СТАЛЬ СПС-430
STEEL SPS-430

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке экономнолегированной высокопрочной стали для изготовления холодноштампованных деталей, работающих преимущественно в условиях высокоскоростного импульсного нагружения.
Известна широкая гамма высокопрочных сталей, легированных углеродом, кремнием, хромом, никелем и/или марганцем (см., например, Марочник сталей и сплавов. - М., Машиностроение, 2001), обладающих достаточной технологичностью при холодной штамповке. Так, сталь 35ХГСА ГОСТ 4543-71, имеющая следующий состав, мас.%:
углерод
0,32-0,39
кремний
1,10-1,40
марганец
0,80-1,10
хром
1,10-1,40
железо
остальное
в отожженном состоянии имеет свойства:
предел текучести 400 МПа,
относительное удлинение 18%.
Однако термообработка на максимальную прочность позволяет достигнуть уровня предела текучести только до 1300 МПа, при этом относительное удлинение не превышает 8%. Из-за повышенного содержания кремния (наиболее экономичный легирующий элемент-упрочнитель, но значительно повышающий диффузионную подвижность углерода) и отсутствия компонентов, удерживающих углерод, в поверхностном слое заготовки на всех стадиях высокотемпературных переделов образуется обезуглероженный слой глубиной до 0,4 мм. Для достижения необходимого уровня свойств при изготовлении конструктивных элементов необходимо использовать заготовки значительно увеличенного сечения.
Повышение содержания углерода и кремния с дополнительным модифицированием молибденом и ванадием в стали по а.с. СССР от 30.05.1981, №834215 при соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,38-0,45
кремний
1,60-2,00
марганец
0,30-0,70
хром
0,60-1,00
молибден
0,15-0,25
ванадий
0,05-0,10
железо
остальное
позволяет повысить в термообработанном состоянии предел текучести до 1500 МПа при относительном удлинении более 8%. Полное обезуглероживание в готовых деталях достигает 0,15-0,20 мм. Однако при этом происходит снижение технологичности при холодной штамповке за счет повышения прочностных характеристик в отожженном состоянии: предел текучести составляет 550-600 МПа.
Близкой к предлагаемой стали является сталь по патенту РФ от 10.12.1998 г., №2123062, С22С 38/50, положительное решение от 23.09.1997 г., рекомендуемая к применению для изготовления холодноштампованных деталей, работающих в условиях высокоскоростного импульсного нагружения. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
углерод
0,40-0,45
кремний
1,55-1,75
марганец
0,50-0,70
хром
1,00-1,35
никель
1,10-1,45
молибден
0,35-0,50
кальций
0,003-0,010
титан
0,01-0,05
алюминий
0,05-0,10
медь
0,15-0,25
железо
остальное
В термообработанном состоянии сталь имеет предел текучести более 1700 МПа при относительном удлинении до 9,0%. В отожженном состоянии: предел текучести до 550 МПа, относительное удлинение 18%. При глубокой вытяжке деталей холодной штамповкой технологичность стали хорошая.
Совместное влияние кремния, меди и алюминия на на внутризеренную диффузию углерода приводит к образованию обезуглероженного слоя повышенной глубины и поэтому недостатком известной стали является повышенная склонность к обуглероживанию. Для компенсации при изготовлении деталей применяются заготовки с увеличенным сечением, что приводит к завышению весовых характеристик продукции и экономическим потерям из-за повышенного расхода металла.
Из уровня техники известна сталь по патенту RU 2327802 от 27.06.2008, С22С 38/54, содержащая компоненты при следующем содержании:
углерод
0,35-0,80
кремний
0-2,00
марганец
0-2,50
хром
0-5,00
никель
0-5,00
молибден
0-0,50
кальций
≤0,1
титан
0-2,00
алюминий
0-2,00
ниобий
≤1,00
азот
<0,03
железо
остальное
при выполнении дополнительных условий и соблюдении соотношений.
Сталь используется при реализации способа изготовления листа из стали, обладающей высокой абразивной стойкостью. Результат достигается тем, что после термообработки (закалка с температуры 900°С + отпуск при температуре предпочтительно меньше 250°С) листы имеют мартенситно-бейнитную структуру, содержащую от 5% до 20% остаточного аустенита. Кроме того, в структуре формируются относительно крупные карбиды титана, циркония, ниобия, тантала и ванадия (варианты легирования), повышающие абразивную стойкость. Молибден формирует в структуре стали мелкие упрочняющие карбиды, которые влияют на общий уровень свойств, но слабо на абразивную стойкость. Азот в заявляемых соотношениях самостоятельно практически не влияет на уровень свойств. Лист из стали в зависимости от содержания с составе углерода имеет в термообработанном состоянии твердость от 280 до 650 по Бринеллю (предел текучести достигает 1850 МПа - в стали с содержанием углерода на верхнем пределе). Однако наличие гетерогенной структуры: мартенсит + ост. аустенит + карбиды приводит к значительному снижению уровня вязкопластических характеристик для деталей, работающих в условиях высокоскоростного импульсного нагружения. Для достижения удовлетворительного уровня свойств необходимо дополнительно ограничить содержание легирующих и подобрать режимы термообработки. Кроме того, вследствие наличия в исходной структуре значительного количества карбидов сталь имеет ограниченную технологичность при холодной деформации.
Цель изобретения - обеспечение высокого уровня служебных свойств в условиях высокоскоростного импульсного нагружения при одновременном обеспечении технологичности при холодной штамповке, а также снижение степени обезуглероживания на заготовках и деталях из стали на всех стадиях высокотемпературного передела, что позволяет применять при изготовлении деталей заготовки меньшей толщины (сечения) с обеспечением заданного уровня служебных свойств.
