НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
LOW-ALLOY STRUCTURAL STEEL WITH INCREASED STRENGTH

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали с повышенной прочностью для изготовления горячекатаных автомобильных компонентов.
Известна нелегированная конструкционная сталь S355J0 с минимальным пределом текучести 355 МРа, содержащая, мас.% max:
углерод - не более 0,22;
кремний - не более 0,55;
марганец - не более 1,60;
фосфор - не более 0,03;
сера - не более 0,03;
азот - не более 0,012;
медь - не более 0,55;
железо и примеси - остальное. [1]
Эта сталь наиболее близка к предлагаемой по механическим свойствам, составу и назначению и взята за прототип.
DIN EN 10025-2:2005 содержит верхние границы химического состава и обязательный перечень элементов, но не указывает конкретные пределы их содержания и дополнительные элементы для получения требуемых механических свойств по DIN и специальных требований заказчика, соответствующим условиям эксплуатации.
Основная техническая задача изобретения состоит в получении стали с повышенным пределом текучести, с увеличенным показателем пластичности, повышенным показателем работы удара, возможностью использования при отрицательных температурах, с хорошей свариваемостью, повышенной обрабатываемостью, с сохранением интервала по прочности, экономически целесообразной в применении ввиду использования недефицитных легирующих элементов.
Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается модифицированная низкоуглеродистая конструкционная, низколегированная с повышенной прочностью сталь, содержащая в мас.%:
углерод - 0,15-0,20;
марганец - 1,3-1,5;
кремний - 0,05-0,45;
фосфор - не более 0,02;
сера - 0,02 - 0,05;
медь - не более 0,25;
ванадий - 0,03-0,055;
азот-0,004-0,015
железо и примеси - остальное. Условное обозначение стали S355J0 mod.
Содержанием углерода и марганца обеспечивается заданный интервал по пределу прочности (470-630 МПа) и обеспечение повышенной пластичности (относительного удлинения) не менее 20% (вместо не менее 16%).
Необходимое и достаточное содержание ванадия в качестве элемента, связывающего азот, обеспечивает карбонитридное упрочнение в процессе у - а превращения по механизму дисперсионного твердения за счет чего происходит повышение предела текучести материала не менее 400 МПа. Повышенный предел текучести позволяет снизить расход металла в эксплуатации и позволяет получить показатель работы удара при температуре от 0°C до -40°C не менее 80 Дж.
Экспериментально установлено, что при содержании марганца ниже установленного предела и отсутствии ванадия заявленный предел текучести и работа удара не достигаются.
Повышенное содержание серы приводит к улучшению обрабатываемости стали резанием.
Способность материала к сварке оценивается величиной углеродного эквивалента. Для определения углеродного эквивалента используется следующая формула Международного института сварки, приведенная в DINEN 10025-1:
Предлагаемая сталь характеризуется величиной углеродного эквивалента Сэкв≤0,47%.
Оптимальный химический состав, способ раскисления, технология производства (горячая деформация) готового профиля позволяют получать однородную мелкозернистую феррито-перлитную структуру с минимальной разнозернистостью не превышающей 3-х смежных номеров. Балл зерна 7-8-9 по ASTM E 112 (ГОСТ 5639-82) при требовании заказчика к размеру зерна не крупнее 5 номера. Кроме того, в феррито-перлитной структуре не наблюдается присутствие игольчатой бейнитной структуры (требования заказчика: максимальное содержание бейнита в феррито-перлитной структуре не более 6%).
На фигуре 1 представлена фотография микроструктуры образца горячекатаного профиля модифицированной стали одной из плавок с величиной зерна 8 номер по ASTM Е 112 (по ГОСТ 5639) при 100-кратном увеличении с установленной масштабной линейкой длиной 400 мкм.
Практический пример выполнения.
