ВЫСОКОПРОЧНАЯ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ АЗОТОСОДЕРЖАЩАЯ МАРТЕНСИТНАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH LOW-ALLOY NITROGEN-CONTAINING MARTENSITIC STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к области низколегированных высокопрочных конструкционных сталей, используемых для высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении.
Известна сталь низколегированная углеродсодержащая сталь 18Х2Н4ВА [Международный транслятор современных сталей и сплавов под редакцией B.C. Кершенбаума. М., 1992, т. 1, 1103 С.], содержащая следующие компоненты, мас.%:
углерод
0,14-0,20
хром
1,35-1,65
никель
4,0-4,4
марганец
0,25-0,55
кремний
0,17-0,37
вольфрам
0,8-1,2
железо
остальное
B
0,2
Основным недостатком этой стали является пониженная для высоконагруженных деталей прочность (σ = 1050 МПа, σ = 800 МПа) после термической обработки, включающей закалку от 950°С, масло и отпуск 550°С, а также содержание в ней дорогостоящих элементов никеля и вольфрама.
Наиболее близкой по химическому составу к предлагаемому техническому решению является низколегированная углеродсодержащая сталь 30Х3МФ [Международный транслятор современных сталей и сплавов под редакцией B.C. Кершенбаума. М., 1992, т. 1, 1103 С.], содержащая следующие компоненты, мас.%:
углерод
0,27-0,34
хром
2,3-2,7
марганец
0,3-0,6
кремний
0,17-0,37
молибден
0,2-0,3
ванадий
0,06-0,12
железо
остальное
B
0,2
Основным недостатком этой стали является пониженная прочность (σ = 980 МПа, σ = 835 МПа).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа легирования, позволяющего получать высокопрочную низколегированную конструкционную сталь, обладающую по сравнению со сталями 18Х2Н4ВА и 30Х3МФ более высоким пределом текучести и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности низколегированной конструкционной стали.
Технический результат достигается тем, что в углеродсодержащую низколегированную сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, железо и примеси, дополнительно введен азот, при следующем соотношении компонентов мас.%:
углерод
0,05-0,10
кремний
0,2-0,4
марганец
0,5-1,0
хром
от 2,5 до менее 3,0
азот
от 0,15 до менее 0,2
железо и примеси
остальное
Дополнительное введение азота в состав стали в количестве 0,15-0,20% приводит к повышению прочности. Увеличение показателей прочности обусловлено твердорастворным упрочнением и упрочнением дисперсными частицами карбонитридной фазы, выделяющимися в процессе нагрева при температурах 200-400°С. Высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости связаны с формированием структуры азотистого мартенсита с тонкими прослойками остаточного аустенита, а также дисперсными частицами карбонитридной фазы. При концентрации азота более 0,20% трудно получить качественный металл без пористости из-за ограниченной растворимости азота в расплаве.
3
При содержании углерода более 0,1% по границам зерен выделяются крупные частицы карбидов типа MeC, приводящие к снижению пластичности и ударной вязкости.
Добавки хрома и марганца, повышающие растворимость азота в расплаве железа, в количествах 2,5-3,0% и 0,5-1,0% соответственно достаточны для кристаллизации жидкого метала без образования пор. При содержании хрома менее 2,5% не обеспечивается необходимая растворимость азота в расплаве, а также снижается степень упрочнения стали. Увеличение содержания хрома более 3,0% не приводит к дополнительному упрочнению стали, а также увеличивает стоимость стали. Увеличение содержания марганца более 1,0% приводит к разупрочнению стали вследствие образования аустенита.
Добавки 0,2-0,4% кремния достаточны для раскисления стали. Сталь выплавляли на установке для литья под давлением 30-40 атм азота. Химический состав стали приведен в таблице 1.
Термическую обработку проводили по режимам, состоящим из закалки от 950°С с охлаждением в воде и последующего старения при 200-400°С в течение 2 часов. После указанной обработки наблюдали мелкозернистую (<10 мкм) структуру с реечным мартенситом и очень дисперсными выделениями карбонитридной фазы. Результаты механических испытаний металла приведены в таблице 2.
Таким образом, по результатам испытаний видно (табл. 2), что предлагаемая сталь в отличие от прототипа обладает более высоким пределом текучести и пределом прочности при сохранении повышенной пластичности и ударной вязкости, что приводит к увеличению долговечности и надежности высоконагруженных изделий и конструкций из этой стали.
*- сталь дополнительно содержит 0,25% молибдена и 0,08% ванадия.