ВЫСОКОПЛАСТИЧНАЯ НЕСТАРЕЮЩАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ
HIGH DUCTILITY NONAGING CARBON STEEL AND ITEM MADE OUT OF IT

Изобретение относится к области металлургии, к составам сталей, обладающих высокой пластичностью, и изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве листов, сортового проката (круг), применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали.
Известны стали 08Ю, 08ПС, 08КГ, относящиеся к разряду высокопластичных в холодном состоянии, содержащие, вес.%, таблица 1.
Таблица 1
Марка стали
Массовая доля элементов, %
углерод
марганец
сера
фосфор
кремний
алюминий
не более
08Ю
0,07
0,35
0,025
0,020
0,03
0,02-0,07
08ПС
0,09
0,45
0,030
0,025
0,04
-
08КП
0,1
0,40
0.030
0,025
0,03
-
[ГОСТ 9045-93 «Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки»].
Указанные стали обладают неплохой способностью к формоизменению в холодном состоянии, т.е. они достаточно пластичные, но не упрочняются ни термической, ни механической обработкой.
По этим причинам стали непригодны для изготовления из них деталей с различной прочностью по зонам.
Известна также сталь 11ЮА, содержащая в вес.%
Углерод
0,09-0,13
Марганец
0,03-0,50
Алюминий
0,03-0,09
Кремний
н.б. 0,13
Хром
н.б. 0,2
Никель
н.б. 0,15
Медь
н.б. 0,2
Железо
остальное
[ГОСТ В 19032 «Кружки и полосы из стали 11ЮА»].
Указанная сталь обладает достаточно высокой пластичностью при холодной штамповке, но в готовых изделиях из этой стали невозможно получить требуемый уровень прочности по пределу текучести выше 600 МПа.
в
0,2
Известна также сталь 10ГН [ТУ 14-1-2371 «Лист горячекатаный из стали марки 10ГН» - прототип]. Сталь содержит мас.%: углерод 0,11-0,15, марганец 0,6-0,9, кремний 0,3-0,6, никель 0,6-0,9, алюминий 0,02-0,07, хром не более 0,2, медь не более 0,2, сера не более 0,030, фосфор не более 0,025, железо - остальное. Сталь в нормализованном состоянии имеет близкое к требованиям значение временного сопротивления (σ 400-500 МПа), но не упрочняется до требуемых значений предела текучести (σ=687-785 МПа).
Кроме того, сталь не обладает достаточной пластичностью для холодной штамповки из толстого листа тонкостенных обечаек методом выдавливания.
т
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопластичной нестареющей углеродистой стали, сочетающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии, и обеспечивающую упрочнение до σ≥687 МПа на отдельных участках готового изделия при сохранении вязкости до температур минус -60°С.
Технический результат изобретения состоит в повышении пластичности при холодной штамповке и в обеспечении высокой прочности на отдельных участках штампованного изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что высокопластичная, нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,08-0,15
Марганец
0,3-1,0
Никель
0,2-1,5
Алюминий
0,03-0,1
Кремний
0,05-0,2
Медь
0,05-0,35
Хром
0,05-0,4
Ванадий
0,05-0,2
Азот
0,01-0,04
Железо и неизбежные примеси
остальное,
при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не должно превышать 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.
Технический результат достигается также тем, что изделия выполнены из сталей, указанных составов в виде толстого листа толщиной 22-25 мм, а также в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.
Сущность изобретения заключается в том, что в сталь вводится ванадий в количестве 0,05-0,2%, азот в количестве 0,01-0,04, дополнительно регламентировано суммарное содержание кремния, хрома, меди и ванадия и соотношение кремния и меди.
в
Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия выбрано из тех соображений, что указанные элементы оказывают различное влияние на ход фазовых превращений в стали, вызывая в одном случае (хром) увеличение склонности стали к закалке при охлаждении и, следовательно, к упрочнению за счет образования структур игольчатого типа (мартенсит, бейнит), что нежелательно, т.к. сталь должна иметь в состоянии поставки σ не более 410 МПа.
Кремний, с одной стороны, необходим в стали как раскислитель и стабилизатор феррита, с другой стороны, кремний оказывает отрицательное влияние на свариваемость стали. Кремний также не в лучшую сторону влияет на штампуемость стали в холодном состоянии.
в
0,2
Далее, сталь в состоянии поставки, т.е. перед штамповкой, должна иметь прочность (σ) в пределах 380-410 МПа, а в готовом изделии отдельные зоны должны иметь прочность (по пределу текучести) σ=687-785 МПа. Для достижения этой цели в сталь вводится медь - элемент, который упрочняет твердый раствор железа, оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость и повышает склонность к деформационному упрочнению, что необходимо для получения в изделиях упрочненных зон.
в
0,2
Марганец, вводимый в сталь в количестве 0,3-1,0%, необходим для обеспечения низкой прочности (σ≤410 МПа) стали в состоянии поставки после нормализации, т.е. перед холодной штамповкой, и для получения высокой прочности (σ=687-785 МПа) в требуемых зонах готовых изделий после штамповки, поскольку также вызывает повышение склонности стали к деформационному упрочнению.
