Способ получения высокопрочной хромомолибденовой стали
METHOD FOR PRODUCING HIGH-STRENGTH CHROMIUM-MOLYBDENUM STEEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к высокопрочным хромомолибденовым сталям, применяемым в промышленности и сельском хозяйстве для изготовления оборудования и режущего инструмента. Предлагаемая сталь может применяться для изготовления лезвийного режущего инструмента сельскохозяйственной техники.
2
В современной промышленности широко применяются стали хромомарганцево-никелевой группы с молибденом и титаном. Примерами сталей этой группы могут служить такие марки как 20ХГНМ, 40ХГНМ и 25ХГНМТ (табл. 1). Стандартная термическая обработка сталей 20ХГНМ и 25ХГНМТ состоит из закалки в масло и низкого отпуска, а стали 40ХГНМ из закалки в масло и высокого отпуска (табл. 2). Низкий отпуск сталей позволяет получить предел прочности 1570 МПа при относительном удлинении после разрыва 7% и ударной вязкости KCU 59 Дж/см (табл. 2). Недостатком сталей хромомарганцево-никелевой группы является высокая стоимость из-за наличия в химическом составе никеля и низкая пластичность сталей в высокопрочном состоянии.
2
Другой широко применяемой в промышленности сталью является хромокремнемарганцовистая сталь ЗОХГСА, которая после закалки и низкого отпуска показывает временное сопротивление разрыву 1620 МПа при удовлетворительной пластичности (9%) и ударной вязкости (39 Дж/см). Однако эта сталь имеет повышенную склонность к отпускной хрупкости первого и второго рода.
Известен способ термомеханической обработки стали: аусформинг, который позволяет повысить механические свойства конструкционных сталей. Способ включает в себя пластическую деформацию стали в температурной области стабильного или переохлажденного аустенита, ниже температуры начала рекристаллизации, после которой производится закалка и отпуск. Степени обжатия при аусформинге обычно составляют от 25 до 60% (Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968, том 2, с. 696). Аусформинг может способствовать повышению ударной вязкости, прочности сталей и понижению температуры хрупко-вязкого перехода за счет формирования в аустените при пластической деформации ячеистой дислокационной структуры, которая наследуется при последующем мартенситном превращении. Подвижные дислокации в ячейках могут способствовать релаксации напряжений в вершинах трещин из-за пластической деформации и увеличения радиуса кривизны острия трещин. Кроме того, ячеистая структура может способствовать более однородному распределению частиц избыточных фаз.
2
2
Аусформинг пружинных сталей позволяет достичь временного сопротивления разрыву 2700 МПа, предела текучести условного 2320 МПа при относительном удлинении после разрыва около 7% (Прокошкин Д.А. и др. в сб. "Термомеханическая и термомагнитная обработка стали". ГОСИНТИ, 1963, №7-63-734/20, с. 14). Однако эти свойства достигаются при увеличенном числе проходов и больших суммарных степенях деформации. Аусформинг пружинных сталей в промышленных условиях позволяет получить временное сопротивление разрыву 2300 МПа, предел текучести условный 2100 МПа при относительном удлинении после разрыва около 5% и ударной вязкости около 10 Дж/см (Рахштадт А.Г. Пружинные стали. М.: Металлургия, 1982, с. 211). В сталях хромомарганцево-никелевой группы аусформинг позволяет получить временное сопротивление разрыву 1940 МПа, предел текучести условный 1680 МПа, относительное удлинение после разрыва 15% и ударную вязкость 15 Дж/см (Tomita, Y. Low temperature mechanical properties of quenched and tempered 0,4C-Ni-Cr-Mo steel after controlled rolling. Mater. Sci. Technol. 1988, 4, 613-620). Эти свойства достигаются после прокатки с обжатием 50% за три-семь проходов. Несмотря на то, что аусформинг, по сравнению со стандартной закалкой и отпуском, позволяет повысить пластичность и ударную вязкость сталей, эти свойства остаются на низком уровне и изделия имеют низкую надежность при их использовании в сельскохозяйственной технике в качестве лезвийного инструмента. Кроме того, большие степени обжатия 25-60% переохлажденного аустенита, необходимые для достижения высокой прочности, могут являться препятствием для проведения аусформинга заготовок в промышленных условиях из-за больших нагрузок, действующих на детали оборудования.
Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является сталь марки 38ХГМ по ГОСТ 4543-2016. Сталь содержит, мас.%
углерод
0,340-0,400
кремний
0,170-0,370
марганец
0,600-0,900
хром
0,800-1,100
молибден
0,150-0,250
сера
не более 0,015
фосфор
не более 0,025
железо
остальное
2
Стандартная термическая обработка стали 38ХГМ состоит из закалки с 870°С в масло и последующего высокого отпуска при 580-680°С (охлаждение после отпуска на воздухе). При комнатной температуре сталь имеет временное сопротивление разрыву 930 МПа, условный предел текучести 785 МПа, относительное удлинение после разрыва 11% и ударную вязкость, определенную на образцах Менаже (KCU), 78 Дж/см. Низкий отпуск стали 38ХГМ позволяет получить временное сопротивление разрыву 1772 МПа, условный предел текучести 1641 МПа, относительное удлинение после разрыва 8%. Следует отметить, что аусформинг для стали 38ХГМ не проводят. По-видимому, это связано с недостаточной устойчивостью переохлажденного аустенита к фазовым превращениям при пластической деформации с большими обжатиями, а также с большими нагрузками на деформирующие устройства при пластической обработке переохлажденного аустенита.
Анализ известных решений показал, что технической проблемой применения высокопрочных сталей является их низкая пластичность и ударная вязкость.
