СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТЬЮ
STEEL FOR MANUFACTURE OF ITEMS WITH INCREASED HARDNESS PENETRATION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к области изыскания сталей бейнитного класса, и может быть использовано при изготовлении крупногабаритных изделий, работающих в условиях значительных ударных воздействий, сосудов высокого давления, режущего инструмента, в спецтехнике.
Известна сталь (а.с. №836190, МПК C22C 38/24, от 16.04.79 г.), содержащая углерод, марганец, хром, кремний, молибден, ванадий, железо при следующем соотношении ингредиентов, в масс.%:
Углерод
0,1-0,2
Марганец
3,2-4,0
Хром
3,2-4,0
Кремний
0,17-0,36
Молибден
0,5-1,0
Ванадий
0,3-0,5
Железо
остальное
Данный состав принят в качестве прототипа.
Известная сталь содержит в составе большое количество марганца, хрома, и, особенно - ванадия и молибдена, что приводит к сформированию в аустените спецкарбидов, не позволяющих обеспечить повышение устойчивости переохлажденного аустенита, поэтому при замедленном охлаждении, даже на воздухе, формируется структура верхнего карбидного бейнита. Отсюда - снижение прочности, трещиностойкости и ударной вязкости. Кроме того, прокаливаемость стали на уровне 110-160 мм, что ограничивает ее применение для крупногабаритных изделий с сечением более 160 мм. Для получения высокопрочной стали этого состава необходима закалка после аустенитизации с 900°C в жидкой среде (масле, соляной ванне) и отпуск при 250°C, что усложняет технологический процесс получения заданной структуры и свойств, затратно, экологически невыгодно. Состав не системно-легирован.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения - углерод в количестве 0,1-0,2 масс.%, марганец, хром, кремний, молибден, ванадий, железо.
Задача изобретения - получение экономно-системно-легированной стали для работы в условиях ударных воздействий крупногабаритных изделий, обладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита в области бейнитного превращения, повышенной прокаливаемостью, ударной вязкостью, трещиностойкостью при сохранении высокого уровня прочности.
Поставленная задача была решена за счет того, что известная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, молибден, ванадий, железо, содержит ингредиенты в следующем соотношении, масс.%:
Углерод
0,10-0,20
Марганец
2,0-3,0
Хром
2,0-3,0
Кремний
1,0-1,5
Молибден
0,4-0,6
Ванадий
0,08-0,12
Железо
остальное
В качестве примесей сталь может содержать, мас.%: серу до 0,009; фосфор до 0,20; медь до 0,19; титан до 0,004; никель до 0,16. Сталь после аустенитизации с прокатного нагрева охлаждают на воздухе.
Отличительным признаком заявляемого состава стали является количественное соотношение используемых ингредиентов, масс.%: марганец - 2,0-3,0; хром - 2,0-3,0; кремний - 1,0-1,5; молибден - 0,4-0,6; ванадий - 0,08-0,12; железо - остальное.
Состав имеет одновременно слабую (марганец, хром), среднюю (молибден) и сильную (ванадий) группы карбидообразователей, введенных по схеме сохранения непрерывности цепочки связей карбидообразователей Mn-Cr-Mo-V. Сохранение такой системы связей компонентов, их соотношения в заявленном диапазоне концентраций, с уменьшением концентрации от слабого к сильному карбидообразователю, но с сохранением соотношения Cr к Mn как 1:1, позволяет избежать образования спецкарбидов, ухудшающих ударную вязкость, трещиностойкость изделий и снижающих уровень прокаливаемости. Особенно это касается крупногабаритных изделий.
Получают состав стали при следующих соотношениях карбидообразователей относительно хрома, в мас. частях: Cr:Mn 1:1; Cr:Mo 1:0,2; Cr:V 1:0,04, а относительно друг друга по цепочке от хрома к ванадию, в мас.частях: Mn:Cr 1:1; Cr:Mo 1:0,2; Mo:V 1:0,2. При содержании в стали углерода до 0,2% структуру пакетного мартенсита получают на воздухе с прокатного нагрева.
Состав стали в заявленном диапазоне концентраций компонентов, сочетание и соотношение концентраций карбидообразователей между собой и с кремнием обеспечивают: при нагреве получение мелкого однородного зерна аустенита, а при медленном охлаждении на воздухе с прокатного нагрева - повышенную устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие - получение структуры низкоуглеродистого пакетного мартенсита.
