Високоміцна сталь

Високоміцна сталь, вміщуюча вуглець, кремній, сірку, марганець, хром, ванадій, титан, нікель, молібден, бор, алюміній, решта залізо, яка відрізняється тим, що додатково вміщує ніобій і азот при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: 28779 молібден, Mo ванадій, V нікель, Ni ніобій, Nb титан, Ті бор, В алюміній, Al азот, N Причому 0,15-0,25 0,03-0,08 0,01-0,20 0,01-0,02 0,01-0,03 0,0005-0,0050 0,02-0,06 0,005-0,015 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 бор у 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 даного рівня прогартовуваності сталі, а верхній рівень - (0,03% і 0,06%) 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 (0015%) - необхідний для забезпечення заданого рівня пластичності і прогартовуваності сталі. Для забезпечення повного зв'язування азоту в нітриди типу TiN і AIN y результаті протікання реакції: [Ti] + [N] = TiN N £ 0,039 10 ´ Ti + Al Ti ´ B ³ 0,0040 . N Домішки: фосфор до 0,025%, мідь до 0,20%. Приведені сполучення легуючи х елементів дозволяють отримати в запропонованій сталі (листи товщиною до 40 мм), після термопокращення (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 карбонітридостворюючі елементи запроваджуються в композицію даної сталі з ціллю забезпечення дрібнодисперсної зеренної структури, що дозволяє підвищити як рівень її міцності, так і забезпечити заданий рівень пластичності. При цьому ніобій управляє процесом в аустенітній галузі (визначає схильність до зросту зерна аустеніту, стабілізує стр уктуру при термомеханічній обробці, підвищує температуру рекристалізації і, як слідство, впливає на характер g-a-перетворювання), в той час як вплив ванадію проявляється при температурах нижче А1, таж як саме в цій галузі знаходиться інтервал інтенсивного виділення карбонітриду ванадію. Ванадій сприяє також зміцненню сталі при термополіпшенні. Верхня межа вмісту вуглецю (0,21%), ванадію (0,08%) і ніобію (0,02%) зумовлена необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижня - (відповідно 0,12%, 0,03% і 0,01%) - забезпеченням потрібного рівня міцності даної сталі. Марганець, хром і молібден використовуються з однієї 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 1,0% Mn, 0,65% Cr, 0,25% Мо) визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності сталі, а нижній - (відповідно 0,70% Mn, 0,40% Cr, 0,15% Мо), необхідністю забезпечити потрібний рівень міцності і прогартовуваності сталі. Нікель у заданих межах визначається необхідністю забезпечення потрібного рівня прогартовуваності і пластичності сталі. Кремній відноситься до феритостворюючих елементів. Нижній рівень кремнію - 0,20% зумовлений технологією розкислення сталі. Вміст кремнію вище 0,35% несприятливо позначиться на характеристиках пластичності сталі. Сірка визначає рівень пластичності сталі. Верхній рівень зумовлений необхідністю забезпечення потрібного рівня пластичності і в'язкості сталі, а нижній рівень - питаннями технологічності виробництва. [Al ] + [N] = AlN потрібно виконання наступного співвідношення N елементів: £ 0,039 у протилежному ви10 ´ Ti + Al падку не забезпечується захист бору від зв'язування його в нітриди і різко знижуються характеристики прогартовуваності сталі. Ti ´ B Співвідношення ³ 0,0040 визначає умоN ви зберігання в сталі більше 50% ефективного бору, що забезпечує задані властивості прогартовуваності сталі. Порівнюючий аналіз з прототипом дозволяє зробити висновок, що запропонований склад відрізняється від відомого відсутністю нікелю і цирконію і уводом нових компонентів - ніобію та азоту, а N також співвідношеннями: £ 0,039 , 10 ´ Ti + Al Ti ´ B ³ 0,0040 . N Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає критерію "новина". Аналіз патентної та науково-технічної інформації не виявив рішень, маючих аналогічно сукупні ознаки, якими досягався б подібний ефект - підвищення характеристик прогартовуваності сталі. Отже, запропонована сукупність ознак відповідає критерієві "істотні ознаки". Нижче надані приклади здійснювання запропонованого винаходу, не виводячи інших в об'ємі формули винаходу. В експериментальних умовах в 60-кг відкритій індукційній печі вплавлено 10 плавок дослідних марок сталі, хімічний склад яких надано в табл. 1. Сталь розливали на 3 злитки вагою по 17 кг, які далі кували на сутунку поперечним перерізом 70´70 мм. Потім сутунки прокатували на лист товщиною 14 мм. З листа виготовляли заготівки зразків розміром 14´14´300 мм, котрі у подальшому пройшли термічну обробку