Выплавка заявленной марки стали проводится на ЗАО "Омутнинский металлургический завод" в сталеплавильном агрегате. В СПА выплавляют сталь основного состава, содержащую углерод, марганец, кремний, железо и неизбежные примеси, после нагрева до 1620-1640°C выпускают в сталеразливочный ковш. Раскисление стали алюминием проводят на сливе из сталеплавильного агрегата в ковш, вводят в донную зону ковша компоненты для раскисления при оптимальном соотношении [Mn]/[Si]≤3. Проводится достаточно глубокое раскисление стали вторичным алюминием для получения оптимальных условий всплытия образовавшихся крупных оксидов алюминия. Дополнительно контролируется кислород (не более 0,001% на предлагаемой марке стали).
После выпуска плавки из СПА производят удаление печного шлака из сталеразливочного ковша. При внепечной обработке с продувкой металла аргоном наводят известково-глиноземистый шлак присадками извести и алюмосодержащего материала. Получают марочное содержание основных элементов (углерод, марганец, кремний) и раскисленный рафинировочный «белый» шлак.
Ванадий вводят в виде кускового ферросплава до достижения целевой концентрации. Затем нагревают металл до температуры, гарантирующей заданный перегрев металла над температурой ликвидус стали в промежуточном ковше при разливке на МНЛЗ, с учетом существующих тепловых потерь и последующего легирования серой. Ввод серы в сталь осуществляют порошковой проволокой при помощи трайб-аппарата после загущения шлака магнезитовым порошком.
Разливку на МНЛЗ производят с защитой металла от вторичного окисления способом «под уровень». Оголение поверхности металла в промковше (искрение) не допускают.
Заготовку прокатывают на станах горячей прокатки по технологическим инструкциям и схемам прокатки ЗАО "ОМЗ". Получают горячекатаный профиль для изготовления петли двери автомобиля Фольксваген.
Произвели семь плавок с предложенным составом модифицированной стали, две плавки 8 и 9 с пониженным содержанием марганца и без ванадия. Полученный химический состав в сравнении с прототипом приведен в таблице 1. Заявленному изобретению соответствуют плавки с 1 по 7.
Оценку механических свойств и структуры стали проводили в лаборатории контрольных испытаний ЗАО "ОМЗ". Испытания механических свойств проводились на 25-тонной разрывной машине фирмы "QUASAR 250", испытание твердости проводились на твердомере типа ТШ-2М по методу Бриннеля. Результаты исследования механических свойств известной и предлагаемой стали, а также углеродный эквивалент приведены в таблице 2. Испытания работы удара при отрицательных температурах проведены на образцах 3-х опытных плавок. Для одной из плавок представлен пример рассчета:
Опытно-промышленные испытания по критериям прочности, пластичности и работы удара провела фирма "EDSCHA", изготавливающая петли дверей автомобилей различных типоразмеров. Продукция с указанными параметрами удовлетворила потребителей фирмы. Поступило предложение о замене марки стали S355 JO всех поставляемых горячекатаных профилей на S355 JO mod как наиболее удовлетворяющую условиям эксплуатации.
Таким образом, предложенный химический состав позволяет получить сталь с повышенным пределом текучести, с повышенным показателем пластичности, хорошей свариваемостью, повышенной обрабатываемостью, пониженной склонностью к механическому старению, возможностью использования при отрицательных температурах, возможностью исключения дополнительной термообработки, с сохранением интервала по прочности, экономически целесообразной в применении ввиду использования недефицитных легирующих элементов при изготовлении горячекатаных автомобильных компонентов.
Таблица 2
Марка стали
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Относительное удлинение, %
Работа удара, Дж
Твердость, НВ
при
при
при
0°C
-20°C
-40°C
1
630
497
23,5
107
-
-
187
2
630
460
27
112
-
-
170
3
615
469
26
111
128
112
170
4
624
458
26
105
-
-
187
5
617
414
26
136
104
83
179
6
627
464
28
107
125
121
179
7
630
474
25
133
-
-
179
8
576
384
32
67,6
-
-
-
9
600
395
22
47,0
-
-
-
ПредлагаемаяS355J0 mod
470-630
≥400
≥20
≥80
160-220
Аналог S355J0
470-630
≥355
≥16
≥27
не нормируется
Источники информации
1. DINEN 10025-2:2005.