загальному випадку якщо через область мартенситного перетворення крисвміст певних легувальних елементів у складі сталі, талів аустеніту на дислоковану пакетну рейкову що охолоджується повітрям і має достатньо висомікроструктуру. Утворювані при цьому пакети є ку швидкість охолодження, є зниженим, то для приблизно такого самого малого розміру, що й утримання здатності сталі до охолодження повітзерна аустеніту, утворені на стадіях вальцювання, рям потрібно піднімати рівні інших легувальних але аустеніт, що залишився в цих зернах, має фоелементів. Наприклад, зниження вмісту одного з рму тонких плівок, що подібно оболонці охоплютаких легувальних елементів, як вуглець, хром або ють кожне зерно. Як зазначалося вище, малий кремній, може компенсуватися підвищенням рівня розмір зерна дозволяє лише на один варіант орієтакого елементу, як марганець. Проте, які б регунтації тонкоплівкового аустеніту. лювання тих чи інших легувальних елементів не Окрім методу динамічної рекристалізації, змепроводилися, кінцевий склад композиції сплаву ншення розміру зерна може здійснюватися шляповинний бути таким, при якому температура Ms хом подвійної термообробки, при котрій бажаний була б вищою рівня 300°С, а в кращому варіанті розмір зерна досягається за допомогою тільки вищою рівня 350°С. термічної обробки. При застосуванні цього спосоСпособи й умови обробки, зазначені в цитовабу сплав гартують, як описано у попередньому них вище патентах США, можуть використовувапараграфі, потім знов нагрівають до температури тися при практичному здійсненні даного винаходу 9 75501 10 на таких стадіях, як нагрів вихідного матеріалу до технічних рішень. На Фіг.1 показане зерно 11, що аустенітної фази, охолодження сплаву при контмає дислоковану рейкову структуру згідно з поперольованому вальцюванні або куванні, для досягреднім рівнем техніки. Це зерно містить чотири нення бажаного обтиску і розміру зерна і на стадії внутрішні ділянки 12, 13, 14 і 15, кожна з яких гартування аустенітних зерен в області мартенсискладається із дислокованих рейок 16 мартенситу, тного перетворення для одержання дислокованої розділених тонкими плівками 17 аустеніту, де аусрейкової структури. До числа цих процесів налетенітні плівки кожної з ділянок мають орієнтацію, жать лиття, термообробка і гаряча механічна обвідмінну від орієнтації аустенітних плівок інших робка сплаву, наприклад, кування або вальцюванділянок (тобто є різноваріантними). Отже, в цій ня, і фінішна обробка при контрольованій дислокованій рейковій мікроструктурі суміжні ділятемпературі для оптимального зменшення розміру нки мають розривність. Зовні зерно охоплюється зерна. Контрольоване вальцювання несе декілька аустенітною оболонкою 18, а межі між ділянками функцій, включаючи сприяння дифузії легувальних 19 (показані штриховими лініями) не зайняті будьелементів для утворення гомогенної кристалічної якою дискретною кристалічною структурою видіфази аустеніту і сприяння зберіганню енергії делень і не дають картини чіткого переходу від одноформації в зернах. На стадіях гартування контрого варіанта до іншого. льоване вальцювання заводить заново створюваНа Фіг.2 відображені два зерна, 21 і 22, за дану мартенситну фазу в дислоковане ним винаходом, кожне з яких складається із дисупорядкування мартенситних рейок, розділених локованих рейок 23 мартенситу, розділених тонтонкими плівками залишкового аустеніту. Ступінь кими плівками 24 аустеніту лише в одному варіанті обтиску при вальцюванні може бути різним і легко орієнтації останніх, і має також зовнішню аустенітвизначається фахівцем. Гартування бажано прону оболонку 25. Орієнтація одного зерна 21 відрізводити за якомога вищої швидкості охолодження няється від орієнтації іншого зерна 22, але в кождля уникнення бейнітних, перлітних і міжфазових ному зерні вона має лише один варіант. виділень. У дислокованих мартенситноВсе викладене вище має виключно ілюстратиаустенітних рейкових кристалах залишкові аустевне призначення і жодним чином не обмежує іннітні плівки повинні складати, приблизно, від 0,5% ших варіантів і модифікацій різноманітних парамедо 15% об'єму мікроструктури, краще - від 3% до трів вихідного матеріалу, а також способів і умов 10%, і найкраще - максимум 5% об'єму мікрострукобробки, що можуть бути втілені фахівцями в датури. ній галузі в рамках базової і нової концепцій даноПорівняння Фіг.1 і 2 дозволяє наглядно ілюстго винаходу, окреслених наведеною нижче його рувати відмінність даного винаходу від попередніх формулою. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 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