МАЛОУГЛЕРОДИСТАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ
LOW-CARBON ALLOY STEEL

Изобретение относится к металлургии, а более конкретно, к малоуглеродистой легированной стали для холодного выдавливания, из прутковой заготовки которой выдавливается корпус снаряда, на который наплавляется медный ведущий поясок.
Данную область техники характеризует малоуглеродистая сталь для холоднотянутой сварочной проволоки по патенту RU 2148674 C1, C22C 38/50, C22C 38/38, B23K 35/30, 2000 г., которая содержит железо, углерод, марганец, никель, титан, алюминий, ванадий, серу и фосфор в следующем соотношении (мас.%):
углерод
0,04-0,06
марганец
1,1-1,5
никель
1,7-1,9
титан
0,05-0,12
алюминий
не более 0,04
ванадий
не более 0,03
сера
не более 0,006
фосфор
не более 0,008
железо
остальное
Особенностью описанной стали является то, что суммарное содержание никеля и марганца составляет 3,0-3,3 мас.% и суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,013 мас.%.
Использование титана в стали позволяет ограничить рост зерна в металле в процессе сварки. Содержание титана 0,05-0,12 мас.% установлено экспериментально из условия формирования в металле сварного шва карбидов титана, отвечающих стехиометрическому соотношению содержания долей титана и углерода, обеспечивающему стабильность размеров зерен в наплавленном металле (сварном шве).
Содержание титана ниже 0,05 мас.% не позволяет контролировать рост зерна, а содержание выше 0,12 мас.% не приводит к дальнейшему улучшению структуры металла.
Содержание углерода не более 0,06 мас.% взято из условия повышения хладостойкости сварных швов.
Содержание углерода не менее 0,04 мас.% взято из условия обеспечения прочности наплавленного материала.
2
Сумма массовых долей никеля и марганца в пределах 3,0-3,3% при содержании никеля 1,7-1,9% и содержание марганца 1,1-1,5% установлена экспериментально из условия обеспечения стабильности прочностных свойств, в частности, предела текучести в диапазоне 500-570 Н/мм.
Для сопротивления хрупким разрушениям сварных швов при пониженных температурах содержание фосфора ограничено не более 0,008% при суммарном содержании серы и фосфора не более 0,013%.
Выплавка стали производится в 100-тонных дуговых печах с использованием одношлаковых процессов и до 30% жидкого чугуна в заливку. Окисленный период начинается в конце расплавления, что способствует получению низкого содержания газов в металле.
В ковше наводится рафинированный шлак, под которым производится раскисление и легирование металла с одновременной обработкой аргоном в вакууме. В процессе разливки в слиток струя металла защищается с помощью специальных приспособлений и аргона от вторичного окисления.
Описанная сталь характеризуется высокой технологичностью при автоматической сварке под различными видами флюсов.
Продолжением отмеченных достоинств этой стали являются присущие недостатки, которые выражаются ее непригодности в качестве конструкционного материала корпусов артиллерийских снарядов из-за низких прочностных характеристик и стойкости прессового и режущего инструмента, плохой адгезией с медью.
Более совершенной является малоуглеродистая легированная прутковая сталь марки 15ФЮА по ГОСТ В.10230 для изготовления корпусов снарядов методом холодного выдавливания, которая по числу совпадающих признаков и технической сущности выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной, которая содержит железо, углерод, марганец, алюминий, ванадий и серу, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
углерод
0,13-0,18
марганец
0,30-0,50
алюминий
0,02-0,07
ванадий
0,10-0,15
сера
до 0,025
железо
остальное
(см. Марочник Стали и сплавы, В.Г. Сорокин, М., «Интермет инжиниринг», 2001, с.10).
Указанная сталь, которая по технической сущности и числу совпадающих признаков выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной, используется для изготовления корпусов малокалиберных снарядов многопереходным холодным выдавливанием каморы под взрывчатое снаряжение, ведущий поясок которого формируется запрессовкой медного кольца в радиальную канавку специального профиля.
02
2
При штамповке прутковой заготовки, формирующей холодным выдавливанием камору снаряда, происходит сопутствующий наклеп и упрочнение стали, в результате чего достигается заданный предел текучести σ≥65 кг/мм, обеспечивающий нормальное функционирование снаряда при динамическом нагружении в канале ствола.
Присутствие в стали алюминия улучшает ее технологичность, так как алюминий связывает свободный азот, предотвращая деформационное старение стали корпуса на прессовых операциях.