Указанный результат достигается тем, что сталь содержит от более 0,5 до 0,6% молибдена и 0,03-0,05% азота при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,37-0,45
кремний
1,30-1,60
марганец
0,50-0,80
хром
1,00-1,40
никель
1,10-1,60
молибден
>0,50-0,60
титан
0,02-0,04
кальций
0,003-0,008
алюминий
0,05-0,10
ниобий
0,03-0,05
азот
0,03-0,05
железо
остальное
Пределы содержания молибдена, титана и ниобия, а также углерода и азота регламентируются необходимостью наряду с технологическими приемами исключить образование в структуре металла крупных выделений и/или формирование скоплений карбонитридов, что позволяет получить высокий уровень механических свойств и обеспечить снижение уровня обезуглероживания на всех стадиях технологического передела.
Стали для изготовления деталей выплавляли в промышленных условиях в электропечи с последующей разливкой на установке непрерывной разливки. Химический состав сталей приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сталей (содержание компонентов мас.%)
Сталь
№
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
Ti
Ca
A1
Nb
N
Предлагаемая по изобретению
1-1
0,38
134
0,52
1,10
1,15
0,52
0,02
0,003
0,06
0,04
0,03
1-2
0,44
1,57
0,78
1,40
1,58
0,60
0,04
0,007
0,10
0,06
0,05
Прототип
2-1
0,39
0,82
1,21
1,35
0,85
0,37
0,40
0,25
0,10
0,01
2-2
0,65
0,50
1,09
2,10
0,56
0,46
0,82
0,45
0,12
0,01
При разливке сталей осуществляли защиту от окисления на участке стальковш-промковш-кристаллизатор использованием огнеупорных стаканов, аргона и защитно-смазывающих огнеупорных смесей. После прокатки слябов на горячекатаный лист толщиной 2,5 мм (с предельными отклонениями + 0,2-0,1 мм) рулоны охлаждались в необогреваемых колодцах. Рулоны разрезались на мерный лист 1050×4000 мм.
После отжига листов по режиму: посадка в печь при температуре 830-850°С, нагрев до температуры 850-870°С, выдержка при этой температуре 2 часа, охлаждение с печью до 650-670°С, выдержка при этой температуре 4 часа, охлаждение с печью до 20-270°С, далее на воздухе, оценивали технологические свойства при холодной деформации по результатам испытаний на изгиб по ГОСТ 14019-80 с определением предельного угла загиба на плоских образцах размером 2,5×20×140 мм с притупленными кромками. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
Технологические свойства сталей
Сталь
№
Угол загиба, град.
Характеристика штампуемости
Предлагаемая по изобретению
1-1
180
Хорошая
1-2
180
Хорошая
Прототип
2-1
145
Удовлетворительная
2-2
110
Ограниченная
Термоупрочняющую термообработку образцов из листа толщиной 2,5 мм для исследования проводили по режиму:
- закалка: посадка в печь при температуре ≤900°С, нагрев до 890-910°С, выдержка 10 мин, охлаждение на воздухе,
- отпуск: посадка в печь, нагрев до 250-270°С, выдержка 3 часа, охлаждение на воздухе,
- разрыв между закалкой не более 3 часов.
На образцах исследовали наличие в структуре остаточного аустенита и глубину обезуглероженного слоя, а также поверхностную твердость в исходном состоянии (зачистка окалины) и после механической зачистки на глубину 0,10 мм.
Результаты контроля приведены в таблице 3.
Таблица 3
Сталь
№
Микроструктура
Твердость, НВ
Ост. аустенит, %
Обезуглер. слой, мм
Исх. состояние
Зачистка
Предлагаемая по изобретению
1-1
Отсутств.
0,10
412
542
1-2
2,0
0,08
444
560
Прототип
2-1
5,0
0,15
412
564
2-2
12,0
0,18
398
605
Суммарная двухсторонняя толщина обезуглероженного слоя на листе 2,5 мм уменьшилась с 0,36 мм для образцов стали-прототипа до 0,20 мм на образцах предлагаемой по изобретению стали, что сказывается и на значениях поверхностной твердости без механической зачистки.
Результаты измерений поверхностной твердости на термоупрочненных образцах подтверждают отрицательное влияние обезуглероживания на определенные прочностные характеристики заготовок из сталей, значимые при контактном динамическом нагружении деталей. При этом на стали-прототипе снижение свойств проявляется в большем объеме заготовки.
На основании экспериментальных данных по исследованию структуры и свойств стали для предварительной отработки было принято решение о снижении толщины листа, применяемого для определенного уровня динамического воздействия, с 2,5 мм до 2,2 мм (снижение веса >10%).
Из листа 2,5 мм были вырезаны карты 300×300 мм. На предприятии ОАО «Ижорские заводы» на одноклетьевом стане карты в холодную были подкатаны до толщины 2,2 мм. Предельные отклонения по толщине не превысили 0,1 мм.
Далее заготовки обрабатывались по серийному техпроцессу: отжиг заготовок (по режиму п.2), пескоочистка, вырубка в холодную контура детали, формование холодным прессованием рабочего профиля детали (из стали №2-2 сформовать деталь не удалось - разрушались в процессе формования), упрочняющая термообработка (по режиму п.3), зачистка (удаление окалины) галтовкой, обезжиривание и окраска порошковой краской.
Динамические испытания показали существенное повышение стабильности результатов по сравнению с прототипом. Таким образом, применение сталей в заявляемом соотношении компонентов позволяет достичь необходимого положительного эффекта.