ВЫСОКОПРОЧНАЯ ХЛАДОСТОЙКАЯ СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ
HIGH-STRENGTH COLD-RESISTANT WELDED STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным сталям повышенной износостойкости, используемым при производстве сварного кузова большегрузного автомобиля для работы в условиях Крайнего Севера.
Для изготовления кузовов большегрузных самосвалов, работающих при температурах до -40°C, используют горячекатаные листы толщиной 9-25 мм из свариваемой хладостойкой низколегированной стали. Горячекатаные стальные листы должны сочетать высокую прочность и износостойкость.
Известна низколегированная сталь, имеющая следующий химический состав, мас.%:
Углерод
0,12-0,18
Марганец
1,2-1,5
Кремний
0,5-0,8
Титан
0,01-0,03
Медь
0,03-0,30
Алюминий
0,02-0,05
Хром
0,5-1,0
Никель
0,5-0,8
Молибден
0,2-0,6
Ванадий
0,1-0,2
Сера
0,003-0,015
Кальций
0,006-0,03
Фосфор
0,003-0,02
Железо
Остальное (RU 2075534, МПК С22С 38/50, публ. 20.03.1997 г.).
Недостатки стали известного состава состоят в том, что она имеет низкие прочностные свойства, недостаточные ударную вязкость при температуре -40°С и износостойкость.
Известна низколегированная свариваемая сталь следующего состава, мас.%:
Углерод
0,16-0,20
Марганец
1,2-1,5
Кремний
0,17-0,37
Бор
0,001-0,005
Азот
0,003-0,015
Алюминий
0,02-0,05
Хром
0,5-1,0
Никель
0,5-2,2
Молибден
0,2-0,35
Ванадий
0,07-0,15
Сера
не более 0,015
Кальций
0,003-0,015
Фосфор
не более 0,020
Железо
Остальное (RU 2223343, МПК С22С 38/54, С22С 38/58, публ. 10.02.2004 г.)
Недостатки стали известного состава состоят в том, что она имеет недостаточные ударную вязкость при температуре -40°C и прочность.
Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предлагаемой стали является сталь, содержащая, мас.%:
Углерод
0,02-0,25
Марганец
0,50-2,0
Кремний
0,01-0,8
Бор
0,0030 или менее
Азот
0,0005-0,008
Алюминий
0,005-0,1
Хром
2,0 или менее
Никель
4,0 или менее
Молибден
1,0 или менее
Ванадий
0,5 или менее
Кальций
0,01 или менее
Медь
2,0 или менее
Титан
0,1 или менее
Ниобий
0,1 или менее
Сера
0,004 или менее
Фосфор
0,02 или менее
Железо
Остальное (RU 2442839 С2, С22С 38/06, публ. 20.02.2012 г.).
Недостатком стали известного состава является то, что она имеет недостаточные ударную вязкость при температуре -40°C и прочность.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении ударной вязкости при отрицательных температурах и прочности.
Для решения поставленной технической задачи предложена сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, бор, азот, алюминий, хром, никель, молибден, ванадий, кальций, медь, титан, ниобий, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,16-0,19
Марганец
1,45-1,60
Кремний
0,17-0,37
Бор
От более 0,0030 до 0,0035
Азот
Не более 0,010
Алюминий
0,03-0,05
Хром
0,85-1,0
Никель
1,15-1,30
Молибден
0,27-0,35
Ванадий
0,12-0,15
Кальций
От более 0,010 до 0,015
Медь
0,20-0,30
Титан
0,010-0,025
Ниобий
0,04-0,06
Сера
Не более 0,005
Фосфор
Не более 0,012
Железо
Остальное
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что при содержании элементов в стали в предложенном соотношении позволяет измельчить ее структуру. В результате возрастает прочность и ударная вязкость стали при -40°C.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,16% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,19% ухудшается свариваемость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее сопротивляемость истиранию. При концентрации кремния менее 0,17% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,37% снижается пластичность.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 1,45% прочность и износостойкость стали недостаточны.
Ванадий в сочетании с алюминием являются сильными карбидообразующими элементами. При содержании ванадия менее 0,12% снижаются прочность и пластичность стали. Увеличение содержания ванадия более 0,15% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих.
Хром повышает прочность и износостойкость стали. При его концентрации менее 0,85% прочность и износостойкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,00% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов хрома.
При содержании никеля менее 1,15% снижается прочность и износостойкость стали.
Молибден повышает прочность и вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,27% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,35% ухудшает пластичность и приводит к перерасходу легирующих элементов.