Присутствие в составе стали ванадия наряду с алюминием обеспечивает измельчение зерна для упрочнения при объемной деформации штампованного корпуса.
Недостатком известной стали является ограниченная пригодность для электродуговой наплавки медного ведущего пояска непосредственно на центрирующий поясок корпуса из-за локального разупрочнения металла, а также абразивное действие на режущий инструмент при фасонировании наружного профиля снарядов из-за низкого содержания серы, соединения которой служат в качестве твердой смазки.
К тому же сера в этой стали является примесью и может вовсе отсутствовать, что ограничивает серийное производство боеприпасов, на корпусах которых штамповкой выполняют сетку рифлей, формирующих полуготовые осколки. Этим обеспечивается заданное дробление оболочки на эффективные поражающие элементы, так как раскатанные сернистые включения служат концентраторами напряжений, увеличивающие число осколков.
После прессовых операций проводят механическую обработку резанием, сопровождающуюся налипанием металла на режущий инструмент из-за малого содержания в стали серы.
Суммарного содержания в известной стали алюминия и ванадия 0,17 мас.% недостаточно для полной связи азота и кислорода, что снижает качество наплавленного медного пояска на корпус снаряда (присутствуют поры в объеме ведущего пояска, что может послужить причиной его срыва при стрельбе) и вызывает деформационное старение на прессовых операциях.
02
2
Кроме того, из-за ограничения нижнего предела содержания углерода известная сталь не используется для изготовления артиллерийских гранат, прочностные характеристики корпусов которых не контролируются (σ=40-60 кг/мм, что ниже, чем требуется для корпусов снарядов)
При использовании известной стали для изготовления штампованных корпусов гранат условный предел текучести получаются выше указанного, что вызывает дополнительные нагрузки на прессовый инструмент.
Из-за ограничения верхнего предела содержания в стали марганца 0,50 мас.%, когда углерода минимальное количество, дробление корпуса боеприпаса происходит конгломератами осколков, что снижает эффективность поражающего действия.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение номенклатуры изделий с полуготовыми осколками, изготавливаемых холодным выдавливанием прутковых заготовок из малоуглеродистой легированной стали при электродуговой наплавке медного ведущего пояска непосредственно на центрирующее утолщение корпуса.
Требуемый технический результат достигается тем, что известная малоуглеродистая легированная сталь, содержащая железо, углерод, марганец, алюминий, ванадий и серу, согласно изобретению, включает серу в качестве легирующего компонента, а суммарное содержание алюминия и ванадия ограничено диапазоном 0,19-0,22 мас.%, при следующем содержании компонентов (мас.%):
углерод
0,08-0,20
марганец
0,30-0,65
алюминий
0,02-0,09
ванадий
0,10-0,20
сера
0,026-0,030
железо
остальное
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили расширение номенклатуры штампованных корпусов артиллерийских боеприпасов, ведущее устройство которых выполняется электродуговой наплавкой медной присадочной проволоки непосредственно на центрирующее утолщение, что повышает технологичность изготовления боеприпасов в серийном производстве и улучшает показатели их основного назначения.
Усовершенствованная сталь дополнительно пригодна для изготовления корпусов артиллерийских гранат, которые не имеют ограничения по прочностным характеристикам, что позволило расширить диапазон содержания в ней углерода, снизив минимально допустимый нижний предел до 0,08 мас.%.
Уменьшение содержания в стали углерода обеспечивает снижение нагрузок на прессовый инструмент.
При содержании в стали углерода больше 0,20 мас.% неприемлемо увеличивается износ прессового инструмента.
Оптимизированное содержание в предложенной стали углерода 0,08-0,20 мас.% обеспечивает заданную прочность штампованных корпусов артиллерийских снарядов и дополнительно позволяет изготавливать гранаты, для которых не требуется избыток прочности, поэтому достигается снижение нагрузок на штамповый инструмент.
Таким образом, сталь по изобретению является универсальной.
При содержании марганца в стали меньше 0,25 мас.% происходит неполное раскисление металла, когда несвязанный кислород образует неметаллические включения, которые при штамповке могут послужить причиной разрушения изделия.
Повышение, сравнительно с прототипом, содержания в стали марганца по верхнему диапазону с 0,50 до 0,65 мас.% улучшает свариваемость стали, улучшает прочностные показатели корпусов боеприпасов и увеличивает стойкость прессового инструмента.
При содержании в стали марганца больше 0,65 мас.% происходит упрочнение феррита, что создает дополнительную нагрузку на прессовый инструмент, снижая его стойкость.
