ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ
HIGH-STRENGTH STEEL AND ARTICLE MADE FROM IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к составам высокопрочных марок сталей, используемых в бронезащитных конструкциях.
Известна броневая сталь, предназначенная для изготовления холоднодеформированных деталей, работающих в условиях высокоскоростного импульсного нагружения. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, кальций, титан, алюминий, ниобий, азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,38-0,45, кремний 1,30-1,60, марганец 0,50-0,80, хром 1,00-1,40, никель 1,10-1,60, молибден >0,50-0,60, кальций 0,003-0,008, титан 0,02-0,05, алюминий 0,05-0,10, ниобий 0,03-0,05, азот 0,03-0,05, железо остальное [Патент RU 2434071, МПК С22С 38/50, 2011].
Недостатком данной стали является ее недостаточная свариваемость и гибкость.
Наиболее близким аналогом является броневая сталь, используемая в бронезащитных конструкциях в упрочненном состоянии после закалки на мартенсит, содержащая, мас. %: 0,24-0,64 С; 0,4-1,9 Si; 0,3-1,6 Мn; 0,6-2,0 Сr; 0,6-1,8 Ni; 0,10-0,40 Mo; 0,01-0,15 Al; 0,001-0,020 N; 0,05-0,35 Сu; 0,01-0,15 Ti; остальное Fe. Кроме того, броневая сталь может дополнительно содержать 0,05-5,0 мас. % Со [Патент RU 2447181, МПК С22С 38/14, С22С 38/50, 2012].
Недостатком данной стали является ее низкая твердость и недостаточная прокаливаемость.
Технический результат изобретения - повышение потребительских свойств, а именно бронестойкости и технологического использования (свариваемости) высокопрочной стали и изделий, выполненных из нее, обладающих высокой твердостью.
Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь, титан и железо, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий, ниобий и бор при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод 0,20-0,35
Кремний 0,7-1,5
Марганец 0,2-1,1
Хром 0,5-1,2
Никель 1,0-1,9
Молибден 0,05-0,45
Алюминий 0,005-0,15
Азот не более 0,02
Медь не более 0,5
Титан 0,001-0,3
Ванадий не более 0,4
Ниобий 0,001-0,3
Бор не более 0,015
Железо остальное.
при этом она в своей структуре имеет средний размер неметаллических включений не более 10 мкм.
Сталь дополнительно может содержать не более 0,0005% кислорода; не более 0,0005% водорода; не более 0,25% мышьяка; не более 0,015% олова, свинца, цинка и сурьмы каждого из компонентов.
Сталь имеет мартенсито-бейнитную структуру с содержанием остаточного аустенита до 5%.
Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из стали указанного состава.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При содержании углерода менее 0,20% сталь имеет не достаточную твердость. При содержании углерода более 0,35% снижается свариваемость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он повышает устойчивость мартенсита при локальном нагреве в месте соударения с пулевым сердечником. При содержании кремния менее 0,7% прочность стали ниже допустимой. При содержании более 1,5% снижается свариваемость.
Марганец раскисляет сталь, повышает его прочность, связывает серу. При содержании марганца менее 0,20% сталь является не достаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании марганца более 1,10% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании хрома менее 0,50% сталь имеет не достаточную твердость. При содержании хрома более 1,20% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании никеля менее 1,0% снижается прочность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам. Содержание никеля более 1,9% приводит к чрезмерному удорожанию стали.
При содержании молибдена менее 0,05% сталь не обладает достаточной прокаливаемостью, имеет не достаточную твердость. При содержании молибдена более 0,45% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании алюминия менее 0,005% сталь является не достаточно раскисленной, что приводит к ее охрупчиванию. При содержании алюминия более 0,15% увеличивается количество не металлических включений в стали, что ведет к снижению ее пластичности и стойкости к ударным нагрузкам.
Нитриды в стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность, поэтому содержание азота в стали ограничено 0,02%.
При содержании меди свыше 0,5% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании титана менее 0,001% сталь является не достаточно раскисленной, снижается ее прочность, а также повышается ее чувствительность к перегреву. Повышение содержания титана более 0,30% приводит к снижению вязкостных свойств стали.
При содержании ванадия более 0,40% снижается пластичность стали и ее стойкость к ударным нагрузкам.
При содержании ниобия менее 0,001% сталь имеет не достаточную твердость, не обладает достаточной износостойкостью, а также становится чувствительной к перегреву. При содержании ниобия более 0,30% повышается склонность стали к охрупчиванию.
Бор измельчает микроструктуру стали и повышает ее прокаливаемость. Увеличение содержания бора более 0,015% приводит к снижению ударной вязкости стали.
Водород растворяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве - пористости и трещин. Его содержание в стали ограничено 0,0005%.
в
т
Кислород в стали ухудшает все свойства: пределы прочности (σ) и текучести (σ), относительное удлинение (δ) и ударную вязкость (α). Его содержание в стали ограничено 0,0005%.
Мышьяк в стали не является вредной примесью, и его действие похоже на действие меди. При содержании до 0,1% мышьяк повышает предел прочности и предел упругости стали. При этом пластичность и ударная вязкость снижаются незначительно. Мышьяк при затвердевании ликвирует подобно сере и фосфору. Присадка мышьяка несколько повышает сопротивляемость стали атмосферной коррозии. До 0,25% мышьяк не изменяет свариваемость стали.
Олово, свинец, цинк и сурьма повышают чувствительность стали к отпускной хрупкости. Их содержание в стали должно быть ограничено 0,015% каждого.
Преимущественно мартенситная структура обеспечивает наилучшее сочетание твердости стали и ее стойкости к ударным нагрузкам.
У нижнего бейнита игольчатое строение, похожее на строение мартенсита. Карбиды нижнего бейнита очень мелкие, благодаря этому структура нижнего бейнита обеспечивает высокую твердость и прочность стали и при этом сохраняет высокую пластичность.
Наличие остаточного аустенита до 5% повышает пластичность стали.
2
Для того, чтобы сталь удовлетворяла комплексу требуемых механических свойств, средний размер содержащихся в ней неметаллических включений должен быть не более 10 мкм. Средний размер неметаллических включений определяется при увеличении ×100 на площади 100 мм в 84 полях зрения и соответствует средне арифметическому значению диаметра всех выявленных включений.
Изобретение поясняется результатами эксперимента.
В таблицах 1 и 2 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей. В таблице 3 представлены контролируемые параметры сталей.
Примеры 1-6 с соблюдением предложенных параметров. Примеры 7-9 с не соблюдением некоторых параметров.
Как следует из таблицы 3, при соблюдении заявляемых параметров (примеры 1-6), сталь обладает высокими твердостью, относительным удлинением, ударной вязкостью и пределом прочности. Полученные характеристики механических свойств стали позволяют повысить бронестойкость различных конструкций, изготовленных из них. Также эксперименты показали, что заявленная сталь обладает удовлетварительной свариваемостью.
Таким образом, предложенная высокопрочная сталь характеризуется повышенными потребительскими свойствами и может использоваться для изготовления бронезащитных конструкций.