высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью

Формула изобретения

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.%:

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.

Описание изобретения к патенту

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.%:

углерод	0,03-0,07
кремний	0,10-1,0
марганец	1,2-2,5
хром	1,8-3,0
молибден	не более 0,5
ниобий, ванадий,
титан	в сумме 0-0,10
железо	остальное

Указанная сталь после закалки на воздухе имеет следующие механические свойства:

предел текучести ( _0,2), Н/мм² - 600

предел прочности ( _в), Н/мм² - 900

ударная вязкость при - 20°С, МДж/м ² - 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.%:

углерод	0,03-0,05
хром	0,3-3,0
марганец	0,1-0,8
кальций	0,01-0,03
лантан	0,005-0,1
ниобий	0,01-0,15
ванадий	0,01-0,20
железо	остальное

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:

углерод	0,06-0,12
хром	1,8-2,5
марганец	1,8-2,5
редкоземельные элементы	0,01-0,03
ванадий	0,01-0,13
ниобий	0,02-0,10
азот	0,001-0,25
железо	остальное.

Механические свойства данной стали: предел текучести ( _0,2), Н/мм² - 530-870; предел прочности ( _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.):

углерод	0,10-0,16
кремний	0,2-0,42
хром	1,8-2,4
марганец	2,0 - 2,4
никель	1,0-1,5
молибден	0,4-0,6
церий или кальций	0,005-0,15
ванадий	0,08-0,12
титан	0,01-0,06
железо	остальное.

Указанный состав обеспечивает увеличение прокаливаемости и механических свойств, которые находятся в следующих пределах: предел текучести ( _0,2), Н/мм² - 630-1130; предел прочности ( _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.%

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 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 термообработки	Содержание элементов в % по массе
		С	Si		Cr	Mn			Ni	Мо		Са и/или Се	V	Nb
1	Закалка на воздухе с прокатного нагрева выдержка при 20 °С, не менее 24 час	0,10	0,12		2,0	2,02			1,01	0,41		0,005 Са	0,08	0,05
2		0,18	0,59		3,0	2,00			2,00	0,55		0,15 Са	0,12	0,10
3		0,13	0,39		2,2	2,21			1,24	0,50		0,006 Се	0,10	0,07
4		0,10	0,60		2,5	2,62			1,55	0,65		0,007 Се	0,08	0,10
5		0,19	0,10		2,0	2,0			1,0	0,4		0,18 Са+Се	0,85	0,05
6		0,11	0,12	2,1		2,23		1,14		0,51		0,006 Се	0,08	0,05
7	Прототип
8	Закалка с 1050°С, выдержка при 20 °С не менее 24 час
9	Закалка с 980°С, выдержка при 20°С не менее 24 час
10	Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С не менее 24 час
11	Закалка с 930°С, выдержка при 20°С не менее 24 час	0,10	0,12		2,0		2,02		1,01		0,41	0,005	0,12		0,05
12	Закалка с 980°С, отпуск 300°С
13	Закалка с 980°С, отпуск 250°С
14	Закалка с 980°С, отпуск 350°С
15	Закалка с 980 °С, отпуск 450°С
16	Закалка с 980°С, отпуск 550°С
17	Закалка с 980°С, отпуск 650°С
18	Закалка с 980°С, отпуск 700°С
19	Закалка с 1050°С выдержка при 20°С не менее 24 час
20	Закалка с 980°С выдержка при 20°С не менее 24 час
21	Закалка с 950°С выдержка при 20°С не менее 24 час
22	Закалка с 930°С выдержка при 20°С не менее 24 час	0,18	0,59		3,0		2,00		1,98		0,55	0,15	0,12		0,10
23	Закалка с 980°С, отпуск 300°С
24	Закалка с 980°С, отпуск 250°С
25	Закалка с 980°С, отпуск 350°С
26	Закалка с 980°С, отпуск 450°С
27	Закалка с 980°С, отпуск 550°С
28	Закалка с 980°С, отпуск 650°С
29	Закалка с 980°С, отпуск 700°С
Примечание. 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
№	В	0,2			KCU-50	KCU+20		Режим термообработки
	МПа		%		кДж/м2
1	1380	1150	15	60	770-		1200	Закалка с прокатного нагрева, выдержка при 20 °С, не менее 24 час
2	1640	1360	13	57			900
3	1630	1350	13	58	750		900
4	1350	1130	15	62			980
5	1670	1390	12	51			780
6	1390	1160	15	61	-		950
7 Прототип	1100-1350	1000-1130	13- 17	50-68	менее 700		менее 800	Закалка с 980°С, отпуск 560°С
8	1370	1145	15	60	-		1050	Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час
9	1375	1150	16	62	730		1040	Закалка с 980 °С выдержка при 20 °С, не менее 24 час
10	1370	1140	15	60	-		980	Закалка с 950 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час
11	1280	1050	16	60	-		1130	Закалка с 930 °С, выдержка при 20 °С, не менее 24 час
12	1375	1150	15	61	750		1040	Закалка с 980°С, отпуск 250°
13	1370	1145	15	61	740		1040	Закалка с 980°С, отпуск 300°С
14	1380	1160	16	61	730		1000	Закалка с 980°С, отпуск 350°С
15	1380	1165	15	60	715		970	Закалка с 980°С, отпуск 450°С
16	1360	1140	18	65	735		1010	Закалка с 980°С, отпуск 550°С
17	1020	940	19	67	850		1640	Закалка с 980 °С, отпуск 650 °С
18	950	820	21	75	1210		2030	Закалка с 980 °С, отпуск 700 °С
19	1600	1330	14	62	-		1010	Закалка с 1050°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час
20	1620	1400	15	61	730		1000	Закалка с 980°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час
21	1610	1400	16	62	-		1015	Закалка с 950°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час
22	1600	1380	17	60	-		1130	Закалка с 930°С, выдержка при 20°С, не менее 24 час
23	1600	1390	16	61	750		1105	Закалка с 980°С, отпуск 250°С
24	1595	1385	16	61	740		1100	Закалка с 980°С, отпуск 300°С
25	1605	1395	15	60	730		1080	Закалка с 980°С, отпуск 350 °С
26	1610	1400	14	60	730		960	Закалка с 980 °С, отпуск 450°С
27	1600	1390	17	62			990	Закалка с 980°С, отпуск 550°С
28	1320	1100	19	67	850		1600	Закалка с 980°С, отпуск 650°С
29	1100	910	21	75	1210		2030	Закалка 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 CO ₂ 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 состава
Сварочный материал	Режим термообработки после сварки			KCVшва		KCVзтв
		шва	соединения	+20 °С	-50 °С	+20°С	-50°С
		МПа		кДж/м2
Св. 07ХГСНЗМД	Отпуск 500°С, 3 час, воздух	1600	1610	780	490	790	500
Электрод 48Н15	Без термообработки	1595	1600	780	485	780	495

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.