высокопрочная сталь мартенситного класса

Формула изобретения

Высокопрочная мартенситная сталь для бронезащитных конструкций, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,25-0,65
Кремний	0,30-1,5
Марганец	0,30-1,5
Хром	0,5-3,5
Никель	0,3-1,2
Молибден	0,15-0,40
Кобальт	0,1-3,5
Сера	Не более 0,010
Фосфор	Не более 0,012
Железо	остальное,

причем максимальному значению концентрации углерода соответствует максимальное значение содержания кобальта и минимальное значение концентрации никеля, а минимальному значению концентрации углерода соответствует минимальное значение содержания кобальта и максимальное значение концентрации никеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам высокопрочных сталей, используемых в специальных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.

Листовая горячекатаная термоупрочненная сталь с повышенными бронезащитными свойствами должна обладать следующим комплексом механических и специальных характеристик (табл.1):

Таблица 1
Свойства листовой стали для бронезащитных конструкций
HRC, ед.	т, МПа	5, %	KCU, МДж/см 2	Н, мм
63-65	1700-2000	8-10	4-6	9,0
Примечание: Н - минимальная толщина листа, выдерживающая без разрушения обстрел по нормали с расстояния 100 м 12,7-мм бронебойно-зажигательными пулями Б-32 с закаленными сердечниками

Известна конструкционная сталь следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,46-0,56
Кремний	0,17-0,90
Марганец	0,10-1,00
Хром	2,80-5,00
Никель	1,50-3,00
Молибден	1,70-2,70
Ванадий	0,25-0,35
Железо	Остальное [1].

Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы в закаленном на мартенсит состоянии имеют низкие характеристики твердости и прочности. Это не позволяет использовать ее для изготовления бронезащитных конструкций.

Известна также сталь для подложки многослойной бронепреграды, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,42-0,56
Хром	0,8-5,0
Никель	0,9-3,0
Молибден	0,2-2,7
Ванадий	0,1-0,35
Марганец	0,1-1,0
Кремний	0,17-0,9
Железо	Остальное [2].

Недостатком данной стали являются низкие прочностные, вязкостные и бронезащитные свойства листов в закаленном состоянии: толщина Н листов не может быть менее 10 мм, а в случае минимальной концентрации всех легирующих ее элементов - не менее 13 мм.

Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предложенной стали является легированная сталь для изготовления бронеэлементов следующего химического состава, мас.%:

Углерод + азот	0,45-1,5
Кремний	0,9-1,5
Марганец	0,5-1,5
Хром	0,7-5,5
Никель	0,6-3,5
Молибден	0,15-0,75
Сера + фосфор	не более 0,010-0,016
Железо	Остальное [3] - прототип.

Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы, изготовленные из нее, после закалки сохраняют в структуре остаточный аустенит, в результате чего сталь имеет недостаточный уровень бронезащитных свойств. А именно при твердости закаленных листов менее 63 единиц HRC стандартные испытания на обстрел выдерживают листы толщиной не менее 15 мм.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронезащитных свойств закаленной стали.

Для решения поставленной технической задачи сталь для изготовления бронезащитных конструкций, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,25-0,65
Кремний	0,30-1,5
Марганец	0,30-1,5
Хром	0,5-3,5
Никель	0,3-1,2
Молибден	0,15-0,40
Кобальт	0,1-3,5
Сера	не более 0,010
Фосфор	не более 0,012
Железо	остальное,

причем по мере увеличения концентрации углерода от минимального до максимального значения концентрацию никеля равномерно снижают от максимального до минимального значения, а кобальта - повышают от минимального до максимального значения.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Исследования показали, что резервом повышения бронезащитных свойств закаленной стали является уменьшение содержания в ее микроструктуре остаточного аустенита. Остаточный аустенит в закаленной стали сохраняется в виде распределенной между кристаллами мартенсита отдельной фазы, снижающей твердость, прочность и значение толщины Н. При этом с повышением концентрации в стали углерода имеет место снижение температуры начала мартенситного превращения аустенита, вследствие чего в процессе закалки в стали сохраняется все большее количество остаточного аустенита, поэтому повышения бронезащитных свойств не происходит.

Было установлено, что кобальт в стали предложенного состава обеспечивает одновременно как повышение температуры мартенситного превращения, так и вязко-пластических свойств, что присуще никелю. Поэтому увеличение концентрации кобальта по мере увеличения концентрации углерода позволяет снизить содержание остаточного аустенита в закаленной стали, а также уменьшить необходимое количество никеля. В результате сталь предложенного состава обретает более высокие бронезащитные свойства.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,25% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его содержании более 0,65% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. При концентрации кремния менее 0,30% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 1,5% снижается пластичность и вязкость.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,5% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.

Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 0,5% прочность ниже допустимого значения. Увеличение содержания хрома более 3,5% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов.

Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,2% повышается содержание остаточного аустенита в стали и бронезащитные свойства закаленных листов. Снижение содержания никеля менее 0,3% приводит к потере пластичности и ударной вязкости, листы не выдерживают баллистические испытания на бронестойкость.

Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,15% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает пластичность закаленных листов.

Кобальт снижает содержание остаточного аустенита в стали и частично заменяет никель, уменьшая требуемую его концентрацию, сохраняет благоприятную дислокационную морфологию тонкой структуры мартенсита. При содержании кобальта менее 0,1% не достигается повышения бронезащитных свойств закаленных листов. Увеличение содержания кобальта сверх 3,5% не приводит к дальнейшему улучшению бронезащитных свойств, а лишь увеличивает расходы на легирующие.

Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,012% их отрицательное влияние свойства стали незначительно. В то же время более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Равномерное увеличение концентрации в стали кобальта от 0,1% до 3,5% по мере увеличения концентрации углерода от минимального значения 0,25% до максимального значения 0,65% способствует поддержанию температуры мартенситного превращения в интервале 400-200°С. Поэтому вне зависимости от конкретного значения концентрации углерода закаленная сталь не содержит остаточного аустенита и приобретает более высокие бронезащитные свойства. Причем поскольку кобальт в стали данного состава по своему воздействию на механические свойства заменяет никель, по мере увеличения концентрации кобальта от 0,1% до 3,5% концентрацию никеля следует равномерно снижать от 1,2% до 0,3%.

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, вводили металлические никель и кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.

Таблица 2
Состав сталей для изготовления бронезащитных конструкций
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Со	S	Р	Fe
1.	0,24	0,29	0,29	0,4	1,30	0,14	0,09	0,007	0,008	остальн.
2.	0,25	0,30	0,30	0,5	1,20	0,15	0,10	0,008	0,010	-:-
3.	0,45	0,90	0,90	2,0	0,75	0,27	1,80	0,009	0,011	-:-
4.	0,65	1,50	1,50	3,5	0,30	0,40	3,50	0,010	0,012	-:-
5.	0,66	1,60	1,60	3,6	0,20	0,50	3,6	0,011	0,013	-:-
6.	0,75	0,80	0,70	2,4	1,50	0,60	-	0,005	0,004	-:-

Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1250°С и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 8,5 до 15 мм. Прокатанные листы подвергали с прокатного нагрева немедленной закалке с температуры 850°С водой. Закаленные листы отпускали путем выдержки в течение 3 ч при температуре 200°С.

После охлаждения от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств. В таблице 3 приведены результаты испытаний свойств горячекатаных листов.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная сталь (составы №2-4), у которой по мере повышения концентрации углерода концентрация никеля равномерно снижается, а кобальта возрастает, имеет наиболее высокие механические и бронезащитные свойства: минимальная толщина листа, выдерживающая стандартные баллистико-ударные испытания, равна Н=8,5 мм.

При запредельных содержаниях химических элементов в сталях (составы №1 и №5), а также при использовании стали-прототипа (вариант 6) механические и бронезащитные свойства горячекатаных закаленных листов снижаются, значение Н возрастает до 12-15 мм.

Таблица 3
Свойства листовых сталей различных составов
№ состава	HRC, ед.	т, МПа	5, %	KCU, МДж/см 2	Н, мм
1.	59	1500	5	3	12,0
2.	63	1700	9	5	8,5
3.	64	1900	10	6	8,5
4.	65	2000	10	6	8,5
5.	61	1450	6	3	13,5
6.	61	1500	5	2	15,0

Технико-экономические преимущества предложенной высокопрочной стали мартенситного класса состоят в том, что введение в ее состав кобальта, концентрация которого равномерно возрастает от 0,1% до 3,5% по мере возрастании концентрации углерода от 0,25% до 0,65%, обеспечивает при его закалке полное превращение аустенита в мартенсит диспергированной морфологии. Это повышает твердость и бронезащитные свойства закаленных листов. Одновременно с этим, поскольку кобальт по своему воздействию на механические свойства заменяет никель, то снижение его концентрации с 1,2% до 0,3% не сопровождается снижением пластических и вязкостных свойств закаленной стали и соответственно баллистико-ударной стойкости.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали повысит эффективность бронезащитных конструкций на 8-10%.

Источники информации

1. А.с. СССР 1700091, ИПК C22C 38/46, 1982.

2. Пат. РФ 2102688, МПК F41H 5/04, 1998.

3. Пат. РФ 2139357, МПК C21D 9/42, F41H 11/02, 5/02, 1999.