СТАЛЬ С БЕЙНИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
STEEL WITH BAINITE STRUCTURE

Изобретение относится к металлургии, в частности к области изыскания составов системнолегированных сталей типа Х3Г3ФМС, и может быть использовано для изготовления различных инструментов, сосудов высокого давления, деталей и узлов подвижного железнодорожного состава, деталей больших габаритов в различных установках (прокатных станов, опорных валков и т.д.), а также деталей и изделий небольшого размера по сечению, т.е. для изготовления изделий с бейнитной прокаливаемостью любого сечения до 1000 мм, используемых в различных отраслях машиностроения.
Известна сталь с бейнитной структурой (заявка на изобретение №94006015 от 27.06.1996 г.), содержащая, мас. %:
Углерод
0,15-0,45
Марганец
0,3-2,0
Хром
0,5-3,0
Кремний
0,15-2,0
И по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, в которую входят: молибден, никель, медь, ниобий, ванадий, титан, бор.
Сталь получена со структурой карбидного бейнита, в условиях охлаждения, позволяющих получить изделие с прокаливаемостью не более 20 мм (скорость охлаждения с прокатного нагрева до 500-300°C - 1-10°C/с). Основной состав стали дополняется дефицитными элементами - карбидообразующими и некарбидообразующими - в больших количествах (до 0,50% Cu, до 4% Ni и т.д.) для увеличения прочности бейнитных структур и их устойчивости. Сталь не является системнолегированной по основному составу, т.к. элементы введены при большом содержании углевода без системы, основанной на принципе легирования карбидообразователями в виде непрерывной цепочки от слабых к сильным карбидообразователям с уменьшением концентрации сильных (см. патент №2477333 от 10.03.2013 г.), а дополнения к основному составу другими карбидообразующими не гарантирует возможность получения изделий с широким интервалом прокаливаемости, т.е. от 20 мм и выше.
Известна экономнолегированная бейнитная сталь (а.с. №836190 от 07.06.81 г.), содержащая, мас. %: 0,1-0,2 C; 3,2-4,0 Cr; 3,2-4,0 Mn; 0,5-1,0 Mo; 0,3-0,5 V; железо остальное.
Сталь не содержит дорогостоящего никеля и считается экономнолегированной, но содержит в составе большое количество марганца, хрома и, особенно - ванадия и молибдена, что приводит к формированию в аустените спецкарбидов, не позволяющих обеспечить повышение устойчивости переохлажденного аустенита, поэтому при замедленном охлаждении на воздухе формируется структура только верхнего карбидного бейнита, что по определению приводит к снижению прочности, трещиностойкости и ударной вязкости. Прокаливаемость при этом при различных скоростях охлаждения в пределах 100-160 мм, что ограничивает использование стали для крупных изделий большего сечения. Кроме того, проводят закалку после аустенитизации с 900°C, в жидкой среде (масле, соляной ванне) и отпуск 250°C, что усложняет технологический процесс получения заданной структуры и свойств, затратно, экологически невыгодно, к тому же состав не системнолегирован.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав стали системнолегированной (Ю.Н. Симонов, Симонов М.Ю., Подузов Д.П., Смирнов А.В., Галимова И.А., Превращение, структура и свойства системнолегированных низкоуглеродистых безникелевых сталей, журнал «МиТОМ» №11, 2012 г., с. 5-9). Сталь соответствует типу ХЗГЗМФС при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод
0,10
Марганец
2,51
Хром
2,75
Кремний
1,25
Молибден
0,4
Ванадий
0,12
Железо
остальное
В качестве примесей сталь может содержать, мас. %: серу до 0,009; фосфор до 0,20; медь до 0,19; титан до 0,004; никель до 0,16. Сталь после аустенитизации с прокатного нагрева охлаждают на воздухе при скоростях - 50-0,050°C/с. Сталь бейнитная; содержит карбидообразователи от слабой (Cr, Mn), средней (Mo) до сильной групп (V); железо - основа. Cr и Mn введены в соотношении 1:1 друг к другу. Сталь экономична в плане концентрации легирующих элементов; системнолегирована, т.е. карбидообразующие выстроены в непрерывную цепочку связей: от слабого до сильного, в порядке уменьшения их концентраций, соответственно; имеет дополнительно легирующий элемент - кремний. Состав имеет одновременно слабую (марганец, хром), среднюю (молибден) и сильную (ванадий) группы карбидообразователей, введенных по схеме сохранения непрерывности цепочки связей карбидообразователей Mn-Cr-Mo-V. Сохранение такой системы связей компонентов, их соотношения в заявленном диапазоне концентраций, с уменьшением концентрации от слабого к сильному карбидообразователю, но с сохранением соотношения Cr к Mn как 1:1, позволяет избежать образования спецкарбидов, ухудшающих ударную вязкость, трещиностойкость изделий и снижающих уровень прокаливаемости. Особенно это касается крупногабаритных изделий. Получают состав стали при следующих соотношениях карбидообразователей относительно хрома, мас. ч.: Cr/Mn 1:1; Cr/Mo 1:0,2; Cr/V 1:0,04, а относительно друг друга по цепочке от хрома к ванадию, в мас. ч.: Mn/Cr 1:1; Cr/Mo 1:0,2; Mo/V 1:0,2.