в лабораторних пе2 28779 чах типу СНЗ по наступних режимах: гартування від 950°С з витримкою 50 хвилин і охолодженням в воді. Відпуску при температурі 630°С з витримкою 30 хвилин. Товщина заготівки і режими охолодження при гартуванні забезпечували крізне прогартовування заготівок. Ме ханічні 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 реєстрацією деформації. Швидкість навантаження зразка – 5 мм/хв. Визначали характеристики міцності sb і s0,2 і пластичності - d5 і j. Середні значення характеристик підраховували за результатами випробувань не менше трьох зразків на точку. Значущість відмінностей середніх значень величин, які аналізували, оцінювали з використанням критерію Стьюдента, вираховували наступним чином: (M1 - M2 ) £ t 0,05 (a) t= KR 2 S1 + S 2 2 ( ставився на спеціальну графітову платівку. Зразок нагрівався у камерній печі до 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 30 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 води 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. Шорсткуватість поверхні площин була не більше 7-го класу чистоти відповідно до ГОСТ 2789. Не допускались прогари, викликаючі структурні зміни металу. Для побудови кривої прогартовуваності сталі вимір твердості начинали 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 відмірювання твердості на площині, на якій були зроблені виміри, площину перешліфовували. Глибина зйомку металу при повторному шліфуванні складала 0,1¸0,2 мм. Твердість відзначали по Роквелу (HRC) у відповідності до вимог ГОСТ 9013. Для кожної пари точок, які знаходяться на однаковій відстані від торця зразка на двох протилежних площинах, вираховували середнє арифметичне значення твердості. Ме ханічні властивості приведені в табл. 2. Як видно з табл. 2, запропонована сталь у порівнянні з відомою має більш високі властивості прогартовуваності. ) де: М1 і М2 - середні значення порівнюваних величин; S12 і S 22 - дисперсії середнього; tKR0,05(a) - критичне значення критерію Стьюдента при рівні значущості 0,95 і числі ступенів свободи - a. Визначення характеристик прогартовуваності (критичний діаметр Д50) проводили методом торцевого гартування циліндричних зразків діаметром 25,0 мм і довжиною 100 мм із заплічками, відповідно ГОСТ 5657. Перед виготовленням зразка заготівки пройшли термічну обробку у камерних печах за наступним режимом: 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 захисної атмосфери) проводили в спеціальних стаканах. Торець зразка Джерела інформації 1. Авторське свідоцтво СРСР № 1406208, С22С38/54, 30.10.1986 р. 2. Авторське свідоцтво СРСР № 768849, С22С38/54, 06.03.1978 р. (прототип). 3 0,16 0,18 0,20 0,20 0,19 0,22 0,20 0,14 0,19 0,19 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C 1 Плавки 4 0,90 0,90 0,80 0,65 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 Mn 0,25 0,30 0,28 0,25 0,19 0,20 0,25 0,30 0,25 0,20 Si 0,011 0,010 0,011 0,010 0,012 0,010 0,008 0,009 0,011 0,010 S 0,50 0,08 0,09 0,07 0,05 0,08 0,09 0,04 0,05 0,02 Ni 0,80 0,35 0,50 0,70 0,60 0,55 0,60 0,55 0,50 0,45 Cr 0,20 0,25 0,12 0,10 0,15 0,25 0,22 0,19 0,20 0,15 Mo Nb Zr 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,009 0,008 0,010 0,009 0,007 N 0,04 0,06 0,08 0,02 0,03 0,02 Відома сталь 0,01 0,01 0,02 0,01 0,013 0,015 0,012 0,008 За межами запропонованого 0,08 0,05 0,07 0,05 0,03 Запропонована сталь V Вміст елементів, ма. % 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,003 0,003 0,002 0,002 0,001 B Хімічний склад запропонованої і відомої сталі 0,025 0,01 0,02 0,01 0,01 0,030 0,022 0,025 0,020 0,029 Ti 0,02 0,02 0,03 0,03 0,02 0,060 0,055 0,050 0,035 0,020 Al 0,002 Ca ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. ост. Fe 0,108 0,065 0,092 0,075 0,025 0,029 0,033 0,038 0,023 N/(10Ti +Al) 0,0008 0,0013 0,0008 0,0011 0,0100 0,0083 0,0050 0,0044 0,0041 (TixB)/N Таблиця 1 28779 Тимчасова міцність, s6, МПа 770 790 810 810 780 880 790 680 790 850 Плавки 1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 10 760 700 750 710 800 710 740 730 710 700 Відносне подовження, d5, % 15,0 Відома сталь 18,0 20,0 17,0 16,0 За межами запропонованого 18,5 17,0 17,0 18,0 19,0 Запропонована сталь Межа текучості, s0,2 , МПа 42,0 46,0 52,0 48,0 45,0 50,0 46,0 47,0 48,0 51,0 Відносне звуження, j, % Механічні властивості запропонованої і відомої сталі 13,7 11,2 10,1 8,2 12,6 39,6 37,2 34,9 26,6 20,5 Критичний діаметр, Д50, мм Таблиця 2 28779 28779 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 6