ВЫСОКОПРОЧНАЯ, СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТЬЮ Российский патент 2008 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным свариваемым сталям, закаливающимся на воздухе, применение которых возможно в термоупрочненных сварных конструкциях и крупногабаритных изделиях.

Известна малоуглеродистая сталь (заявка Франции №2516942, МКИ⁴, С 22 С 38/41, 23.11.82), содержащая, мас.%:

углерод0,03-0,07кремний0,10-1,0марганец1,2-2,5хром1,8-3,0молибденне более 0,5ниобий, ванадий, титанв сумме 0-0,10железоостальное

Указанная сталь после закалки на воздухе имеет следующие механические свойства:

предел текучести (σ_0,2), Н/мм² - 600

предел прочности (σ_в), Н/мм² - 900

ударная вязкость при - 20°С, МДж/м² - 0,4.

Эта сталь хорошо сваривается, однако ее механические свойства при комнатной температуре и ударная вязкость при температуре минус 20 °С невысоки. Кроме того, для достижения указанных свойств из-за низкой устойчивости аустенита необходима закалка с ускоренным охлаждением в масле или воде, что приводит к короблению деталей и необходимости последующей правки.

Известна также низкоуглеродистая бейнитная сталь (заявка Японии №53-6613, кл. С 22 С 38/38, 1978), содержащая, мас.%:

углерод0,03-0,05хром0,3-3,0марганец0,1-0,8кальций0,01-0,03лантан0,005-0,1ниобий0,01-0,15ванадий0,01-0,20железоостальное

Указанная сталь имеет недостаточную прочность и ударную вязкость при пониженных температурах из-за низкой прокаливаемости при минимальном содержании углерода и легирующих элементов.

Таким образом, известные низкоуглеродистые стали для получения требуемых характеристик либо необходимо закаливать в жидкие охлаждающие среды, либо после охлаждения на воздухе получают изделия с бейнитной структурой, которая не обеспечивает высокий комплекс механических свойств при комнатной и пониженной температурах.

Перечисленные недостатки могут быть устранены использованием низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаливаемых охлаждением на воздухе. В качестве аналога (Патент РФ № 2009260 от 15 марта 1994 г.) выбрана сталь со следующим соотношением компонентов:

углерод0,06-0,12хром1,8-2,5марганец1,8-2,5редкоземельные элементы0,01-0,03ванадий0,01-0,13ниобий0,02-0,10азот0,001-0,25железоостальное.

Механические свойства данной стали: предел текучести (σ_0,2), Н/мм² - 530-870; предел прочности (σ_В), Н/мм² - 710-1000; ударная вязкость (KCV_-50) при - 50°С, кДж/м² - 940-390. Сталь имеет структуру пакетного низкоуглеродистого мартенсита, прокаливается на спокойном воздухе не менее 80 мм и сваривается без подогрева.

Таким образом, пакетный мартенсит, образующийся при охлаждении на воздухе, обеспечивает лучшие характеристики механических свойств низкоуглеродистой свариваемой стали, однако ее свойства могут быть повышены при сохранении того же типа структуры. Кроме того, недостатком данной стали является необходимость введения в ее состав азота, что усложняет технологический процесс.

В качестве прототипа выбрана сталь следующего химического состава (Патент № 1790622 от 22 сентября 1992 г.):

углерод0,10-0,16кремний0,2-0,42хром1,8-2,4марганец2,0 - 2,4никель1,0-1,5молибден0,4-0,6церий или кальций0,005-0,15ванадий0,08-0,12титан0,01-0,06железоостальное.

Указанный состав обеспечивает увеличение прокаливаемости и механических свойств, которые находятся в следующих пределах: предел текучести (σ_0,2), Н/мм² - 630-1130; предел прочности (σ_В), Н/мм² - 765-1350; ударная вязкость (KCV_-50) при - 50°С, кДж/м² - 600-350. Сталь сваривается без подогрева, имеет структуру пакетного низкоуглеродистого мартенсита и прокаливаемость на спокойном воздухе в сечениях более 150 мм.

Недостатки данной стали: относительно широкий интервал гарантируемых значений характеристик механических свойств и невысокие предельные значения. Это обусловлено тем, что только один из сильных карбидообразующих элементов (ванадий и титан) в заявленных интервалах варьирования упрочняет сталь по двум механизмам. Ванадий упрочняет сталь в результате обеспечения дисперсионного твердения и измельчения зерна (в меньшей степени), титан же - вследствие сохранения мелкого зерна. Для уменьшения интервалов изменения и повышения характеристик механических свойств предпочтительно реализовать нескольких механизмов упрочнения с учетом действия каждого элемента. Поэтому вместо титана в сталь необходимо вводить легирующий элемент (ниобий), обеспечивающий упрочнение как за счет измельчения характерных составляющих структуры, так и за счет дисперсионного твердения (в меньшей степени). Конкретное содержание компонентов и соотношение между ними определяли экспериментально.