Но при содержании в стали углерода 0,1% получают структуру пакетного мартенсита на воздухе с прокатного нагрева при скоростях охлаждения 50-0,3°C/с. С введением в экономносистемнолегированный состав стали кремния, как показали исследования структуры и свойств стали, термодинамическая активность углерода повышается, а активность железа падает. В результате - в процессе изотермической выдержки в области формирования нижнего бейнита или в процессе медленного охлаждения (на воздухе и со скоростью 0,050 C/с) в этой области атомы углерода накапливаются в аустените, но недостаток железа не позволяет выделиться цементиту. При этом кремний повышает устойчивость переохлажденного аустенита, способствуя прокаливаемости крупногабаритных заготовок, изделий до 500-600 мм из этой стали, но в узком интервале (398-375°C) температур превращений и при одной скорости охлаждения с получением в основном нижнего карбидного бейнита, а не нижнего бескарбидного бейнита, что не гарантирует воспроизведения процесса получения сплава с заданными свойствами от плавки к плавке, от заготовки к заготовке и свойств изделия, соответственно, т.к. существуют факторы случайности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка состава среднеуглеродистой системнолегированной стали с регламентируемой прокаливаемостью на глубину до 1000 мм и гарантированным образованием структуры нижнего бескарбидного бейнита в этой стали, расширение области применения.
Поставленная задача была решена за счет того, что сталь с бейнитной структурой, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, железо - остальное, согласно изобретению содержит ингредиенты в следующих соотношениях, мас. %:
Углерод
0,25-0,75
Марганец
2,4-3,0
Хром
2,4-3,0
Кремний
1,6-2,5
Молибден
0,5-0,6
Ванадий
0,10-0,16
Железо
остальное,
при этом после прокатного нагрева при непрерывном медленном охлаждении со скоростью 0,3-0,03°C/с и температуре превращения в бейнитной области 400-100°C она имеет структуру бескарбидного нижнего бейнита.
Сопоставительный анализ заявляемой стали с прототипом показал, что заявляемый состав отличается количественным соотношением используемых ингредиентов и гарантированным образованием при этом структуры бескарбидного бейнита, полученного в результате непрерывного медленного охлаждения с прокатного нагрева (1000°C) при скоростях в пределах - 0,3-0,03°C/с, в зависимости от содержания углерода и соотношения легирующих элементов в системнолегированном составе типа Х3Г3МФС.
В отличие от прототипа заявляемая сталь содержит углерод в пределах 0,25-0,75%, что позволяет ей, при системнолегированном соотношении компонентов в сочетании с 1,6-2,5% кремния, обеспечить устойчивость аустенита в бейнитной области фазовых превращений и гарантировать наличие нижнего бескарбидного бейнита в широком интервале температур превращения и, следовательно, воспроизводить заданную структуру от плавки к плавке, от заготовки к заготовке, исключая фактор или факторы случайностей.
