ВЫСОКОПРОЧНАЯ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТАЯ КОМПЛЕКСНОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH MEDIUM-CARBON FULLY-ALLOYED STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным сталям, закаливающимся на воздухе, применение которых возможно для изготовления осесимметричных корпусных деталей.
В этом случае необходима минимизация изменения размеров и формы осесимметричных деталей при термообработке. С этой целью используется термообработка с закалкой в заневоленном состоянии и известная высокопрочная сталь марки 28Х3СНМ1ФА ТУАДИ 543-2002, содержащая, мас.%: углерод 0,26-0,31; марганец 0,50-0,80; кремний 0,90-1,20; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром 2,8-3,2; никель 0,9-1,2; молибден 0,75-0,85; ванадий 0,05-0,15; медь не более 0,15.
Указанная композиция не является оптимальной, так как после закалки и отпуска относительное удлинение данной стали не превышает 12% даже после отпуска 600°С. Поэтому она не может использоваться для изготовления корпусов по схеме «Термомеханическое упрочнение» как с точки зрения недостаточной эластичности после закалки и отпуска, так и с точки зрения накопления при холодной деформации больших внутренних напряжений, которые могут приводить материал к разрушению непосредственно при деформации. Отсюда использование указанной стали возможно только путем финишной закалки и отпуска, что приводит к потере геометрических размеров, несмотря на закалку в заневоленном состоянии.
Известна высокопрочная, свариваемая сталь с повышенной прокаливаемостью по патенту РФ №2314361, С22С 38/58, опубл. 10.01.2008 г., принятая авторами за прототип, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, остальное - железо.
в
02
5
+20
2
2
2
Указанная сталь в выбранных интервалах варьирования компонентов по приведенным данным при содержаниях по минимуму после закалки с прокатного нагрева, а так же после закалки с температур 950-1050°С имеет следующие минимальные свойства: σ - 130,6 кгс/мм, σ - 107,1 кгс/мм, δ -16%, ψ - 60%, KCU - 11,3 Дж/см.
2
2
Однако для обеспечения свойств в упрочненном состоянии после холодной деформации прочность после термического упрочнения должна быть не ниже 135 кгс/мм, что обеспечивается в техническом решении по патенту №3214361, в котором химический состав представлен с минимальным содержанием ингредиентов (легирующих компонентов). Так, при содержании компонентов стали по прототипу свойства имеют значения, не позволяющие получение после деформации механических свойств не ниже 155 кгс/мм.
2
Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокопрочной среднеуглеродистой комплекснолегированной стали, обладающей высокой пластичностью после закалки и отпуска, позволяющей деформировать ее методом ротационной вытяжки в холодном состоянии со степенями деформации 50-70% и обеспечением механических свойств в упрочненном состоянии выше 155 кгс/мм при относительном удлинении не менее 7%.
Поставленная задача достигается тем, что высокопрочная среднеуглеродистая комплекснолегированная сталь, содержащая углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, остальное - железо, особенность заключается в том, что указанная сталь содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,18-0,24; марганец 1,0-1,5; кремний 0,20-0,40; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром от более 3,00 до 3,20; никель 0,90-1,20; молибден 0,50-0,70; ванадий 0,10-0,20; медь не более 0,25, при этом остаток составляет железо и неизбежные примеси.
Составы, режимы термической обработки, свойства стали после термической обработки и различных степеней деформации ротационной вытяжкой представлены в табл.1, 2, 3.
Таблица 1
Химический состав исследуемых плавок и прототипа
№ п/п плавок
Содержание элементов
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
V
Nb
Ca/ Ce
Cu
1
0,24
0,37
1,3
0,022
0,015
3,1
0,95
0,51
0,20
0,20
2 пром. плавка
0,21
0,33
1,19
0,007
0,004
3,2
1,16
0,59
0,15
0,18
3 прототип
0,10
0,12
2,02
2,0
1,01
0,41
0,12
0,05
0,05
Таблица 2
Механические свойства сталей и прототипа после закалки и различных температур отпуска
№ п/п плавок
Температура отпуска, °C
σ<sub>02</sub>
σ<sub>в</sub>
δ<sub>5</sub>
ψ
KCU<sub>+20</sub>
KCU<sub>-50</sub>
кгс/мм<sup>2</sup>
%
кгс-м/см<sup>2</sup>
1
200
126,0
152,0
14,8
57,0
9,1
7,9
500
111,0
140,0
17,1
59,0
11,5
9,6
2
200
137,1
152,0
13,2
53,0
9,0
7,3
500
118,0
130,0
14,1
56,0
12,1
8,3
3 промышл. плавка
450
110,0
136,0
17,7
9,5
6,47
650
78,5
89,5
21,0
22,0
15,5
4 прототип
отпуск отсутствует
107,0
130,6
16,0
60,0
11,3
Таблица 3
Механические свойства стали в зависимости от степени деформации ротационной вытяжкой
Степень деформации
σ<sub>в</sub>
σ<sub>02</sub>
δ<sub>5</sub>
KCU<sub>+20</sub> KCU<sub>-50</sub>
кгс/мм<sup>2</sup>
%
кгс·м/мм<sup>2</sup>
t<sub>отп</sub> 450 деф. отсут. 80
135-137 190-195
118-121 178-181
16-19 8,0-9,6
7,9-10,0
5,0-8,45
t<sub>отп</sub> 650°C деф. отсут. 80
89,0-89,5 106,0-110,0
66,0-78,5 100,0-107,0
19,0-21,0 12,5-16,0
20,0-22,0
15,0-15,5
2
2
2
5
в
в
В заявленном интервале значений состава и параметров термообработки временное сопротивление разрыву более 135 кгс/мм обеспечивается при отпуске ниже 500°C, при этом сохраняется высокая пластичность δ=13,1-18,5%, ψ=56-65% для последующей деформации в холодном состоянии. При исходном σ≥135 кгс/мм после деформации ротационной вытяжкой имеем σ≥169 кгс/мм. Из сопоставления с прототипом видно, что заданный в узких пределах состав заявленной стали позволяет получать более высокие характеристики свойств как в термообработанном, так и в деформированном состоянии и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Пример 1. Сталь предложенного состава контрольных плавок №1, 2 выплавляли в индукционной печи с магнезитовым тиглем. В качестве шихты использовали шихтовую заготовку, синтетический чугун, металлические хром, никель, алюминий, марганец, а так же ферромолибден, ферросилиций, феррованадий.
