СТАЛЬ Российский патент 1995 года по МПК C22C38/28 C22C38/34 C22C38/50 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сталей, и касается высокопрочной низколегированной среднеуглеродистой мартенситной стали.

Сталь может быть использована в машиностроении для ковочно-штамповочного и прокатного оборудования, деталей несущих конструкций авиационной техники и различных видов транспорта, а также для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, работающих в различных силовых режимах: от повторно-статических или циклических до ударных высокоскоростных нагрузок.

Известна высокопрочная низколегированная мартенситная сталь, содержащая, мас. % : углерод 0,35; кремний 0,5; марганец 1,00-1,80; никель 0,00-1,50; хром 1,80-2,20; молибден 0,40-0,70; алюминий 0,025-0,05.

Оптимальные механические свойства материала в изделиях (трубах) обеспечиваются прокаткой (температура окончания от 750 до 1080^оС) и последующим охлаждением на воздухе.

Однако стали такого состава не обеспечивают уровня прочности и ударной вязкости, достаточных для создания ряда современных и перспективных конструкций, вследствие недостаточно высокого содержания углерода.

Известен другой состав стали, содержащий следующие элементы, мас.%: углерод 0,3-0,75; кремний 1,0-1,4; марганец 0,5-1,5; хром 0,1-2,0; никель менее 2,0.

Оптимальные свойства материала достигаются посредством термической обработки, которая позволяет ограничить содержание остаточного аустенита верхним пределом 10%.

Однако и эта сталь имеет недостаточно высокие характеристики прочности и трещиностойкости из-за ограничений совокупному содержанию углерода, кремния, никеля.

Известна сталь с улучшенной поверхностью и характеристиками сужения в поперечном направлении, содержащая следующие элементы, мас. %: углерод 0,5-0,6; марганец 0,75-0,95, сера в обычных пределах; фосфор в обычных пределах; кремний 0,15-0,35; хром 0,85-1,15; никель 0,6-2,0; молибден 0,25-0,35; ванадий 0,0-0,3; алюминий 0,15-0,3; титан 0,0003-0,0075; остальное - железо с обычными примесями.

Однако и эта сталь, вследствие ограниченного легирования по кремнию, молибдену и никелю имеет пониженные характеристики ударной вязкости и поперечного сужения в продольном и поперечном направлениях в закаленном и высокоотпущенном состоянии (Т_{отпуска}=610^оС) и, следовательно, имеет ограниченные ресурсы пластичности при последующей деформационной обработке.

Задачей изобретения является создание такого химического состава высокопрочной низколегированной среднеуглеродистой мартенситной стали, который бы позволил использовать ее в качестве материала для изготовления высоконагруженных ответственных деталей, работающих в различных силовых режимах.

Эта задача решается тем, что высокопрочная низколегированная среднеуглеродистая мартенситная сталь, имеющая в своем составе углерод, марганец, кремний, хром, молибден, алюминий, титан и железо, согласно изобретению, содержит мас. % : Углерод 0,50-0,62 Марганец 0,42-0,82 Кремний 0,80-1,80 Хром 1,10-1,40 Молибден 0,15-0,60 Алюминий 0,02-0,15 Титан 0,02-012
Остальное железо и обычные примеси.

Такой химический состав высокопрочной низколегированной среднеуглеродистой мартенситной стали, позволяет получить материал, пригодный для использования в машиностроении для изготовления ковочно-штамповочного и прокатного оборудования, деталей несущих конструкций авиационной техники и различных видов транспорта, а также для изготовления ответственных высоконагруженных деталей, работающих в различных силовых режимах: от повторно-статических или циклических до ударных высокоскоростных нагрузок.

Возможно, чтобы сталь дополнительно содержала никель в пределах от 0 до 2,4 мас. %. Это способствует повышению вязкости и прокаливаемости стали. В случае, когда содержание указанного никеля находится в пределах от 1,65 до 2,0 мас. % , молибден должен содержаться в пределах от 0,35 до 0,60 мас.%. Это дает возможность сформировать достаточное количество упрочняющих теплостойких карбидных выделений и ограничивает возможность развития отпускной хрупкости.

Указанный кремний целесообразно выбрать в пределах от 1,1 до 1,4 мас.%. Это обеспечивает оптимальную кинетику и характер структурных изменений в процессе отпуска.