В ходе экспериментов авторами неожиданно выявлено, что при заявленной системе легирования оптимальными соотношениями углерода к кремнию являются следующие: для 0,25% углерода C:Si=1:10; для 0,45% - C:Si=1:5; для 0,75% - C:Si=1:2,2. Хотя логически должна быть обратная зависимость: чем больше углерода, тем больше должно быть кремния, чтобы препятствовать образованию спецкарбидов в стали. Таким образом, сочетание системнолегированности и оптимального соотношения углерода к кремнию позволяют получить в широком интервале температур нижний бескарбидный бейнит, а также в широком интервале скоростей непрерывного медленного охлаждения гарантировать сталь с повышенной бейнитной прокаливаемостью и, следовательно, расширить область ее применения в различных отраслях промышленности - от инструментов малого сечения до крупногабаритных изделий.
При введении кремния в заявленных пределах, происходит торможение процесса выделения цементитных карбидов, несмотря на наличие повышенного содержания углерода в стали. Увеличенные содержания углерода и кремния в стали заявлены впервые для сталей, полученных по принципу системного легирования и без никеля, что значительно удешевляет состав стали и изделия из него.
За счет увеличения содержания углерода (до 0,25-0,75%), по сравнению с прототипом (0,10%), разработана система получения изделий из сталей класса среднеуглеродистых, что позволило решить задачу - получение класса сталей, построенных по принципу системного легирования, имеющего возможность получать в широком термовременном интервале превращения нижний бескарбидный бейнит, который зарекомендовал себя как структура, обеспечивающая высокий комплекс характеристик механических свойств.
Как показали исследования, впервые разработан новый состав стали - среднеуглеродистой среднелегированной по принципу введения легирующих элементов в виде непрерывной цепочки связей между ними от слабого карбидообразующего (Cr, Mn) к среднему (Mo) и сильному (V) при следующих соотношениях карбидообразователей относительно хрома, в среднем в мас. ч.: Cr/Mn 1:1; Cr/Mo 1:0,18; Cr/V 1:0,04; а относительно друг друга по цепочке связей от слабого к сильному карбидообразователю: Mn/Cr 1:1; Cr/Mo 1:0,18; Mo/V 1:0,20, с прокаливаемостью в широком интервале задаваемых габаритов изделий (от 50 мм, при скорости охлаждения 0,3°C/с, до 1000 мм - при скорости - 0,03°C/с). Следовательно, благодаря бейнитной прокаливаемости, при сохранении высоких механических свойств, обеспечивающихся, по определению, нижним бескарбидным бейнитом, сталь может быть рекомендована в различных отраслях машиностроения, а по габаритам - без ограничения сечения (от 50 мм и до 1000 мм).
Содержание в смеси кремния в количестве 1,6-2,5 мас. % обеспечивает получение нижнего бескарбидного бейнита.
Содержание в смеси углерода в количестве 0,25-0,75 мас. % расширяет интервал бейнитного превращения за счет снижения температуры начала мартенситного превращения.
Известны стали низколегированные бейнитно-мартенситные безникелевые типа 14Х2ГМРБ, но они не системнолегированы, имеют прокаливаемость до 20 мм, охлаждены в масло. При низких скоростях охлаждения образуется карбидный бейнит при температуре выше 600°C, а окончание превращения - 380°C, снижающий устойчивость переохлажденного аустенита, глубину прокаливания и микротвердость, что ограничивает его применение в качестве сварочного материала.
Известны среднелегированные мартенситно-бейнитные стали. Они содержат углерод 0,25-0,30% без никеля, кремния 1,0-1,2%. Основные представители: 25-30 ХГСА (ГОСТ 4543-71), имеющие предел прочности 1050-2000 МПс. С никелем состава содержат до 0,42% углерода (http://msd. Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали. Мусияченко В.Ф., Саржевский В.А.).
Но стали не системнолегированы, охлаждают циклами до определенных температур и получают карбидный бейнит при больших скоростях, твердость и прокаливаемость - низкие значения.