Экспериментально отработанный диапазон 0,19-0,22 мас.% суммарного содержания алюминия и ванадия гарантированно обеспечивает прочность сцепления наплавленного медного ведущего пояска с корпусом боеприпаса за счет улучшения адгезионной связи меди со сталью в общей сварочной ванне, не, за счет дегазации исключив порообразование на границе раздела металлов.
Суммарного содержания алюминия и ванадия в стали ниже 0,19 мас.% является недостаточно для и предотвращения порообразования при наплавке медного пояска и предотвращения деформационного старения.
При содержании в стали алюминия меньше 0,02 мас.% неполностью связывается свободный азот, что приводит к деформационному старению металла корпусов и недостаточно измельчается зерно, что снижает прочностные характеристики стали.
Часть алюминия в стали, переходя в окислы, служит для измельчения зерна, являясь центрами кристаллизации, что повышает прочность металла, а часть связывает свободный азот, предотвращая ее деформационное старение.
2
3
При содержании в стали алюминия больше 0,09 мас.% образуется много окислов алюминия (AlO), которые имеют высокую твердость и оказывают абразивное воздействие на режущий инструмент снижая его стойкость.
При содержании в стали ванадия меньше 0,10 мас.% неполностью связываются свободные азот и кислород, что снижает прочность сцепления меди со сталью из-за наличия пор в общей сварочной ванне.
Кроме того, недостаток в стали ванадия вызывает деформационное старение на прессовых операциях.
Содержание ванадия в стали, сравнительно с прототипом, значительно увеличено, чтобы образовались избыточные карбиды, которые обеспечивают дробление корпуса по границам ферритной матрицы.
Содержание в стали ванадия больше 0,20 мас.% не создает заметного улучшения адгезионного сцепления меди ведущего пояска с металлом корпуса.
При содержании в стали серы в диапазоне 0,026-0,030 мас.% формируются сернистые соединения в количестве, обеспечивающем в качестве твердой смазки инструмента улучшение обрабатываемости корпусов резанием, при формировании наружного профиля и нанесении сетки рифлей, ослабляющих оболочку для ориентированного ее дробления на поражающие элементы заданных массогабаритных параметров.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Предложенная малоуглеродистая легированная сталь является технологичной в приготовлении и для переработки в корпуса широкой номенклатуры артиллерийских боеприпасов, которые при этом имеют повышенные прочностные характеристики улучшенные показатели назначения, что позволяет рекомендовать ее для практического использования.
Для сопоставительных технических испытаний были использованы образцы предложенной стали, в которых компоненты содержатся внутри оптимизированных диапазонов, за их пределами и на границах выбранного содержания компонентов, представленные в таблице 1.
Химический состав металла опытных плавок
Таблица 1
Ингредиенты
Содержание ингредиентов в образцах стали, мас.%
1
2
3
4
5
6
15ФЮА
Углерод
0,06
0,08
0,12
0,16
0,20
0,21
0,16
Марганец
0,25
0,30
0,50
0,60
0,65
0,70
0,30
Алюминий
0,01
0,02
0,04
0,07
0,09
0,10
0,04
Ванадий
0,08
0,10
0,12
0,18
0,20
0,22
0,12
Сера
0,025
0,026
0,027
0,028
0,030
0,031
0,010
Средние значения измеренных механических характеристик образцов, показатели технологичности и основного назначения выбранных образцов, сравнительно со штатной сталью 15ФЮА, сведены в Таблицу 2.
Результаты испытаний образцов
Таблица 2
Показатели
1
2
3
4
5
6
15ФЮА
Предел прочности σ<sub>в</sub>, кг/ мм<sup>2</sup>
68
70
73
77
81
81
77
Предел текучести σ<sub>02</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
60
65
68
69
72
73
68
Относительное удлинение δ, %
10
9
8
8
7
7
8
Стойкость режущего инструмента
1.07
1,06
1,05
1,04
1,08
1,09
1,00
Стойкость прессового инструмента
1,10
1,08
1,06
1,00
0,98
0,90
1,00
Количество эффективных осколков
0,95
1,06
1,08
1,00
1,02
1,03
1,00
Опытная проверка предложенной стали при изготовлении партии корпусов малокалиберных артиллерийских гранат и снарядов показала пригодность для серийного производства по режимам технологических операций и стойкости прессового и режущего инструментов, при этом обеспечивается прочное неразъемное соединение медного ведущего пояска с корпусом боеприпаса, исключая локальное его разупрочнение при электродуговой наплавке присадочной медной проволоки.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по артиллерийским боеприпасам, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления модернизированной стали на существующем оборудовании, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.