Высокопрочная низколегированная среднеуглеродистая мартенситная сталь может дополнительно содержать церий в пределах от 0 до 0,02 мас.%. Это позволяет дополнительно раскислить и десульфурировать сталь.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его осуществления, таблицами химического состава конкретных образцов и механическими характеристиками выплавленного материала.

На чертеже изображен график влияния содержания никеля в составе стали на ударную вязкость.

Патентуемая высокопрочная низколегированная среднеуглеродистая мартенситная сталь содержит указанные компоненты в предлагаемом соотношении.

Обычные примеси в сталях - это, как правило, сера, фосфор и медь. Суммарное содержание серы и фосфора при выплавке в электропечах обычно понижают до уровня меньше 0,035%. Содержание меди - меньше 0,03%.

В табл. 1 представлены только сера и фосфор.

Сталь с конкретным опытным составом, подтверждающим целесообразность выбора указанных пределов, представлена в табл. 1. Выплавку стали проводили по стандартной широко известной технологии в электропечах емкостью 18 т при температуре 1580-1600^оС, длительность плавки 4 ч. Обработку расплава алюминием, титаном проводили по окончании плавки перед выпуском стали.

После прокатки и обычной термической обработки образцы, представленные в табл. 1, обладают механическими характеристиками, указанными в табл. 2.

Углерод обеспечивает прочность и твердость, необходимые в условиях эксплуатации изделий, изготавливаемых из предлагаемой стали. Если содержание углерода превышает 0,62 мас.% (см. пример 13 в табл. 1 и 2), то значительно снижается поперечное сужение. Если углерода меньше 0,5 мас.% (см. примеры 10 и 15 в табл. 1 и 2), снижается временное сопротивление разрыву.

Марганец необходим для обеспечения прокаливаемости и подавления красноломкости в случае присутствия серы. Многолетний опыт эксплуатации сталей указанного типа позволяет выбрать содержание марганца в пределах 0,42-0,82 мас. %. Более высокое содержание марганца приводит к возникновению хрупкого растрескивания при деформационной обработке и эксплуатации деталей (см. пример 9 в табл. 1 и 2).

Кремний обеспечивает оптимальную кинетику и характер структурных изменений в процессе отпуска и рафинирование стали в процессе ее выплавки. Содержание кремния выше 2 мас.% увеличивает опасность образования неметаллических включений, присутствие которых в высокопрочных сталях вызывает снижение усталостной прочности. Содержание кремния выше 1,8 мас.% (см. пример 8 в табл. 1 и 2) приводит к охрупчиванию материала. Если кремния меньше 0,8 мас.% (см. пример 11 в табл. 1 и 2) существенно понижено временное сопротивление разрыву и пластичность стали. Таким образом, наилучшее сочетание свойств соответствует содержанию кремния в пределах 1,1-1,8 мас.% (см. примеры с 1 по 7 в табл. 1 и 2).

Хром повышает характеристики прочности стали в процессе термической обработки, способствует повышению прокаливаемости и формированию оптимальной мелкодисперсной структуры при упрочняющей обработке. Многолетний опыт эксплуатации сталей указанного типа позволяет выбрать содержание хрома в пределах от 1,1 до 1,4 мас.%. Более высокое содержание хрома приводит к снижению пластичности стали (см. пример 9 в табл. 1 и 2).

Молибден дает важный вклад в формирование упрочняющих теплостойких карбидных выделений, увеличивает прокаливаемость и подавляет отпускную хрупкость. Пределы легирования молибденом выбраны с учетом многолетнего опыта эксплуатации подобных материалов. Если молибдена меньше 0,35 мас.% (см. примеры 6, 8, 9, 10, 11 и 15 в табл. 1 и 2), или больше 0,6 мас.% (см. пример 12 в табл. 1 и 2), наступает заметное снижение характеристик пластичности и временного сопротивления разрыву.

Титан введен в состав предлагаемой стали в пределах от 0,02 до 0,12 мас. % как сильный карбидообразователь, улучшающий характеристики прочности и пластичности материала вследствие сдерживающего влияния титана на рост зерна, в основном, на стадии кристаллизации и, частично, при последующем горячем деформировании и термической обработке. Пределы легирования титаном выбраны на основании многолетнего практического опыта заявителей.

Алюминий вводят в пределах от 0,02 до 0,15 мас.% для раскисления предлагаемой стали и измельчения ее структуры. Пределы легирования алюминием также выбраны на основании многолетнего практического опыта заявителей.