Для исследования изготовили слитки по 50 кг, сталь плавили в индукционных печах. Из стали каждой плавки изготовили заготовки диаметром 19 мм и длиной 60 мм. Для оценки возможных скоростей охлаждения с получением бескарбидного нижнего бейнита и прокаливаемости исследуемой стали заготовки нагревали до температуры 920°C с выдержкой 40 мин и охлаждали: на воздухе, в коробе с песком на воздухе, вместе с печью, в коробе с песком на воздухе вместе с печью, что соответствует скоростям охлаждения 30-1,5; 0,1-0,3; 0,054; 0,03-0,003°С/с. Превращения при охлаждении в широком диапазоне скоростей исследовали с помощью закалочного дилатометра Linseis 278 RITA, структуру изучали на световом микроскопе OLYMPUS GX-51, микротвердость структурных составляющих замеряли на микротвердомере Durascsan-70.
Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены 6 сплавов. В таблице 1 представлен химический состав исследованных сталей: п. 1 - прототип, пп. 2-4 - заявляемый состав; пп. 5-6 - составы за пределами значений компонентов заявляемого состава.
Исследования показали, что достижение технического результата и оптимизация свойств заявляемой стали достигнуты за счет повышенного содержания углерода и кремния (табл. 1), системного легирования стали и расширения диапазона возможных скоростей охлаждения (табл. 2, 3). Это позволило в совокупности достичь эффекта - гарантировать получение бескарбидного нижнего бейнита (табл. 2), стабильно его получать в широком интервале температур фазовых превращений. Так, если прототип карбидный нижний бейнит получает в интервале температур - 23°С и только при скорости охлаждения - 0,05°С/с, то заявляемый - в зависимости от возможных скоростей охлаждения (в пределах 0,30 до 0,03°С/с) гарантирует получение в стали структуры бескарбидного бейнита в интервале температур превращения 150-320° - пп. 2-4, что позволяет избежать случайностей и воспроизводить процесс получения стали от плавки к плавке, стабильно, как и от термообработки к термообработке, от изделия к изделию гарантировать заданные структурные параметры и соответственно свойства изделий, т.к. по определению наличие структуры бескарбидного нижнего бейнита в стали обеспечивает высокие физико-механические свойства.
Заявляемая сталь за счет гарантированного получения в ней нижнего бескарбидного бейнита позволяет расширить внутри области машиностроения количество отраслей, использующих заявляемый состав стали с регламентированной глубиной прокаливаемости (инструменты малого сечения, устройства крупногабаритные) и т.д. (табл. 3).
Заявляемая сталь обладает прокаливаемостью до 1000 мм за счет введения повышенного, по сравнению с прототипом, содержания углерода и кремния, которые способствуют повышению стабильности присутствия бескарбидного нижнего бейнита и устойчивости состояния переохлажденного аустенита в бейнитной области превращений.
В зависимости от соотношения компонентов в стали при ее медленном непрерывном охлаждении с прокатного нагрева интервал температур фазовых превращений меняется. При содержании углерода 0,25%, хрома 2,4%, марганца 2,4%, кремния 2,5%, молибдена 0,60%, ванадия 0,16% бейнитная область имеет интервал превращений - 200°C, т.е. от 400 до 200°C, а мартенситная - 200°C, т.е. от 300°C до 100°C (табл. 2, пример 2), что позволяет, по сравнению с прототипом 23°C, на порядок увеличить температурный интервал бейнитного превращения и, следовательно, гарантировать в интервале скоростей охлаждения 0,05-0,03°C/с получение заготовок со структурой бескарбидного нижнего бейнита с прокаливаемостью 500-1000 мм, т.е. в более широком диапазоне сечений - от минимальных до 1000 мм. А это значит, что из данной стали можно изготовить изделия самого различного назначения (табл. 3), с регламентируемой глубиной прокаливаемости.
При содержании углерода 0,45%, марганца 2,7%, хрома 2,7%, молибдена 0,55%, ванадия 0,13%, кремния 2,0% получают бескарбидный нижний бейнит в интервале превращений от 400°C до 80°C (табл. 2, пример 3). При этом глубина прокаливаемости достигает 1000 мм, а мартенсит образуется после бейнита - в пределах температур 250°-80°C. Этот состав является оптимальным из трех по надежности получения бескарбидного нижнего бейнита в широком интервале превращений, интервале использования температур охлаждения, с гарантией получения стали со структурой бескарбидного нижнего бейнита, позволяющего получить изделия в более широком диапазоне прокаливаемости.