Выплавку стали вели под шлаковой смесью, состоящей из прокаленных извести и плавикового шпата.
Перед вводом чугуна и ферросплавов проводили раскисление металла алюминием.
Сталь разливали в слитки с утеплением прибыли песчано-графитовой смесью. Слитки ковали на прессе с усилием обжатия 2000 тс до сечения 50×50 мм. Температурный интервал ковки составлял 1080-1150°C.
Из слитков были откованы прутки размерами ⌀16×500 мм, ⌀20×500 мм, ⌀14×500 мм. Из прутков после термической обработки были изготовлены образцы для определения механических характеристик стали:
тип 2-11 (для определения предела текучести, временного сопротивления, относительных удлинения и сужения);
тип 6-1 (для определения величины ударной вязкости).
Данные по химическому составу исследуемых плавок 1,  и механические свойства их представлены в табл.1 и 2.
Пример 2. Сталь выплавляли в дуговой электропечи.
Сталь разливали в кузнечную изложницу для получения слитка. Разливка проходила с вакуумированием металла.
Слиток под ковку нагревали в печи с температурой 1200…1230°C и ковали на гидравлическом прессе.
Ковку слитка проводили в 4 этапа с подогревом поковки в печи после каждого этапа.
Откованные 2 заготовки диаметром 355 мм и длиной 4920 мм были направлены на отжиг при температуре 660-680°C.
После отжига поковки подвергли механической обработке наружной поверхности до диаметра 330 мм.
Опытная партия труб с наружным диаметром 138 мм и толщиной стенки 14 мм из стали марки 20Х3ГНМФА была изготовлена методом горячего прессования.
В качестве трубной заготовки были использованы механически обработанные поковки диаметром 324 мм и длиной 880 мм.
Технологический процесс производства труб на линии прессования включает в себя две стадии:
- изготовление из трубной заготовки гильз на вертикальном прессе;
- изготовление из гильз труб на горизонтальном прессе. Технологический процесс изготовления гильз включает следующие
этапы:
- сверление в трубной заготовке осевого канала на диаметре 30 мм;
- нагрев трубной заготовки до температуры 1080-1140°C;
- экспландирование на прессе.
Технологический процесс изготовления трубы из гильзы включает следующие этапы:
- индукционный нагрев гильзы;
- нанесение стеклосмазки;
- прессование гильзы на прессе с помощью иглы, в результате чего получается труба с наружным диаметром;
- охлаждение труб на воздухе;
- удаление стеклосмазки и окалины;
- отжиг;
- правка труб;
- ультразвуковой и визуальный контроль труб.
Для ротационной вытяжки были использованы горячедеформированные трубы 0 138×14 мм из стали 20Х3ГНМФА.
Из отожженных горячедеформированных труб были вырезаны заготовки (обечайки).
Заготовки (обечайки) под холодную деформацию были подвергнуты упрочняющей термообработке.
Ротационная вытяжка осуществлялась на станке модели СХР2.
За первый переход реализовывалась степень деформации ε=40%, за второй ε=60%, за третий ε=80%.
После проведения ротационной вытяжки с различными степенями деформации заготовки подвергались низкотемпературному отжигу.
Для определения механических характеристик трубных заготовок и холоднокатаного полуфабриката при различных степенях деформации изготавливались продольные и радиальные пятикратные образцы в соответствии с ГОСТ 10006-80.
в
0,2
5
Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497-84. В качестве основных характеристик механических свойств стали определяли временное сопротивление разрыву σ, условный предел текучести σ и относительное удлинение δ в продольном и в радиальном направлениях.
Результаты механических свойств стали 20Х3ГНМФА, определенные на трубных заготовках после холодной ротационной вытяжки в зависимости от температуры отпуска и степени деформации, представлены в таблице 3.
Из анализа результатов, представленных в таблице 3, следует:
в
2
- при температуре отпуска в пределах 450-550°C исходная заготовка обеспечивает прочность σ в пределах 135-137 кгс/мм;
- при температуре отпуска 450°C холодная пластическая деформация стали со степенью 40-60% обеспечивает комплекс механических свойств:
пц
2
- условный предел текучести σ=170-175 кгс/мм,
в
2
- временное сопротивление σ=177-183 кгс/мм,
5
- относительное удлинение δ=7-9%,
2
- ударную вязкость KCU=3,3-4,9 кгс·м/см.
Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают возможность использования заявленной стали для изготовления осесимметричных корпусных деталей.