СТАЛЬ ДЛЯ СТВОЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК
STEEL FOR BARREL WORKPIECES

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям для изготовления изделий, работающих в условиях истирающих циклических нагрузок в агрессивной среде пороховых газов, а именно для ствольных заготовок.
Известна конструкционная сталь, предназначенная для ствольных заготовок следующего химического состава, мас.%: углерод 0,48-0,55, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,85, хром 0,10-0,30, бор 0,001-0,0045, цирконий 0,04-0,06, сера 0,18-0,025, железо - остальное (марка стали 50РА-В, ТУ В3-75-89). Сталь обладает повышенной прокаливаемостью и, как следствие, высоким комплексом механических свойств, в частности конструктивной прочностью, которая необходима в условиях динамических истирающих циклических нагрузок. Недостатком стали является низкая коррозионная стойкость, которая необходима в условиях агрессивной среды пороховых газов и воздействия атмосферы.
Известна коррозионно-стойкая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,09-0,15, кремний - до 0,80, марганец - до 0,80, хром 12,0-14,0, железо и примеси - остальное (марка стали 12Х13, ГОСТ 5632-72). Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью при пониженных механических характеристиках.
Наиболее близкой по технической сущности является коррозионно-стойкая сталь следующего химического состава, мас.%: углерод 0,16-0,25, кремний до 0,80, марганец до 0,80, хром 12,0-14,0, железо и сопутствующие примеси - остальное (сталь марки 20Х13, ГОСТ 5632-72, прототип). Данная сталь имеет высокую коррозионную стойкость.
Недостатком данной стали являются пониженные пластические характеристики - относительное сужение и ударная вязкость, низкая способность стали к холодной деформации, в частности к холодному редуцированию, определяемая величиной отношения предела текучести к пределу прочности. Чем эта величина меньше, тем выше способность стали воспринимать редуцирование. Это отрицательно сказывается на формирование комплекса свойств, которые достигаются при холодном редуцировании ствольных заготовок.
Задачей, решаемой изобретением, является получение стали, обладающей высокой способностью к холодному редуцированию и высокими коррозионными свойствами в условиях воздействия пороховых газов и истирающих нагрузок.
Указанная задача достигается тем, что сталь для ствольных заготовок, включающая углерод, кремний, марганец, хром, дополнительно содержит никель, алюминий, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,11-0,16
кремний
0,10-0,60
марганец
0,20-0,80
хром
12,0-13,5
никель
1,1-2,5
алюминий
0,01-0,10
азот
0,01-0,10
железо и примеси
остальное
при условии, что содержание углерода, никеля и азота удовлетворяет следующему соотношению: Ni:(C+N)=6,8-17,5.
Содержание в стали хрома в пределах 12,0-13,5 мас.% обеспечивает требуемую коррозионную стойкость. В случае содержания хрома менее 12,0 мас.% коррозионная стойкость стали снижается. При содержании хрома более 13,5 мас.% снижается технологическая пластичность при металлургическом переделе.
Содержание углерода в стали 0,11-0,16 мас.% позволяет достичь однородной мартенситной структуры, что благоприятно сказывается на способности стали к холодному редуцированию. При содержании углерода менее 0,11 мас.% невозможно обеспечить однородного фазового состава и, как следствие, стабильно высокой коррозионной стойкости стали, а при содержании более 0,16 мас.% заметно снижается способность стали к холодному редуцированию. Введение никеля в сталь одновременно повышает уровень пластичности и прочности, способность стали к редуцированию. При содержании никеля менее 1,1 мас.% его влияние на способность стали к холодному редуцированию практически незаметно. При увеличении его содержания более 2,5 мас.% происходит увеличение затрат на производство стали без дальнейшего увеличения свойств.
Введение в сталь алюминия в пределах 0,01-0,10 мас.% обеспечивает измельчение зерна, что благоприятно сказывается на конструктивной прочности и способности стали к холодному редуцированию. При содержании алюминия менее 0,01 мас.% не обеспечивается измельчения зерна, а введение более 0,10 мас.% приводит к появлению большого количества нитридов алюминия, что охрупчивает сталь. Введение азота, частично заменяющего углерод, позволяет повысить конструктивную прочность не приводя к снижению пластичности. Содержание азота менее 0,01 мас.% практически не сказывается на свойствах стали, введение азота более 0,10 мас.% приводит к образованию в стали большого количества нитридов. Это снижает уровень пластических свойств, способствует образованию микротрещин и выкрашиванию нитридов алюминия с внутренней поверхности изделий при их механической обработке и редуцировании. Экспериментально установлены пределы соотношения содержания никеля к суммарному содержанию углерода и азота в стали, которые составляют Ni:(C+N)=6,8-17,5, что обеспечивает оптимальное соотношение пластических и прочностных свойств, влияющих на способность стали к холодному редуцированию.
