Способ изготовления заготовки режущего лезвийного инструмента сельскохозяйственной землеройной техники из высокопрочной стали Российский патент 2023 года по МПК C21D8/00 C22C38/38 C22C38/34 C22C38/22 C21D9/00 C21D1/607 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным конструкционным сталям и может быть использовано для изготовления режущего лезвийного инструмента сельскохозяйственной землеройной техники.

В настоящее время к сталям для сельскохозяйственной и землеройной техники, предъявляются определенные требования по показателям твердости, предела текучести, временного сопротивления разрушению, стойкости к абразивному износу с достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Современные стали, производимые для сельскохозяйственной техники, были разработаны еще в СССР и характеризуются низкой прочностью и низкой вязкостью разрушения. Термическая обработка данных сталей, заключающаяся в закалке в масло с последующим. низкотемпературным отпуском, обеспечивает достаточную твердость, но низкую надежность из-за довольно низкой пластичности и вязкости разрушения. В результате стали после термической обработки не обладают требуемой твердостью, что приводит к увеличению абразивного износа и короткому сроку службы готовой продукции. В современных условиях использование таких сталей в сельскохозяйственной землеройной технике является невыгодным с практической и экономической точки зрения.

В последние годы активно разрабатываются химические составы и способы термической обработки сталей, позволяющие получить высокопрочные низколегированные стали нового поколения. Структура таких сталей состоит из низкоотпущенного мартенсита, обедненного углеродом, и остаточного аустенита, обогащенного углеродом. Такую структуру получают с помощью термической обработки «закалка-распределение» (Q&P). С помощью обработки «закалка-распределение» (Q&P) можно достичь предела прочности на разрыв до 1900 МПа при сохранении величины удлинения после разрыва около 17% (Jirková Н et al. Influence of metastable retained austenite on macro and micromechanical properties of steel processed by the Q&P process, Journal of Alloys and Compounds, 2019, 615, S163-S168). Однако недостатком стали 0,42C-2Si-0,59Mn-1,33Cr-0,03Mo-0,03Nb-0,009P-0,004S-0,07Ni-0,01N масс. % является высокая стоимость из-за наличия в химическом составе никеля и низкие значения предела текучести не превышающие 970 МПа.

Известна сверхпрочная сталь, описанная в патенте RU 2684912 С2 от 03.07.2015, которая имеет следующий химический состав, масс. %: 0,34-0,40 С, 1,50-2,30 Mn, 1,50-2,40 Si, 0,35-0,45 Cr, 0,07-0,20 Мо, 0,01-0,08 Al и менее 0,05 Nb, остальное Fe и неизбежные примеси. Обработка стали заключается в изготовлении стального листа с покрытием и без покрытия, который включает следующие последовательные стадии: нагрев до температуры Та (температура аустенизации), причем температура Та (температура аустенизации) выше, чем температура превращения стали Ас₃, охлаждение нагретого стального листа до температуры Tq (температура закалки) более низкой, чем температура превращения стали Ms (точка начала мартенситного превращения), и находящейся в диапазоне от 200 до 230°С, и отжиг для перераспределения углерода при температуре Тр 350-450°C с выдержкой при этой температуре в течение времени распределения 25-55 секунд, при этом после распределения стальной лист оцинковывают и охлаждают до комнатной температуры. Недостатком данного способа являются низкие прочностные свойства - предел прочности листа не превышает 1470 МПа. В процессе термической обработки присутствует стадия обработки стального листа горячим цинкованием или цинкованием с отжигом, что усложняет технологический процесс получения требуемого уровня характеристик.

Известна высокопрочная листовая сталь, раскрытая в патенте RU 2680043 С2 от 03.07.2015. Высокопрочная сталь имеет следующий химический состав, мас. %: 0,25-0,4 С; 2,3-3,5 Mn; 2,3-3,0 Si; менее 0,040 Al, остальное Fe и неизбежные примеси. Способ обработки включает следующие стадии термической обработки: горячую прокатку листа, отжиг катаного листа в камерной печи, холодную прокатку горячекатаного и отожженного листа, отжиг холоднокатаного листа с выдержкой при температуре большей, чем температура Ас₃, закалку с охлаждением до температуры Tq, находящейся в интервале от 65°С до 115°С. С температуры закалки лист нагревают до температуры распределения Тр 360°С - 500°C с выдержкой при указанной температуре. Далее следует охлаждение листа до комнатной температуры. Перед охлаждением может быть осуществлено горячее нанесение покрытия на стальной лист при 450°С - 490°С. Недостатком данного способа являются низкие механические свойства: предел текучести менее 1250 МПа, предел прочности менее 1600 МПа и относительное удлинение не превышает 14%. При этом сталь подвергается дополнительной термомеханической обработке - горячей и холодной прокатке, что является энергозатратным процессом в промышленных условиях.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является высокопрочная сталь и способ ее получения посредством обработки методом закалки с распределением с помощью ванны для цинкования, описанная в патенте RU 2632042 С2 от 16.05.2014. Согласно данному патенту высокопрочная сталь содержит, масс. %: 0,15-0,5 С, 1,0-4,0 Mn; 2,0 или менее Si, Al или их комбинации; 0,5 или менее молибдена; 0,05 или менее Nb; остальное - Fe и другие случайные примеси. Способ обработки заключается в нагреве стального листа до первой температуры (Т1), которая по меньшей мере выше температуры, при которой стальной лист претерпевает превращение в аустенит и феррит; охлаждению стального листа до второй температуры (Т2) путем охлаждения с критической скорости охлаждения или выше, причем Т2 ниже температуры (Ms) начала мартенситного превращения (в диапазоне температур от 160°С до 400°С). В повторном нагреве стального листа до температуры распределения при температуре 466°С, выдержки стального листа при температуре распределения в течение 15-60 секунд. В процессе горячим цинкованием или цинкованием с отжигом.