Задачей изобретения является разработка свариваемой высокопрочной, вязкой низкоуглеродистой стали повышенной прокаливаемости с гарантированным обеспечением механических свойств в узком интервале значений и режимов ее термической обработки.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочная свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, никель, молибден, ванадий, титан, ниобий, кальций и/или церий, отличается тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%

углерод0,10-0,18кремний0,12-0,60хром2,0-3,0марганец2,0 - 2,4никель1,0-2,0молибден0,4-0,6церий и/или кальцийдо 0,15ванадий0,08-0,12титанменее 0,01ниобий0,05-0,10железоостальное,

при этом после закалки стали с прокатного нагрева после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита.

Составы, режимы термообработки и свойства сталей представлены в таблицах 1, 2.

В заявленном интервале значений состава и параметров термообработки в заданных пределах обеспечивается получение в заданных пределах комплекса свойств при отпуске ниже 550°С. При отпуске 650°С и более высоком не обеспечивается прочность (табл.2 пп.17, 18, 28, 29).

Из сопоставления с прототипом ясно, что изобретение позволяет получать более высокие и заданные в узких пределах характеристики механических свойств, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

Пример. Сталь предложенного состава выплавляли в индукционной печи, разливали на слитки весом 50 кг, ковали в прутки размером 30х30 мм. Содержание титана в каждой плавке было менее 0,01%. Температура нагрева под горячую обработку давлением находилась в пределах 1220-1100°С. После горячей обработки давлением заготовки охлаждали на воздухе. Механические свойства определяли на образцах, вырезанных механическими методами из прутков 30х30 мм. Термическая обработка включала закалку на воздухе и отпуск.

Таблица 1
Содержание ингредиентов и режимы термообработки образцов№Режим термообработкиСодержание элементов в % по массеСSiCrMnNiМоСа и/или СеVNb1Закалка на воздухе с прокатного нагрева выдержка при 20 °С, не менее 24 час0,100,122,02,021,010,410,005 Са0,080,0520,180,593,02,002,000,550,15 Са0,120,1030,130,392,22,211,240,500,006 Се0,100,0740,100,602,52,621,550,650,007 Се0,080,1050,190,102,02,01,00,40,18 Са+Се0,850,0560,110,122,12,231,140,510,006 Се0,080,057Прототип8Закалка с 1050°С, выдержка при 20 °С не менее 24 час         9Закалка с 980°С, выдержка при 20°С не менее 24 час10Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С не менее 24 час11Закалка с 930°С, выдержка при 20°С не менее 24 час0,100,122,02,021,010,410,0050,120,0512Закалка с 980°С, отпуск 300°С         13Закалка с 980°С, отпуск 250°С14Закалка с 980°С, отпуск 350°С15Закалка с 980 °С, отпуск 450°С16Закалка с 980°С, отпуск 550°С17Закалка с 980°С, отпуск 650°С18Закалка с 980°С, отпуск 700°С19Закалка с 1050°С выдержка при 20°С не менее 24 час        20Закалка с 980°С выдержка при 20°С не менее 24 час21Закалка с 950°С выдержка при 20°С не менее 24 час22Закалка с 930°С выдержка при 20°С не менее 24 час0,180,593,02,001,980,550,150,120,1023Закалка с 980°С, отпуск 300°С         24Закалка с 980°С, отпуск 250°С25Закалка с 980°С, отпуск 350°С26Закалка с 980°С, отпуск 450°С27Закалка с 980°С, отпуск 550°С28Закалка с 980°С, отпуск 650°С29Закалка с 980°С, отпуск 700°СПримечание. Продолжительность отпуска - 2 ч

Механические свойства термообработанных образцов из перечисленных в таблице 1 составов представлены в таблице 2.

Таблица 2
Механических свойств заявляемых составов в сравнении с прототипом№σ_Вσ_0,2δψKCU_-50KCU₊₂₀Режим термообработкиМПа%кДж/м²1138011501560770-1200Закалка с прокатного нагрева, выдержка при 20 °С, не менее 24 час2164013601357 90031630135013587509004135011301562 9805167013901251 7806139011601561-9507 Прототип1100-13501000-113013-
1750-68менее 700менее 800Закалка с 980°С, отпуск 560°С8137011451560-1050Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час91375115016627301040Закалка с 980 °С выдержка при 20 °С, не менее 24 час10137011401560-980Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час11128010501660-1130Закалка с 930 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час121375115015617501040Закалка с 980°С, отпуск 250°131370114515617401040Закалка с 980°С, отпуск 300°С141380116016617301000Закалка с 980°С, отпуск 350°С15138011651560715970Закалка с 980°С, отпуск 450°С161360114018657351010Закалка с 980°С, отпуск 550°С17102094019678501640Закалка с 980 °С, отпуск 650 °С18950820217512102030Закалка с 980 °С, отпуск 700 °С19160013301462-1010Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час201620140015617301000Закалка с 980°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час21161014001662-1015Закалка с 950°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час22160013801760^-1130Закалка с 930°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час231600139016617501105Закалка с 980°С, отпуск 250°С241595138516617401100Закалка с 980°С, отпуск 300°С251605139515607301080Закалка с 980°С, отпуск 350 °С26161014001460730960Закалка с 980 °С, отпуск 450°С27160013901762 990Закалка с 980°С, отпуск 550°С281320110019678501600Закалка с 980°С, отпуск 650°С291100910217512102030Закалка с 980°С, отпуск 700°С