Экспериментальные исследования структуры и свойств стали показали, что содержание кремния в количестве 1,0-1,5 масс.% в экономно-системно-легированном составе стали повышает термодинамическую активность углерода, а активность железа понижает. В результате, в процессе изотермической выдержки в области формирования нижнего бейнита или в процессе медленного охлаждения (на воздухе и с еще более низкими скоростями) в этой области атомы углерода накапливаются в аустените, но недостаток железа не позволяет выделиться цементиту. В результате формируется специфическая структура бескарбидного бейнита.
Кремний в заявляемой экономно-системно-легированной стали гомогенизирует структуру, нейтрализует процесс карбидообразования в области бейнитного превращения, позволяя легирующим элементам и углероду оставаться в аустените, тем самым, повышая его устойчивость в процессе охлаждения и деформационную стабильность при эксплуатации изделий, в первую очередь - крупногабаритных.
Кремний в состав системно-легированной стали впервые введен в количестве 1,0-1,5 масс.%. По полученным значениям ударной вязкости и трещиностойкости результат оказался неожиданным. Известно, что кремний, растворяясь в феррите, увеличивает твердость и прочность, но уменьшает вязкость стали (А.С. Самоходский. Технология термической обработки металлов. М. «Машгиз», 1962 г., с.194). Например, (Разрушение. М. «Металлургия», перевод с англ., под ред. Г. Либовиц, 1976 г., с.234, 241, 263) заявлено, что содержание кремния от 0,27 до 1,55% вязкость в стали не повышает. Заявляемая же сталь, имея высокую прочность, приобрела одновременно высокую ударную вязкость, трещиностойкость, прокаливаемость. Очевидно, неожиданный результат был получен в связи с суммарным эффектом, включающим системность легирования, соотношение компонентов и их концентрацию, добавку волокнистого легирующего кремния в оптимальных пределах, который способен организовать поверхностное или объемное дублирование своей структуры в процессе взаимодействия с другими легирующими компонентами заявляемого состава при образовании новой фазы.
Сталь заявляемого состава получают следующим образом.
Кремний, хром, молибден, марганец и ванадий вводят в печь в виде ферросплавов. Отливают пробные слитки по ГОСТ 7832-65.
Исследование проводили на образцах цилиндрической формы диаметром 3 мм и высотой 10 мм. Металлографические исследования проводили с помощью светового микроскопа на шлифах, приготовленных на поперечных сечениях ударных образцов. В качестве светового микроскопа использовали микроскоп Олимпус-GX-51. Ударная вязкость определялась на образцах с острым надрезом, KCV и на образцах с дополнительными боковыми надрезами, и KCU с U-образным надрезом. Удельная работа трещины, КСТ* и динамическая трещиностойкость, КСТ* определялась в соответствии с ГОСТ 9454-78. Термическую обработку образцов проводили в печах «Накал» при температуре нагрева под закалку 930°C, время выдержки 1 час, охлаждение на воздухе. Скорость охлаждения оценивали с помощью зачеканеной в образец хромель-алюмелевой термопары, соединенной с цифровым прибором «Термодат».
Заявляемый химический состав стали и ее свойства представлены в таблице.
Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены восемь сплавов: из заявляемого состава (пп.4-6), состава прототипа (пп.1-3) и состава за пределами заявляемого состава (пп.7-8). Из них три состава показали оптимальные результаты (пп.4-6 таблицы).
Заявляемый состав стали и соотношения содержания ее компонентов позволяют получать уровень прочности от 1300 МПа (см. табл. п.4) до 1380 МПа (см. табл. п.5) и далее до 1500 МПа (см. табл. п.6) при высоких характеристиках пластичности, ударной вязкости и динамической трещиностойкости (см. табл. пп.4-6).
Для обеспечения высокой устойчивости переохлажденного аустенита в состав вводят карбидообразователи всех трех групп, организуя непрерывную цепочку их для того, чтобы избежать образования спецкарбидов, перераспределяя углерод между группами в цепочке связей. Из группы слабых карбидообразователей имеется хром и марганец, взятые в соотношении 1:1 и концентрации: Cr и Mn (2,0-3,0 и 2,0-3,0 соответственно). По отношению к группе слабых карбидообразователей карбидообразователь средней силы - Mo (молибден) и сильный V (ванадий) введены в состав по убывающей, но в различных соотношениях концентраций (Mo - 0,4-0,6%, V - 0,08-0,12%).
Содержание кремния, как легирующего компонента, в количестве 1,0-1,5 масс.% в составе заявляемой стали обеспечивает повышение активности углерода и одновременно - снижение активности железа. В результате, при изотермической выдержке несколько выше температуры начала мартенситного превращения становится возможным получение весьма перспективной структуры бескарбидного бейнита, обладающего высоким уровнем характеристик механических свойств.