Недостатком данного способа являются низкие прочностные показатели: предел текучести менее 960 МПа и предел прочности менее 1650 МПа. Сочетание прочности и пластичности, определяемое как величина произведения временного сопротивления разрушению на относительное удлинение (σ_B×δ) не превышает 29700 МПа×%. В процессе термической обработки присутствует стадия обработки стального листа горячим цинкованием или цинкованием с отжигом, что усложняет технологический процесс получения требуемого уровня характеристик.

Из анализа известных аналогичных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость создания новых составов высокопрочной низколегированной стали для изготовления режущего лезвийного инструмента сельскохозяйственной землеройной техники.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение - это получение состава высокопрочной низколегированной стали, обеспечивающей высокую прочность и пластичность.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного результата предложен химический состав высокопрочной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, серу, фосфор и железо, при следующем соотношении компонентов, в мас. %:

углерод 0,40-0,45, кремний 1,70-1,90, хром 0,70-0,90, марганец 1,00-1,50, молибден 0,20-0,30, сера не более 0,01, фосфор не более 0,015, железо остальное, при этом сталь подвергают термической обработке, включающей аустенизацию при температуре 900°C с выдержкой в течение 5 минут, охлаждение в горячей среде соляного расплава при температуре от 140°С до 250°С в течение 15 секунд и распределение при температуре 400°С в течение 60 секунд в соляном расплаве.

Входящий в состав стали углерод обеспечивает высокую прочность и твердость сплава. Уменьшение содержания углерода менее заявленного уровня приводит к снижению прочности, а более высокое содержание по сравнению с заявленными пределами отрицательно влияет на пластичность. Углерод также оказывает положительное влияние на закаливаемость указанной стали. В связи с этим, содержание углерода ограничивается пределом от 0,40 до 0,45 масс. %.

Кремний оказывает положительное влияние на способность к закалке и повышает упругость стали. Для обеспечения высокой твердости и прочности, в состав стали включают от 1,5 до 1,9 масс. % кремния. Слишком высокое содержание кремния оказывает отрицательное действие на твердость, прочность и ковкость сплава. Чтобы исключить указанные отрицательные эффекты, содержание кремния в предлагаемой стали ограничивается пределом от 1,7 до 1,9 масс. %.

Легирование стали хромом приводит к повышению прочности стали. Марганец и хром, повышают прокаливаемость стали, позволяя значительно увеличить толщину закаливаемых деталей при снижении скорости охлаждения при закалке. Высокое содержание хрома (выше 1,0%) приводит к снижению прочности, пластичности и ударной вязкости, поэтому введение в заявленную сталь хрома ограничено в пределах от 0,7 до 0,9 масс. %.

Легирование марганцем приводит к раскислению и упрочнению, а также связывает серу, образуя сульфиды марганца. Содержание марганца в пределах 1,00-1,50 масс. % приводит к улучшению ударной вязкости и твердости.

Легирование стали молибденом в диапазоне 0,2-0,3 масс. % приводит к повышению коррозионной стойкости, твердости, а также улучшает ее прокаливаемость. Также молибден предотвращает отпускную хрупкость в процессе термообработки. Легирование стали молибденом более 0,4 масс. % экономически не целесообразно.

Фосфор и сера являются вредными примесями, содержание которых не должно превышать 0,015 для фосфора и 0,01 для серы.

Для оптимизации свойств состав подвергают двухступенчатой термической обработке.

Термическая обработка «закалка-распределение» (Q&P) была предложена в 2003 году (Speer J. et al. Carbon partitioning into austenite after martensite transformation //Acta materialia. - 2003. - T. 51. - №. 9. - C. 2611-2622.) для высокопрочных сталей AHSS третьего поколения, и применена в качестве нового способа производства мартенситных сталей с повышенным содержанием аустенита. Концепция обработки «закалка-распределение» (Q&P) включает начальную стадию закалки до температуры закалки (Tq) между начальной температурой мартенситного превращения (Ms) и конечной температурой мартенситного превращения (Mf), за которой следует нагрев при более высокой температуре (операция распределения) для стабилизации остаточного аустенита за счет диффузии легирующих элементов, в первую очередь углерода. Разница во времени операции распределения более чем на один порядок позволяет получить структуру с остаточным аустенитом, содержащим различное содержание легирующих элементов, что позволяет управлять механической стабильностью аустенита под воздействием деформации и дает возможность установить кинетику распределения углерода в рассматриваемых сталях.