Состав, содержащий 0,75% углерода, марганца 3,0%, хрома 3,0%, молибдена 0,50%, ванадия 0,10%, кремния 1,6%, позволяет получить гарантированно нижний бескарбидный бейнит в интервале превращений в области бейнита от 300°C до 150°C, а мартенсита после получения нижнего бескарбидного бейнита - от 180°C до 100°C (табл. 2, пример 4), тем самым позволяя гарантированно получать изделия с прокаливаемостью до 1000 мм (табл. 3).
При содержании углерода <0,25%, хрома <2,4%, марганца <2,4%, молибдена >0,60%, ванадия >0,16% и кремния >2,5% происходит резкое снижение устойчивости переохлажденного аустенита. Прокаливаемость при этом падает до 50 мм с увеличением скорости охлаждения до 0,3°C/с (табл. 3, пример 5).
При содержании углерода >0,75%, хрома >3,0%, марганца >3,0%, молибдена <0,50%, ванадия <0,10%, кремния <1,6% получают в бейнитной области превращений карбидный нижний бейнит (табл. 2, пример 6), который ухудшает прокаливаемость (табл. 3), как и другие физико-механические свойства стали.
В таблице 4 представлены данные о микротвердости заявляемой стали и о микроструктуре в зависимости от состава и скорости охлаждения.
Из данных таблицы 4 видно, что при содержании в составе 0,25% углерода, 2,5% кремния, по 2,4% хрома и марганца, 0,6% молибдена, 0,16% ванадия, остальное - железо, при скоростях охлаждения с прокатного нагрева (с 1000°C) 3,0-0,3°C/с образуется полностью мартенсит. При скоростях 0,05-0,03°C/с одновременно образуется преимущественно бескарбидный нижний бейнит (HV, HRC 590-581 (52-52), соответственно).
При содержании углерода - 0,45%, марганца и хрома - по 2,7%, кремния - 2%, молибдена - 0,55%, ванадия - 0,13% образуется одновременно преимущественно бескарбидный нижний бейнит и мартенсит (HV, HRC 648-559, (56-50), соответственно) при скоростях охлаждения 0,3-0,03°C/с. А при скоростях охлаждения 3,0-1,5°C/с - полностью мартенсит.
При содержании углерода - 0,75%, марганца и хрома - по 3,0%, кремния 1,6%, молибдена - 0,5%, ванадия 0,16% образуется нижний бескарбидный бейнит при скорости охлаждения 0,3-0,05°C/с с малым содержанием перлита, а при меньших скоростях - с перлитом в качестве избыточной фазы, ухудшающей свойства стали (HV, HRC 566-513, (51-48)).
Заявляемый состав стали имеет преимущества перед прототипом:
- Сталь обеспечивает прокаливаемость изделиям в широком диапазоне габаритных величин (до 1000 мм в сечении).
- Состав позволяет варьировать скорость охлаждения, степень прокаливаемости, температуру превращений в бейнитной области и ниже с гарантированным получением бескарбидного нижнего бейнита.
- Состав стали и ее получение при различных скоростях охлаждения (в пределах 0,3-0,03°C/с), в зависимости от содержания углерода и кремния в нем, при системном легировании остальных компонентов (Cr, Mn, Mo, V) приводят к снижению критических точек превращений мартенсита после образования или во время образования бейнитной структуры.
- Благодаря полученным эффектам впервые стало возможно получение среднеуглеродистой системнолегированной стали со структурой бескарбидного нижнего бейнита.
Сталь, за счет устойчивого появления бескарбидного нижнего бейнита перед мартенситным превращением создала условия для прокаливаемости изделий по сечению от 50 мм до 1000 мм, что позволило расширить область ее использования в различных отраслях машиностроения: от инструментальной до изделий, используемых в тяжелом машиностроении, - крупногабаритных, большого сечения.