Итак, предлагаемое изобретение в выбранных интервалах варьирования компонентов после закалки с прокатного нагрева, а также после закалки с температур 950-1050°С и отпуска в широких интервалах варьирования температуры, но не выше 550°С обеспечивает прочность и ударную вязкость выше, чем у прототипа. Закалка с температуры выше 1050 °С не приводит к улучшению механических свойств. Кроме того, следует отметить, что добавки кальция и церия не позволяют существенно повлиять на механические свойства.

Интервалы изменения характеристик механических свойств уже, чем у способа прототипа, что означает повышение надежности обеспечения заданных характеристик.

Свариваемость оценивали по склонности к образованию холодных и горячих трещин на стали с содержанием углерода 0,18% (состав №2 табл.1) при сварке специальных технологических проб и по уровню механических свойств металла шва и сварного соединения на составе с минимальным содержанием ингредиентов (№1 табл.1).

Склонность к образованию горячих трещин проверяли на пробах Холдкрофта (толщина 4 мм) и холодных трещин - на пробах 0'Нейля (толщина 12 мм). Пробы изготовлены из пластин, термоупрочненных с прокатного нагрева. Пробы Холдкрофта проплавляли без подогрева вольфрамовым электродом в среде аргона со скоростью сварки 15 и 30 м/час, сварку проб О'Нейля осуществляли без подогрева в среде CO₂ проволокой 10ХГСН2МТ ⊘ 1,2 мм. Трещины на пробах отсутствовали.

Прочность сварного соединения определяли по ГОСТ 6996-66 на разрывных образцах типа XXIV (металл шва) и типа XIII (сварное соединение). Образцы вырезаны из пластин, термоупрочненных с прокатного нагрева. Механические свойства представлены в таблице 3.

Таблица 3
Механических свойств сварного соединения стали заявляемого составаСварочный материалРежим термообработки после сваркиσKCV_шваKCV_зтвшвасоединения+20 °С-50 °С+20°С-50°СМПакДж/м²Св. 07ХГСНЗМДОтпуск 500°С, 3 час, воздух16001610780490790500Электрод 48Н15Без термообработки15951600780485780495

Прокаливаемость определяли на составах 1 и 2 (табл. 1) с минимальным и максимальным суммарным легированием на закаленных на воздухе образцах диаметром 100, 200, 250 мм при длине, равной диаметру. Твердость измеряли по диаметру образца, разрезанного посередине. На составе 1 она составила 45,5, а на составе 2 - 51 ед. HRC_э по диаметру образцов в сечениях 100 и 200 мм. В сечении 250 мм в середине диаметра образца на расстоянии 115 мм от края твердость снижалась на 2 ед. HRC_э. Следовательно, гарантированная прокаливаемость составляет 200 мм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным свариваемым сталям, закаливающимся на воздухе, применение которых возможно в термоупрочненных сварных конструкциях, крупногабаритных изделиях, а также в тех случаях, когда необходима минимизация изменений размеров и формы деталей при термообработке. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,18, кремний 0,12-0,60, хром 2,0-3,0, марганец 2,0-2,4, никель 1,0-2,0, молибден 0,4-0,6, церий и/или кальций до 0,15, ванадий 0,08-0,12, титан менее 0,01, ниобий 0,05-0,10, железо остальное, при этом после закалки стали с прокатного нагрева или после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита. Сталь обладает высокой прочностью, ударной вязкостью, повышенной прокаливаемостью и является свариваемой. 3 табл.

Высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, титан, ниобий, кальций и/или церий, отличающаяся тем, что сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод0,10-0,18кремний0,12-0,60хром2,0-3,0марганец2,0-2,4никель1,0-2,0молибден0,4-0,6церий и/или кальцийдо 0,15ванадий0,08-0,12титанменее 0,01ниобий0,05-0,10железоостальное,

при этом после закалки стали с прокатного нагрева или после аустенитизации при температуре 950-1050°С и последующего отпуска при температуре не выше 550°С она имеет структуру пакетного мартенсита.