При содержании кальция менее 0,01% не происходит достаточной модификации данной стали, а при его содержании более 0,015% он образует крупные неметаллические включения, что снижает ударную вязкость при -40°C.
Ниобий и титан способствуют получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных свойств металла и высокой ударной вязкости при пониженных температурах.
Титан повышает прочность и ударную вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании титана менее 0,010% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,025% приводит к перерасходу легирующих элементов.
Ниобий повышает прочность и ударную вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании ниобия менее 0,04% прочность и ударная вязкость стали ниже требуемого уровня, а увеличение содержания ниобия более 0,06% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих элементов.
Медь способствует повышению прочностных свойств. Но если содержание этого элемента для данного состава превышает 0,30%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.
Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Карбонитриды алюминия являются мелкодисперсными упрочняющими частицами. При содержании алюминия менее 0,03% снижается прочность стали. Увеличение содержания этого элемента более 0,05% приводит к снижению пластических и вязкостных свойств.
Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прочность и износостойкость стали, измельчает микроструктуру. При содержании бора менее 0,003% его влияние незначительно. Увеличение содержания бора более 0,0035% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.
Азот в стали является карбонитридообразующим элементом, обеспечивающим ее упрочнение. Содержание азота более 0,015% приводит к снижению вязкостных и пластических свойств, что недопустимо.
Фосфор и сера в стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации фосфора не более 0,012% и серы не более 0,005% их отрицательное влияние незначительно.
Пример реализации
Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в слябы. Слябы подвергали термической обработке при следующих технологических параметрах: скорость нагрева металла - 20-30°C/час; температура нагрева - 870°C; продолжительность выдержки 12 час; скорость охлаждения до температуры 200°C - не более 50°C/час. Затем слябы нагревали до температуры 1200-1260°C и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы до конечной толщины (9,0-25,0 мм) при температуре конца прокатки 830-860°C. Для листов в толщинах 14,1-25,0 мм производили закалку с температуры 920°C. Затем прокат всех толщин подвергали отпуску при температуре нагрева 600-610°C и времени выдержки 1,5-1,9 мин/мм.
Из табл.1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы 2-3) имеет более высокие прочность и ударную вязкость при температуре -40°С. Кроме того сталь характеризуется высокой износостойкостью и свариваемостью.
При запредельных концентрациях элементов (составы 1, 5-9) прочность и ударная вязкость стали ухудшаются, снижается износостойкость. Также более низкие свойства по прочности и ударной вязкости имеет сталь по прототипу (состав 4).
Таблица 1
Химический состав сталей
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
Mn
V
Cr
Ni
Mo
Са
Al
B
Cu
Ti
Nb
N
P
S
Fe
1
0,15
0,16
1,1
0,06
0,4
0,4
0,19
0,002
0,01
0,0019
-
--
-
0,002
0,010
0,012
Остальн.
2
0,17
0,33
1,5
0,14
0,9
1,2
0,34
0,011
0,04
0,0032
0,3
0,020
0,05
0,010
0,010
0,003
Остальн.
3
0,18
0,36
1,6
0,15
1,0
1,3
0,36
0,012
0,04
0,0033
0,3
0,020
0,06
0,010
0,008
0,002
Остальн.
4
0,16
0,27
1,35
0,05
0,5
0,24
0,52
0,003
0,03
0,0015
0,26
0,013
0,02
0,004
0,002
0,001
Остальн.
5
0,17
0,36
1,3
0,09
0,8
0,6
0,22
0,005
0,03
0,0009
-
-
-
0,006
0,013
0,011
Остальн.
6
0,19
0,18
1,2
0,10
0,9
0,7
0,24
0,011
0,04
0,006
-
--
-
0,014
0,015
0,014
Остальн.
7
0,20
0,32
1,4
0,13
0,7
2,1
0,31
0,007
0,05
0,001
-
-
-
0,002
0,019
0,011
Остальн.
8
0,16
0,18
1,4
0,06
0,8
0,5
0,23
0,014
0,02
0,002
--
-
-
0,016
0,01
0,009
Остальн.
9
0,15
1,3
1,3
0,15
0,7
0,6
0,40
0,018
0,04
-
0,15
0,02
-
-
0,012
0,009
Остальн.
Таблица 2
Свойства листов из низколегированных сталей
№ состава
σт, Н/мм<sup>2</sup>
σв, Н/мм<sup>2</sup>
KCV-40, Дж/см<sup>2</sup>
1
700
860
23
2
1150
1280
60
3
1180
1300
65
4
1153
1203
-
5
900
1000
41
6
980
1090
43
7
850
980
39
8
990
1090
40
9
790
940
47