Углерод в стали в количестве 0,08-0,15% обеспечивает полиморфное превращение аустенита диффузионным путем, т.е. с образованием феррито-прелитной структуры, обеспечивающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии.
Никель в количестве 0,2-1,5% необходим в стали для сохранения вязких свойств при низких до минус 60-70°С температурах.
Алюминий в сталь вводится в количестве 0,03-0,1% для предотвращения склонности стали к механическому старению, которое со временем вызывает низкотемпературное охрупчивание стали.
Для достижения требуемого комплекса технологических и служебных свойств изделий из предлагаемой стали в нее вводится ванадий в количестве 0,05-0,2% и азот в количестве 0,01-0,04%. Как было отмечено выше, в сталь вводится алюминий для предотвращения механического старения стали, за которое ответственен азот, находящийся в твердом растворе и образующий так называемые «облака Котрелла». Алюминий при введении в сталь вступает во взаимодействие с азотом, образуя нитрид алюминия AlN и тем самым препятствует образованию «облаков Котрелла», сталь становится нестареющей.
Но нитрид алюминия AlN весьма стоек и растворяется при очень высоких температурах (>1100°С) и не улучшает технологические свойства стали.
В нашем случае для получения упрочненных зон желательно иметь азот в твердом растворе, поскольку он способствует увеличению деформационного упрочнения.
Вводя в сталь ванадий, элемент, имеющий за счет большего сродства к азоту, чем алюминий, более высокое значение параметра взаимодействия
(в то время как ), часть азота пойдет на образование нитрида ванадия VN, температура растворения которого в стали такого состава на 100-150°С ниже.
В силу этого обстоятельства у предлагаемой стали появляется возможность получить зоны с относительно высокой прочностью, т.к. при нагреве до температур нормализации 950°С нитрид ванадия растворится в твердом растворе, а свободный азот займет места в межузловых зонах кристаллической решетки и будет способствовать получению высокой прочности в нужных зонах изделия из этой стали за счет упрочнения стали при деформации.
в
Экспериментально установлено, что при выполнении соотношений ΣCr+Si+Cu+V≤0,6% и Si/Cu≤2 сталь сохраняет низкие значения σ≤410 МПа и высокую способность к формоизменению при холодной штамповке толстых (22-25 мм) листов.
Примеры реализации изобретения. Стали предлагаемого состава и прототип выплавляли в 20 кг индукционной печи и разливали в слитки массой по 17 кг. Слитки ковали и прокатывали на лист размером 23×200×300 мм, из которого были изготовлены обечайки методом холодной штамповки. В таблице 2 представлен химический состав опытных плавок предлагаемой стали и прототипа.
Таблица 2
Химический состав опытных сталей.
№ плавки
C
Mn
Ni
Al
V
Si
Cu
Р
S
Cr
N
ΣCr+Si+Cu+V
<img file="00000003.tif" he="10" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
0,094
0,45
0,21
0,055
0,1
0,1
0,07
0,004
0,007
0,051
0,02
0,321
1,42
2
0,082
0,48
0,33
0,038
0,082
0,12
0,09
0,02
0,006
0,061
0,023
0,353
1,33
3
0,085
0,85
0,43
0,045
0,075
0,12
0,1
0,025
0,008
0,1
0,035
0,395
1,2
4 прототип
0,11
0,65
0,82
0,037
-
0,55
0,15
0,005
0,006
0,18
-
-
3,66
Примечание: во всех плавках железо, неизбежные примеси - остальное.
Механические свойства сталей после нормализации при 920°С приведены в таблице 3.
Таблица 3
Механические свойства сталей.
№ плавки
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ<sub>5</sub>
ψ
Ан
МПа
%
кгс·м/см<sup>2</sup>
20°С
-70°С
1
395
320
38
82
26
8
2
400
326
36
84
23
7
3
392
318
41
85
25
9
4 (прототип)
450
395
28
67
12
3
5
в
Из данных таблицы 3 видно, что предлагаемая сталь имеет значение временного сопротивления 392-400 МПа при достаточно высоких значениях относительного удлинения δ>35%, в то время как σ прототипа (450 МПа) на 40 МПа выше предельно допустимого значения.
Значения предела текучести в упрочненных местах обечаек, выполненных холодной штамповкой, приведены в таблице 4. Из данных таблицы 4 видно, что предел текучести после упрочнения предлагаемой стали составляет 690-780 МПа, в то время как предел текучести прототипа не превысил 560 МПа.
Таблица 4
Значения предела текучести сталей в упрочненном состоянии.
№ плавки
Предел текучести σ<sub>0,2</sub> МПа
1
695; 720; 695; 715; 725; 718; 740; 752; 734
2
760; 755; 720; 695; 740; 754; 738; 750; 758
3
710; 698; 704; 708; 725; 730; 744; 752; 695
4 прототип
560; 540; 480; 465; 510; 520; 514; 495; 498
Полученные результаты механических испытаний свидетельствуют о достижении требуемого комплекса прочностных, пластических и вязких свойств на предлагаемой стали и изделиях, выполненных из нее.