низколегированная конструкционная сталь с повышенной прочностью
Классы МПК: | C22C38/12 содержащие вольфрам, тантал, молибден, ванадий или ниобий C22C38/60 содержащие свинец, селен, теллур или сурьму или более 0,04% серы по массе |
Автор(ы): | Волосков Александр Дмитриевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "Омутнинский металлургический завод" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-12-04 публикация патента:
27.01.2014 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству стали с повышенной прочностью для изготовления горячекатаных автомобильных компонентов. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,15-0,20, марганец 1,3-1,5, кремний 0,05-0,45, фосфор не более 0,02, сера 0,02-0,05, медь не более 0,25, ванадий 0,03-0,055, азот 0,004-0,015, железо и примеси - остальное. Сталь имеет однородную мелкозернистую феррито-перлитную структуру с баллом зерна 7-9 и характеризуется величиной углеродного эквивалента СЭКВ 0,47%. Изготавливаемая из стали горячекатаная продукция обладает повышенным пределом текучести с повышенным показателем пластичности, хорошей свариваемостью, повышенной обрабатываемостью, пониженной склонностью к механическому старению, возможностью использования при отрицательных температурах, возможностью исключения дополнительной термообработки с сохранением интервала по прочности. 1 ил., 2 табл., 1 пр.
Формула изобретения
Низкоуглеродистая конструкционная низколегированная с повышенной прочностью сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот, медь, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,15-0,20 |
марганец | 1,3-1,5 |
кремний | 0,05-0,45 |
фосфор | не более 0,02 |
сера | 0,02-0,05 |
медь | не более 0,25 |
ванадий | 0,03-0,055 |
азот | 0,004-0,015 |
железо и примеси | остальное, |
при этом она имеет однородную мелкозернистую ферритоперлитную структуру с баллом зерна 7-9 и характеризуется величиной углеродного эквивалента СЭКВ 0,47%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали с повышенной прочностью для изготовления горячекатаных автомобильных компонентов.
Известна нелегированная конструкционная сталь S355J0 с минимальным пределом текучести 355 МРа, содержащая, мас.% max:
углерод - не более 0,22;
кремний - не более 0,55;
марганец - не более 1,60;
фосфор - не более 0,03;
сера - не более 0,03;
азот - не более 0,012;
медь - не более 0,55;
железо и примеси - остальное. [1]
Эта сталь наиболее близка к предлагаемой по механическим свойствам, составу и назначению и взята за прототип.
DIN EN 10025-2:2005 содержит верхние границы химического состава и обязательный перечень элементов, но не указывает конкретные пределы их содержания и дополнительные элементы для получения требуемых механических свойств по DIN и специальных требований заказчика, соответствующим условиям эксплуатации.
Основная техническая задача изобретения состоит в получении стали с повышенным пределом текучести, с увеличенным показателем пластичности, повышенным показателем работы удара, возможностью использования при отрицательных температурах, с хорошей свариваемостью, повышенной обрабатываемостью, с сохранением интервала по прочности, экономически целесообразной в применении ввиду использования недефицитных легирующих элементов.
Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается модифицированная низкоуглеродистая конструкционная, низколегированная с повышенной прочностью сталь, содержащая в мас.%:
углерод - 0,15-0,20;
марганец - 1,3-1,5;
кремний - 0,05-0,45;
фосфор - не более 0,02;
сера - 0,02 - 0,05;
медь - не более 0,25;
ванадий - 0,03-0,055;
азот-0,004-0,015
железо и примеси - остальное. Условное обозначение стали S355J0 mod.
Содержанием углерода и марганца обеспечивается заданный интервал по пределу прочности (470-630 МПа) и обеспечение повышенной пластичности (относительного удлинения) не менее 20% (вместо не менее 16%).
Необходимое и достаточное содержание ванадия в качестве элемента, связывающего азот, обеспечивает карбонитридное упрочнение в процессе у - а превращения по механизму дисперсионного твердения за счет чего происходит повышение предела текучести материала не менее 400 МПа. Повышенный предел текучести позволяет снизить расход металла в эксплуатации и позволяет получить показатель работы удара при температуре от 0°C до -40°C не менее 80 Дж.
Экспериментально установлено, что при содержании марганца ниже установленного предела и отсутствии ванадия заявленный предел текучести и работа удара не достигаются.
Повышенное содержание серы приводит к улучшению обрабатываемости стали резанием.
Способность материала к сварке оценивается величиной углеродного эквивалента. Для определения углеродного эквивалента используется следующая формула Международного института сварки, приведенная в DINEN 10025-1:
Предлагаемая сталь характеризуется величиной углеродного эквивалента Сэкв 0,47%.
Оптимальный химический состав, способ раскисления, технология производства (горячая деформация) готового профиля позволяют получать однородную мелкозернистую феррито-перлитную структуру с минимальной разнозернистостью не превышающей 3-х смежных номеров. Балл зерна 7-8-9 по ASTM E 112 (ГОСТ 5639-82) при требовании заказчика к размеру зерна не крупнее 5 номера. Кроме того, в феррито-перлитной структуре не наблюдается присутствие игольчатой бейнитной структуры (требования заказчика: максимальное содержание бейнита в феррито-перлитной структуре не более 6%).