Техническим результатом изобретения является получение высокопрочной стали хромомолибденового класса, в которой высокая прочность сочетается с удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью.
Для решения указанной проблемы и получения заявленного технического результата высокопрочная хромомолибденовая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, азот, серу, фосфор, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,350-0,400
кремний
0,200-0,370
марганец
0,500-0,600
хром
0,400-0,500
молибден
0,400-0,500
сера
не более 0,009
фосфор
не более 0,020
железо
остальное
при этом сталь подвергают аусформингу по режиму: нагрев до 840-900°С, пластическая деформация с обжатием до 15-20%, охлаждение в воде с последующим низким отпуском при 200°С.
Химический состав предложенной стали содержит следующие признаки.
Содержание углерода в количестве 0,35-0,40% повышает прокаливаемость стали, а также обеспечивает формирование карбидов. Содержание углерода менее 0,35% не обеспечивает необходимого уровня механических свойств. Повышение содержания углерода свыше 0,4% нецелесообразно, т.к. может негативно повлиять на ударную вязкость стали.
Кремний стабилизирует аустенит, а также используется для раскисления стали при выплавке.
Марганец стабилизирует аустенит и повышает прокаливаемость стали.
Хром используется для стабилизации аустенита и повышения прокаливаемости стали.
Предложенная сталь включает следующие новые, отличительные, неизвестные из уровня техники признаки.
Увеличение содержания молибдена в два раза, по сравнению с прототипом, повышает твердорастворное упрочнение и прокаливаемость стали. В дополнение к твердорастворному упрочнению, часть молибдена в предлагаемой стали может образовывать наноразмерные карбиды, которые будут вносить вклад в дисперсионное упрочнение. Однородно распределенные наноразмерные карбиды могут способствовать повышению пластичности и ударной вязкости стали, а также способствовать измельчению структурных элементов при аусформинге. Хром не оказывает существенного влияния на упрочнение стали, поэтому его содержание уменьшено, по сравнению с прототипом. Меньшее содержание хрома, по сравнению с прототипом, в предлагаемой стали компенсируется большим содержанием молибдена, который также является феррит-стабилизирующим элементом и увеличивает прокаливаемость стали. Для повышения ударной вязкости, в предлагаемой стали уменьшено допустимое содержание серы и фосфора, по сравнению с прототипом.
При проведении аусформинга уменьшена степень обжатия заготовки, по сравнению с известными техническими решениями. Уменьшение степени обжатия позволяет снизить нагрузку на оборудование для пластической деформации, уменьшить время контакта с холодным инструментом и, следовательно, сохранить более высокую температуру заготовки в процессе аусформинга, повысить устойчивость переохлажденного аустенита к фазовым превращениям. Кроме того, ограничение степени деформации 20% обусловлено необходимостью исключить протекание рекристаллизации при аусформинге. При степенях деформации от 15 до 20% аустенитные зерна вытягиваются вдоль направления прокатки. Происходит увеличение плотности дислокаций, которая, впоследствии наследуется мартенситными кристаллами. Также может происходить уменьшение пакетов и блоков мартенсита. Все эти структурные изменения способствуют повышению ударной вязкости стали.
Пример 1 осуществления изобретения
Сталь №1 предлагаемого химического состава (табл. 3) была выплавлена в вакуумной индукционной печи. Сталь была подвергнута аусформингу по режиму: нагрев до 850°С, выдержка 1 час, прокатка с обжатием 15-20%), охлаждение в воде. Механические свойства стали после различных режимов отпуска приведены в таблице 4.
Пример 2 осуществления изобретения
Сталь №2 (табл. 3) имеющая в составе 0,409 мас.% Мо подвергнута аусформингу, описанному в примере 1. Механические свойства стали после отпуска при 200°С приведены в таблице 5.
Пример 3 осуществления изобретения
Сталь №1 предлагаемого химического состава (табл. 3) была подвергнута аусформингу по режиму: нагрев до 900°С, выдержка 1 час, прокатка с обжатием 15-20%, охлаждение в воде. Механические свойства стали после отпуска при 200°С приведены в таблице 6.
Пример 4 осуществления изобретения
Сталь №2 предлагаемого химического состава (табл. 3) была подвергнута аусформингу по режиму из примера 3. Механические свойства стали после отпуска при 200°С приведены в таблице 7.
Как видно из таблиц 4-7, временное сопротивление разрыву и относительное удлинение после разрыва предлагаемой стали после аусформинга и низкого отпуска значительно выше, чем у прототипа и аналогов стали в высокопрочном состоянии. При этом величина ударной вязкости стали, определенная на образцах Шарпи, в два раза выше, чем в сталях хромомарганцево-никелевой группы, подвергнутых аусформингу и низкому отпуску. Более того, свойства предлагаемой стали после аусформинга и высокого отпуска при 550°С значительно выше, чем стали 38ХГМ после закалки и высокого отпуска.
Заявленный интервал значений совокупности всех ингредиентов оптимален для достижения заявленного технического результата. Соотношение указанных компонентов по изобретению обеспечивает получение высокопрочной стали хромомолибденового класса.
Отклонение от граничного предела в меньшую или большую сторону не позволяют достичь желаемого технологического результата. Так как при увеличении количества молибдена возникает риск выделения крупных карбидов, которые приводят к понижению ударной вязкости, а при уменьшении не происходит значимого упрочнения стали при аусформинге.
2
Выводы: по сравнению с прототипом предложенный состав стали имеет предел прочности не менее 1900 МПа, удлинение после разрыва не менее 9,5% и ударную вязкость, определенную, на образцах Шарпи (KCV), не менее 30 Дж/см.