Введение меньшего, по сравнению с заявляемым составом, количества углерода и легирующих элементов, в том числе и кремния не позволяет обеспечить достаточно высокой устойчивости переохлажденного аустенита. К результате получается структура верхнего карбидного бейнита и, как следствие - пониженный уровень свойств (см. табл. п.7).
Введение большего, по сравнению с заявляемым составом, количества углерода и легирующих элементов, в том числе и кремния, хотя и обеспечивает получение структуры мартенсита, или бескарбидного бейнита, но приводит к охрупчиванию стали (см. табл. п.8).
2
2
2
Из данных таблицы видно, что, по сравнению с прототипом, заявляемый состав обладает более высокой прокаливаемостью (критический диаметр составляет 110-160 и 420-490 мм у прототипа (пп.1-3 таблицы) и заявляемого состава (пп.4-6) соответственно); несколько более высокой прочностью (предел прочности равен 1300-1360 и 1300-1500 МПа у прототипа и заявляемого состава соответственно), а также - более высокой ударной вязкостью (KCU - 73-85 и 106-108 Дж/см и KCV - 24-27 и 30-35 Дж/см у прототипа и заявляемого состава соответственно). При этом КСТ и КСТ* динамическая вязкость равна 12-15 Дж/см.
Кроме того, заявляемый состав стали, по сравнению с прототипом, экономно-легирован, так как карбидообразующие - хром и марганец используются в значительно меньших концентрациях, а некарбидообразующий компонент кремний, являющийся дешевым, в больших концентрациях; системно-легирован, так как в нем карбидообразующие выстроены в ряд с уменьшением концентрации от хрома и марганца, взятых в соотношении 1:1, к ванадию во избежание образования спецкарбидов, ухудшающих свойства стали.
Таким образом, использование предлагаемого состава стали позволит:
1. Повысить прокаливаемость крупногабаритных изделий до 420-490 мм за счет достижения высокой устойчивости переохлажденного аустенита.
2. Гарантированно избежать образования спецкарбидов, нейтрализовать процесс карбидообразования к бейнитной области превращения переохлажденного аустенита, и неожиданно получить структуру «бескарбидный бейнит». Причем получают структуру бескарбидного бейнита в больших сечениях (до 360-370 мм) при использовании обычного термического оборудования (отпадает необходимость в соляных и селитровых печах-ваннах).
3. Увеличить ударную вязкость и трещиностойкость.
4. Упростить термообработку - закалку после аустенитизации и прокатного нагрева заготовки проводят на воздухе, а не в жидких средах, как в прототипе, что экономит закалочный материал (масло, селитру и т.д.), улучшает экологию термического производства.
Благодаря высоким прочностным свойствам, высокой ударной вязкости и высокой прокаливаемости предлагаемая сталь может быть использована в изделиях новой техники при изготовлении высоконагруженных изделий сложной конфигурации и большого сечения.
Заявляемый состав способен заменить стали - хромоникельмолибденовые типа 12Х2Г2НМФТ, особенно, с повышенным содержанием никеля (3-5%) при сохранении такого же высокого уровня прочности, ударной вязкости, трещиностойкости, повышая устойчивость переохлажденного аустенита в бейнитной области при сохранении устойчивости в перлитной области и значительно снижая стоимость сталей за счет, прежде всего, наличия дешевого кремния и отсутствия дорогостоящего никеля.
Таблица
№ п/п
Содержание химических элементов, % масс.
Механические свойства и прокаливаемость
C
Mn
Cr
Mo
V
Si
σ<sub>B</sub>, МПа
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
KCV, Дж/см
D, мм
Прототип
1
0,1
3,2
3,2
0,5
0,3
0,17
1300
85
27
160
2
0,15
3,6
3,6
0,8
0,1
0,25
1330
83
25
130
3
0,2
4,0
4,0
1,0
0,5
0,36
1360
73
24
110
Заявляемый состав
4
0,10
2,0
2,0
0,4
0,08
1,0
1300
108
35
490
5
0,15
2,5
2,5
0,5
0,10
1,2
1380
107
31
450
6
0,20
2,7
2,7
0,55
0,12
1,3
1500
106
30
420
7
0,09
<2,0
<2,0
0,4
0,08
<1,0
1220
92
23
75
8
0,21
>3,0
>3,0
>0,6
>0,12
>1,5
1470
64
16
110