На фигуре 1 представлена фотография микроструктуры образца горячекатаного профиля модифицированной стали одной из плавок с величиной зерна 8 номер по ASTM Е 112 (по ГОСТ 5639) при 100-кратном увеличении с установленной масштабной линейкой длиной 400 мкм.
Практический пример выполнения.
Выплавка заявленной марки стали проводится на ЗАО "Омутнинский металлургический завод" в сталеплавильном агрегате. В СПА выплавляют сталь основного состава, содержащую углерод, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, после нагрева до 1620-1640°C выпускают в сталеразливочный ковш. Раскисление стали алюминием проводят на сливе из сталеплавильного агрегата в ковш, вводят в донную зону ковша компоненты для раскисления при оптимальном соотношении [Mn]/[Si] 3. Проводится достаточно глубокое раскисление стали вторичным алюминием для получения оптимальных условий всплытия образовавшихся крупных оксидов алюминия. Дополнительно контролируется кислород (не более 0,001% на предлагаемой марке стали).
После выпуска плавки из СПА производят удаление печного шлака из сталеразливочного ковша. При внепечной обработке с продувкой металла аргоном наводят известково-глиноземистый шлак присадками извести и алюмосодержащего материала. Получают марочное содержание основных элементов (углерод, марганец, кремний) и раскисленный рафинировочный «белый» шлак.
Ванадий вводят в виде кускового ферросплава до достижения целевой концентрации. Затем нагревают металл до температуры, гарантирующей заданный перегрев металла над температурой ликвидус стали в промежуточном ковше при разливке на МНЛЗ, с учетом существующих тепловых потерь и последующего легирования серой. Ввод серы в сталь осуществляют порошковой проволокой при помощи трайб-аппарата после загущения шлака магнезитовым порошком.
Разливку на МНЛЗ производят с защитой металла от вторичного окисления способом «под уровень». Оголение поверхности металла в промковше (искрение) не допускают.
Заготовку прокатывают на станах горячей прокатки по технологическим инструкциям и схемам прокатки ЗАО "ОМЗ". Получают горячекатаный профиль для изготовления петли двери автомобиля Фольксваген.
Произвели семь плавок с предложенным составом модифицированной стали, две плавки 8 и 9 с пониженным содержанием марганца и без ванадия. Полученный химический состав в сравнении с прототипом приведен в таблице 1. Заявленному изобретению соответствуют плавки с 1 по 7.
Оценку механических свойств и структуры стали проводили в лаборатории контрольных испытаний ЗАО "ОМЗ". Испытания механических свойств проводились на 25-тонной разрывной машине фирмы "QUASAR 250", испытание твердости проводились на твердомере типа ТШ-2М по методу Бриннеля. Результаты исследования механических свойств известной и предлагаемой стали, а также углеродный эквивалент приведены в таблице 2. Испытания работы удара при отрицательных температурах проведены на образцах 3-х опытных плавок. Для одной из плавок представлен пример рассчета:
Опытно-промышленные испытания по критериям прочности, пластичности и работы удара провела фирма "EDSCHA", изготавливающая петли дверей автомобилей различных типоразмеров. Продукция с указанными параметрами удовлетворила потребителей фирмы. Поступило предложение о замене марки стали S355 JO всех поставляемых горячекатаных профилей на S355 JO mod как наиболее удовлетворяющую условиям эксплуатации.
Таким образом, предложенный химический состав позволяет получить сталь с повышенным пределом текучести, с повышенным показателем пластичности, хорошей свариваемостью, повышенной обрабатываемостью, пониженной склонностью к механическому старению, возможностью использования при отрицательных температурах, возможностью исключения дополнительной термообработки, с сохранением интервала по прочности, экономически целесообразной в применении ввиду использования недефицитных легирующих элементов при изготовлении горячекатаных автомобильных компонентов.
Таблица 2 | |||||||
Марка стали | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Относительное удлинение, % | Работа удара, Дж | Твердость, НВ | ||
при | при | при | |||||
0°C | -20°C | -40°C | |||||
1 | 630 | 497 | 23,5 | 107 | - | - | 187 |
2 | 630 | 460 | 27 | 112 | - | - | 170 |
3 | 615 | 469 | 26 | 111 | 128 | 112 | 170 |
4 | 624 | 458 | 26 | 105 | - | - | 187 |
5 | 617 | 414 | 26 | 136 | 104 | 83 | 179 |
6 | 627 | 464 | 28 | 107 | 125 | 121 | 179 |
7 | 630 | 474 | 25 | 133 | - | - | 179 |
8 | 576 | 384 | 32 | 67,6 | - | - | - |
9 | 600 | 395 | 22 | 47,0 | - | - | - |
Предла гаемая S355J0 mod | 470-630 | 400 | 20 | 80 | 160-220 | ||
Аналог S355J0 | 470-630 | 355 | 16 | 27 | не нормируется |
Источники информации
1. DINEN 10025-2:2005.
Класс C22C38/12 содержащие вольфрам, тантал, молибден, ванадий или ниобий
Класс C22C38/60 содержащие свинец, селен, теллур или сурьму или более 0,04% серы по массе