ВЫСОКОПЛАСТИЧНАЯ НЕСТАРЕЮЩАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ Российский патент 2011 года по МПК C22C38/46 

Изобретение относится к области металлургии, к составам сталей, обладающих высокой пластичностью, и изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве листов, сортового проката (круг), применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали.

Известны стали 08Ю, 08ПС, 08КГ, относящиеся к разряду высокопластичных в холодном состоянии, содержащие, вес.%, таблица 1.

Таблица 1 Марка стали Массовая доля элементов, % углерод марганец сера фосфор кремний алюминий не более 08Ю 0,07 0,35 0,025 0,020 0,03 0,02-0,07 08ПС 0,09 0,45 0,030 0,025 0,04 - 08КП 0,1 0,40 0.030 0,025 0,03 -

[ГОСТ 9045-93 «Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки»].

Указанные стали обладают неплохой способностью к формоизменению в холодном состоянии, т.е. они достаточно пластичные, но не упрочняются ни термической, ни механической обработкой.

По этим причинам стали непригодны для изготовления из них деталей с различной прочностью по зонам.

Известна также сталь 11ЮА, содержащая в вес.%

Углерод 0,09-0,13 Марганец 0,03-0,50 Алюминий 0,03-0,09 Кремний н.б. 0,13 Хром н.б. 0,2 Никель н.б. 0,15 Медь н.б. 0,2 Железо остальное

[ГОСТ В 19032 «Кружки и полосы из стали 11ЮА»].

Указанная сталь обладает достаточно высокой пластичностью при холодной штамповке, но в готовых изделиях из этой стали невозможно получить требуемый уровень прочности по пределу текучести выше 600 МПа.

Известна также сталь 10ГН [ТУ 14-1-2371 «Лист горячекатаный из стали марки 10ГН» - прототип]. Сталь содержит мас.%: углерод 0,11-0,15, марганец 0,6-0,9, кремний 0,3-0,6, никель 0,6-0,9, алюминий 0,02-0,07, хром не более 0,2, медь не более 0,2, сера не более 0,030, фосфор не более 0,025, железо - остальное. Сталь в нормализованном состоянии имеет близкое к требованиям значение временного сопротивления (σ_в 400-500 МПа), но не упрочняется до требуемых значений предела текучести (σ_0,2=687-785 МПа).

Кроме того, сталь не обладает достаточной пластичностью для холодной штамповки из толстого листа тонкостенных обечаек методом выдавливания.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопластичной нестареющей углеродистой стали, сочетающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии, и обеспечивающую упрочнение до σ_т≥687 МПа на отдельных участках готового изделия при сохранении вязкости до температур минус -60°С.

Технический результат изобретения состоит в повышении пластичности при холодной штамповке и в обеспечении высокой прочности на отдельных участках штампованного изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что высокопластичная, нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,15 Марганец 0,3-1,0 Никель 0,2-1,5 Алюминий 0,03-0,1 Кремний 0,05-0,2 Медь 0,05-0,35 Хром 0,05-0,4 Ванадий 0,05-0,2 Азот 0,01-0,04 Железо и неизбежные примеси остальное,

при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не должно превышать 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполнены из сталей, указанных составов в виде толстого листа толщиной 22-25 мм, а также в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.

Сущность изобретения заключается в том, что в сталь вводится ванадий в количестве 0,05-0,2%, азот в количестве 0,01-0,04, дополнительно регламентировано суммарное содержание кремния, хрома, меди и ванадия и соотношение кремния и меди.

Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия выбрано из тех соображений, что указанные элементы оказывают различное влияние на ход фазовых превращений в стали, вызывая в одном случае (хром) увеличение склонности стали к закалке при охлаждении и, следовательно, к упрочнению за счет образования структур игольчатого типа (мартенсит, бейнит), что нежелательно, т.к. сталь должна иметь в состоянии поставки σ_в не более 410 МПа.

Кремний, с одной стороны, необходим в стали как раскислитель и стабилизатор феррита, с другой стороны, кремний оказывает отрицательное влияние на свариваемость стали. Кремний также не в лучшую сторону влияет на штампуемость стали в холодном состоянии.

Далее, сталь в состоянии поставки, т.е. перед штамповкой, должна иметь прочность (σ_в) в пределах 380-410 МПа, а в готовом изделии отдельные зоны должны иметь прочность (по пределу текучести) σ_0,2=687-785 МПа. Для достижения этой цели в сталь вводится медь - элемент, который упрочняет твердый раствор железа, оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость и повышает склонность к деформационному упрочнению, что необходимо для получения в изделиях упрочненных зон.

Марганец, вводимый в сталь в количестве 0,3-1,0%, необходим для обеспечения низкой прочности (σ_в≤410 МПа) стали в состоянии поставки после нормализации, т.е. перед холодной штамповкой, и для получения высокой прочности (σ_0,2=687-785 МПа) в требуемых зонах готовых изделий после штамповки, поскольку также вызывает повышение склонности стали к деформационному упрочнению.

Углерод в стали в количестве 0,08-0,15% обеспечивает полиморфное превращение аустенита диффузионным путем, т.е. с образованием феррито-прелитной структуры, обеспечивающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии.

Никель в количестве 0,2-1,5% необходим в стали для сохранения вязких свойств при низких до минус 60-70°С температурах.

Алюминий в сталь вводится в количестве 0,03-0,1% для предотвращения склонности стали к механическому старению, которое со временем вызывает низкотемпературное охрупчивание стали.