Такая обработка применяется для низкоуглеродистых или среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода от 0,1% до 0,45% и содержащих 1,5-3,0% марганца, менее 1,0% хрома, от 0,006 до 1,0% алюминия и 1,5-2,5% кремния. Обработка «закалка-распределение» (Q&P) позволяет получать не только структуру, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита, но и контролировать объемную долю этих составляющих.

Применение обработки данного типа позволило достичь высоких показателей сочетания прочности и пластичности, определяемое как величина произведения временного сопротивления разрушению на относительное удлинение (σ_B×δ), на новом предлагаемом составе стали.

Примеры осуществления.

Пример 1. Получена высокопрочная низколегированная сталь со следующим химическим составом масс. %: 0,40 С, 1,7 Si, 0,7 Cr, 1,0 Mn, 0,2 Мо, остальное Fe и примеси (суммарное содержание S и Р не превышает 0,02%).

Пример 2. Получена высокопрочная низколегированная сталь со следующим химическим составом масс. %: 0,45 С, 1,9 Si, 0,9 Cr, 1,5 Mn, 0,3 Мо остальное Fe и примеси (суммарное содержание S и Р не превышает 0,025%).

Пример 3. Получена высокопрочная низколегированная сталь со следующим химическим составом масс. %: 0,44 С, 1,81 Si, 0,82 Cr, 1,33 Mn, 0,28 Мо остальное Fe и примеси (суммарное содержание S и Р не превышает 0,01%).

Производство стали осуществляется согласно следующим технологическим операциям:

1) Отливка слитка методом электрошлакового переплава под флюсом и его охлаждение на воздухе до комнатной температуры;

2) Нагрев в муфельной печи до температуры деформации 1150°С в течение 2 часов;

3) Ковка с температуры 1150°С до 950°С в заготовку размером 60×150×450 мм и охлаждение до комнатной температуры;

4) Термическая обработка:

- закалка, включающая аустенизацию при температуре 900°C с выдержкой в течение 5 минут и охлаждение в горячей среде соляного расплава при температуре от 140°С до 250°С в течение 15 секунд;

- распределение при температуре 400°С в течение 60 секунд в соляном расплаве.

Полученный состав стали обеспечивает комплекс высоких эксплуатационных характеристик, а именно высокую прочность, твердость и пластичность (таблица 1). При этом происходит одновременное достижение высокого уровня прочности и пластичности, что подтверждается показателем сочетания прочности и пластичности, определяемым как величина произведения временного сопротивления разрушению и относительного удлинения (σ_B×δ).

Результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре и твердость по методу Роквелла выполненны в соответствии с ГОСТ, доля ГЦК-фазы определялась с использованием растрового микроскопа с приставкой для EBSD (Electron backscatter diffraction) анализа. Результаты приведены в таблице 1.

По сравнению с прототипом предложенный состав высокопрочной низколегированной стали дает возможность обеспечить высокую прочность и пластичность и может быть использован для изготовления режущего лезвийного инструмента.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению заготовок режущего лезвийного инструмента сельскохозяйственной землеройной техники из высокопрочной стали. Способ включает отливку слитка, его нагрев в муфельной печи до температуры деформации, деформацию путем ковки в заготовку, охлаждение до комнатной температуры и термическую обработку. Слиток отливают из высокопрочной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%: углерод 0,40-0,45, кремний 1,70-1,90, хром 0,70-0,90, марганец 1,00-1,50, молибден 0,20-0,30, сера не более 0,01, фосфор не более 0,015, железо – остальное. Термическая обработка включает аустенизацию при температуре 900°C с выдержкой в течение 5 минут, охлаждение в горячей среде соляного расплава при температуре от 140 до 250°С в течение 15 секунд и распределение при температуре 400°С в течение 60 секунд в соляном расплаве. Изготавливаемые заготовки обладают высокими прочностью и пластичностью. 1 табл., 3 пр.

Способ изготовления заготовки режущего лезвийного инструмента сельскохозяйственной землеройной техники из высокопрочной стали, включающий отливку слитка, его нагрев в муфельной печи до температуры деформации, деформацию путем ковки в заготовку, охлаждение до комнатной температуры и термическую обработку, отличающийся тем, что слиток отливают из высокопрочной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%: углерод 0,40-0,45, кремний 1,70-1,90, хром 0,70-0,90, марганец 1,00-1,50, молибден 0,20-0,30, сера не более 0,01, фосфор не более 0,015, железо - остальное, а термическая обработка включает аустенизацию при температуре 900°C с выдержкой в течение 5 минут, охлаждение в горячей среде соляного расплава при температуре от 140 до 250°С в течение 15 секунд и распределение при температуре 400°С в течение 60 секунд в соляном расплаве.