Таким образом, одновременное введение в сталь никеля, азота и алюминия и соблюдение соотношений содержания компонентов углерода, азота и никеля позволяет повысить способность стали к холодному редуцированию при высоких коррозионных свойствах стали, что является техническим результатом изобретения.
Пример
Выплавку стали производили в дуговых электропечах постоянного тока методом переплава высоколегированных отходов без продувки металла кислородом. Легирование металла никелем производили в завалку в восстановительный период, алюминием посредством введения порошковой проволоки. Легирование стали азотом производили присадкой азотированных ферросплавов. Разливку металла производили в слитки сифонным способом с использованием экзотермической смеси. Слитки прокатывали на стане 850 на промежуточную заготовку квадрат 260 мм с перекатом на квадрат 128 мм с дальнейшим прокатом на стане 400 на сорт 36 мм. Слитки и прокат подвергались термообработке в печах камерного типа.
Определение уровня механических свойств проводили на готовых прутках в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73. Методом холодного редуцирования из предлагаемой стали были изготовлены стволы стрелкового оружия. В соответствии с методикой ГОСТ 9.311-87 были проведены коррозионно-стойкие испытания стволов конденсационным методом.
Химический состав стали с учетом соотношения углерода, никеля, азота представлен в таблице 1. Результаты испытаний стали перед редуцированием приведены в таблице 2. Результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 3. Сталь марки 50РА-В не относится к классу коррозионно-стойких, поэтому коррозионным испытаниям не подвергалась. Как видно из таблиц 1, 2, 3, оптимальными являются варианты 2, 3, 5, 6, 8. Для сравнения приведены составы и свойства сталей-аналогов.
Предлагаемая сталь обладает высокой способностью к холодному редуцированию, что позволяет получить качественные ствольные заготовки, которые практически не уступают по конструктивной прочности заготовкам, изготовленным из обычно применяемых конструкционных сталей, и существенно превосходящие их по коррозионной стойкости.
Таблица 1
Химический состав стали
№ плавки
Химический состав, мас.%
Соотношение Ni:(C+N)
C
Si
Mn
Cr
Ni
Al
N
Fe и примеси
1 Предл.
0,08
0,08
0,17
11,24
0,94
0,007
0,008
Ост.
10,7
2
0,11
0,10
0,20
12,0
1,10
0,010
0,010
Ост.
9,2
3
0,12
0,35
0,41
12,67
2,29
0,015
0,011
Ост.
17,5
4
0,11
0,47
0,34
12,46
2,40
0,01
0,02
Ост.
18,5
5
0,14
0,38
0,32
12,94
1,58
0,02
0,02
Ост.
9,9
6
0,15
0,44
0,51
13,07
1,22
0,03
0,03
Ост.
6,8
7
0,16
0,51
0,62
13,18
1,16
0,03
0,03
Ост.
6,1
8
0,16
0,60
0,80
13,50
2,50
0,10
0,10
Ост.
9,6
9
0,18
0,65
0,87
14,2
2,72
0,11
0,12
Ост.
9,1
10. 12Х13
0,11
0,36
0,49
12,71
-
-
-
Ост.
-
11. 20Х13
0,21
0,42
0,54
12,63
-
-
-
Ост.
-
12. 50РА-В
0,51
0,26
0,63
0,20
B - 0,002; Zr - 0,05; S - 0,021
Ост.
-
Таблица 2
Результаты испытаний стали перед редуцированием
№ плавки
Предел текучести, МПа
Предел прочности, МПа
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
Отношение предела текучести к пределу прочности
Ударная вязкость, KCU, Дж/см<sup>2</sup>
Твердость, HRC
1 Предл.
838
951
18
63
0,881
127
29
2
833
960
20
67
0,868
127
29
3
843
970
19
64
0,869
118
30
4
838
856
21
67
0,877
108
31
5
823
960
20
69
0,857
118
29
6
823
956
21
68
0,861
137
28
7
853
970
19
62
0,879
108
31
8
848
980
18
64
0,865
118
31
9
843
956
18
63
0,882
118
30
10. 12Х13
833
911
18
64
0,914
147
28
11. 20Х13
911
990
18
51
0,920
78,4
32
12. 50РА-В
813
931
20
56
0,873
118
30
Таблица 3
Результаты коррозионных испытаний
№ плавки
Площадь коррозионного поражения, %
Оценка, балл
1 Предл.
14
9
2
0
10
3
0
10
4
11
9
5
0
10
6
0
10
7
0
10
8
0
10
9
0
10
10. 12Х13
0
10
11. 20Х13
15
9