Для достижения требуемого комплекса технологических и служебных свойств изделий из предлагаемой стали в нее вводится ванадий в количестве 0,05-0,2% и азот в количестве 0,01-0,04%. Как было отмечено выше, в сталь вводится алюминий для предотвращения механического старения стали, за которое ответственен азот, находящийся в твердом растворе и образующий так называемые «облака Котрелла». Алюминий при введении в сталь вступает во взаимодействие с азотом, образуя нитрид алюминия AlN и тем самым препятствует образованию «облаков Котрелла», сталь становится нестареющей.

Но нитрид алюминия AlN весьма стоек и растворяется при очень высоких температурах (>1100°С) и не улучшает технологические свойства стали.

В нашем случае для получения упрочненных зон желательно иметь азот в твердом растворе, поскольку он способствует увеличению деформационного упрочнения.

Вводя в сталь ванадий, элемент, имеющий за счет большего сродства к азоту, чем алюминий, более высокое значение параметра взаимодействия

(в то время как ), часть азота пойдет на образование нитрида ванадия VN, температура растворения которого в стали такого состава на 100-150°С ниже.

В силу этого обстоятельства у предлагаемой стали появляется возможность получить зоны с относительно высокой прочностью, т.к. при нагреве до температур нормализации 950°С нитрид ванадия растворится в твердом растворе, а свободный азот займет места в межузловых зонах кристаллической решетки и будет способствовать получению высокой прочности в нужных зонах изделия из этой стали за счет упрочнения стали при деформации.

Экспериментально установлено, что при выполнении соотношений ΣCr+Si+Cu+V≤0,6% и Si/Cu≤2 сталь сохраняет низкие значения σ_в≤410 МПа и высокую способность к формоизменению при холодной штамповке толстых (22-25 мм) листов.

Примеры реализации изобретения. Стали предлагаемого состава и прототип выплавляли в 20 кг индукционной печи и разливали в слитки массой по 17 кг. Слитки ковали и прокатывали на лист размером 23×200×300 мм, из которого были изготовлены обечайки методом холодной штамповки. В таблице 2 представлен химический состав опытных плавок предлагаемой стали и прототипа.

Таблица 2 Химический состав опытных сталей. № плавки C Mn Ni Al V Si Cu Р S Cr N ΣCr+Si+Cu+V 1 0,094 0,45 0,21 0,055 0,1 0,1 0,07 0,004 0,007 0,051 0,02 0,321 1,42 2 0,082 0,48 0,33 0,038 0,082 0,12 0,09 0,02 0,006 0,061 0,023 0,353 1,33 3 0,085 0,85 0,43 0,045 0,075 0,12 0,1 0,025 0,008 0,1 0,035 0,395 1,2 4 прототип 0,11 0,65 0,82 0,037 - 0,55 0,15 0,005 0,006 0,18 - - 3,66 Примечание: во всех плавках железо, неизбежные примеси - остальное.

Механические свойства сталей после нормализации при 920°С приведены в таблице 3.

Таблица 3 Механические свойства сталей. № плавки σ_в σ_0,2 δ₅ ψ Ан МПа % кгс·м/см² 20°С -70°С 1 395 320 38 82 26 8 2 400 326 36 84 23 7 3 392 318 41 85 25 9 4 (прототип) 450 395 28 67 12 3

Из данных таблицы 3 видно, что предлагаемая сталь имеет значение временного сопротивления 392-400 МПа при достаточно высоких значениях относительного удлинения δ₅>35%, в то время как σ_в прототипа (450 МПа) на 40 МПа выше предельно допустимого значения.

Значения предела текучести в упрочненных местах обечаек, выполненных холодной штамповкой, приведены в таблице 4. Из данных таблицы 4 видно, что предел текучести после упрочнения предлагаемой стали составляет 690-780 МПа, в то время как предел текучести прототипа не превысил 560 МПа.

Таблица 4 Значения предела текучести сталей в упрочненном состоянии. № плавки Предел текучести σ_0,2 МПа 1 695; 720; 695; 715; 725; 718; 740; 752; 734 2 760; 755; 720; 695; 740; 754; 738; 750; 758 3 710; 698; 704; 708; 725; 730; 744; 752; 695 4 прототип 560; 540; 480; 465; 510; 520; 514; 495; 498

Полученные результаты механических испытаний свидетельствуют о достижении требуемого комплекса прочностных, пластических и вязких свойств на предлагаемой стали и изделиях, выполненных из нее.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам нестареющих сталей, обладающих высокой пластичностью, и может быть использовано при производстве листов и сортового проката, применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали. Сталь содержит углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, ванадий, азот, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,15, марганец 0,3-1,0, никель 0,2-1,5, алюминий 0,03-0,1, кремний 0,05-0,2, медь 0,05-0,35, хром 0,05-0,4, ванадий 0,05-0,2, азот 0,01-0,04, железо и неизбежные примеси - остальное. Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не превышает 0,6% при соотношении Si/Cu≤2. Изделия из стали выполнены в виде толстых листов толщиной 22-25 мм или в виде тонкостенных обечаек. Повышается пластичность при холодной штамповке и обеспечивается высокая прочность на отдельных участках штампованного изделия. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,08-0,15 марганец 0,3-1,0 никель 0,2-1,5 алюминий 0,03-0,1 кремний 0,05-0,2 медь 0,05-0,35 хром 0,05-0,4 ванадий 0,05-0,2 азот 0,01-0,04 железо и неизбежные примеси остальное,

2. Изделие, выполненное из высокопластичной нестареющей углеродистой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде толстого листа толщиной 22-25 мм.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.