В указанный состав стали может быть введен никель в пределах от 0 до 2,4 мас.% (состав и свойства стали, не содержащей никель представлены примером 9 в табл. 1 и 2). Все остальные конкретные примеры подтверждают целесообразность введения никеля в состав патентуемой стали.

Если никеля меньше 0,3 мас.%, наблюдают существенное снижение пластичности стали (см. пример 9, 12 в табл. 1 и 2).

Если никеля больше 2,0 мас.%, он продолжает оказывать благоприятное влияние на свойства стали, что чрезмерно увеличивает ее стоимость.

Если содержание никеля выбирают в пределах от 1,65 до 2,0 мас.%, то в этом случае содержание молибдена следует выбрать в пределах от 0,35 до 0,60 мас. % . Это также подтверждено конкретными примерами (см. примеры 7, 14 и 2-5 в табл. 1 и 2).

Влияние содержания никеля на ударную вязкость у заявленной стали показано в табл. 3 и на чертеже, из которой видно, что с ростом содержания никеля в составе стали происходит существенное возрастание одной из основных характеристик трещиностойкости материала - ударной вязкости.

Церий вводят в предлагаемую сталь в количестве от 0 до 0,05 мас.% с целью ее раскисления, десульфурации и измельчения структуры за счет образования тугоплавких соединений церия с кислородом и серой. Пределы легирования церием выбраны на основании многолетнего практического опыта заявителей (см. примеры 7, 13, 14 и с 2 по 5 в табл. 1 и 2). Дополнительную обработку церием проводят в ковше перед разливкой.

Таким образом, из анализа данных табл. 1 и 2 видно, что с увеличением содержания никеля и молибдена наблюдается рост временного сопротивления разрыву, характеристик пластичности и ударной вязкости.

Заявленная высокопрочная низколегированная среднеуглеродистая мартенситная сталь имеет следующие механические характеристики:
Временное сопро- тивление разрыву σ_в=2400-2800 МПа
Относительное удлинение σ =10-14% Твердость, HRC более 56 Ударная вяз- кость, KCU более 40 Дж/см²
Таким образом, по комплексу указанных характеристик патентуемая сталь превосходит известные применяемые стали данного класса в 1,5-2,0 раза. Ударная вязкость патентуемой стали сохраняется на достаточно высоком уровне при снижении температуры вплоть до -70^оС. Сталь находит применение в изделиях высокой прочности и износостойкости для различных отраслей машиностроения, в том числе дорожно-транспортного, например, инструмент для вскрытия дорожного покрытия, авиационного, например, силовые конструкции шасси самолета, строительного, сельскохозяйственного и текстильного, например, торсионы для ткацких станков, буровой техники, например, валы для турбобуров, штампового инструмента, а также различных изделий машиностроения с повышенными демпфирующими свойствами. По своим характеристикам патентуемая сталь не уступает мартенситно-стареющим сталям, но при этом превосходит их по удельной прочности.

Применение патентуемой стали позволяет значительно сократить расходы материалов на единицу изделия и применение остродефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, таких как кобальт, никель и др.

Использование: в качестве материала для изготовления высоконагруженных ответственных деталей, работающих в различных силовых режимах. Сталь содержит, мас. % : углерод 0,50-0,62; марганец 0,42-0,82; кремний 0,80-1,80; хром 1,10-1,40; молибден 0,15-0,60; алюминий 0,02-0,15; титан 0,02-0,12; железо - остальное. Сталь дополнительно может содержать никель до 2,4 мас.%: если никеля выбирают 1,65-2,0 мас.%, то содержание молибдена должно быть 0,35-0,60 мас. %. Содержание кремния может быть 1,1-1,4 мас. %. Сталь может также содержать церий в пределах до 0,02 мас.%. 4 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, молибден, алюминий, титан и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,50 - 0,62
Марганец - 0,42 - 0,82
Кремний - 0,80 - 1,80
Хром - 1,10 - 1,40
Молибден - 0,15 - 0,60
Алюминий - 0,02 - 0,15
Титан - 0,02 - 0,12
Железо - Остальное
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель в количестве до 2,4 мас.%. 3. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что она содержит никель в количестве 1,65 - 2,0 мас.%, а молибдена 0,35 - 0,60 мас.%. 4. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит кремний в количестве 1,1 - 1,8 мас.%. 5. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий в количестве до 0,02 мас.%.