ИЗДЕЛИЕ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к черной металлургии, а именно к протяженным изделиям из конструкционной высокопрочной стали, которые предназначены для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности, валов для погружных насосов, электродвигателей, для газосепараторов, используемых в газонефтедобывающей промышленности.
Известна закаливаемая на воздухе сталь с пониженным содержанием никеля. Сталь имеет следующий состав, в мас.%:
углерод
- 0,18-0,35,
кремний
- 1,3-1,75,
марганец
- 1,3-2,0,
хром
- 0,65-2,1,
никель
- 0,9-2,0,
молибден
- 0,2-0,35,
железо
- остальное. (см. US №5094923 А, 10.03.1992 г.)
Недостатком указанного состава стали является недостаточная прочность и ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности, валов.
Из уровня техники также известна высокопрочная сталь высокой твердости, изделие из стали и способ его применения. Сталь имеет следующий состав, в мас.%:
углерод
- 0,075-0,15,
кремний
- до 1,0,
марганец
- 1,0-3,0,
хром
- 2,0-5,0,
никель
- 1,0-4,0,
при минимальном суммарном содержании марганца, хрома, никеля 6 мас.%, молибден 0,1-1,0, который может заменяться двойным количеством вольфрама,
фосфор
- до 0,015,
сера
- до 0,02,
железо
- остальное.
(см. ЕР 0909338 А1, 21.04.1999 г.)
Недостатком указанного состава стали является недостаточная ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности, валов, а также неоптимальное расходование дорогостоящих легирующих компонентов.
Известна сталь, с целью экономии никеля в которой в состав конструкционных и штамповых хромо-никель-молибденовых сталей, содержащих 0,35-0,45% углерода, углерод может входить как в больших, так и в меньших количествах в зависимости от назначения стали. Сталь также содержит 0,17-0,37% кремния, 0,65-0,95% марганца, 0,75-1,05% хрома, 0,60-0,90% никеля и 0,15-0,25% молибдена (см. SU 75320, 31.05.1949 г.)
Недостатком указанного состава стали является недостаточная ударная вязкость для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, в частности, валов, а также возможная неравномерность структуры стали вследствие недостаточной равномерности структуры стали.
Известны различные изделия из стали, например, из нержавеющей хромоникелевой стали высокой прочности и пластичности, которая используется при производстве холоднокатаной ленты, полосы, листа, высокопрочной проволоки и канатов, пружин, медицинского инструмента, режущего инструмента, крепежа, деталей конструкций и т.д. Высокопрочное коррозионностойкое изделие выполняют из стали следующего состава компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,45, хром 12,0-16,5, никель 3,0-5,0, железо - остальное, при этом содержание углерода и никеля находится в следующей зависимости: хром=25,7-(17,5°С18,0) углерод - (1,2°С1,4) никель. (см. например, RU 2061781 С1, 10.06.1996, 6 С 22 С 38/40).
Задачей, решаемой изобретением, является создание способа изготовления изделия из конструкционной высокопрочной стали, а также изделия из стали, предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, обладающего повышенной ударной
вязкостью, равномерной структурой, а также оптимально экономичным составом легирующих компонентов.
Поставленная задача в части первого варианта изделия из конструкционной высокопрочной стали преимущественно цилиндрической протяженной формы, содержащей углерод, кремний марганец, хром, никель и молибден решается за счет того, что оно изготовлено из стали с компонентами в следующих пропорциях, в мас.%:
углерод
0,15÷0,45,
сера
до 0,05,
фосфор
до 0,05,
кремний
0,2÷1,0,
марганец
0,2÷2,0,
хром
0,1÷2,0,
никель
0,1÷5,0,
молибден+3·вольфрам
0,01÷0,9,
железо и примеси
остальное, при соблюдении следующего соотношения: Ni+1,2·Cr+1,5·Мn≤9-0,6·С, причем изделие изготовлено, по крайней мере, с использованием операции горячей деформации и в зависимости от содержания никеля охлаждено с температуры конца такой деформации, превышающей критическую температуру A<sub>cl</sub>, со скоростью V≥0,37+1,45/Ni, где V - скорость охлаждения заготовок, в °С/с.
cl
Перед горячей деформацией стальные заготовки могут быть нагреты в нагревательной печи до температуры, превышающей, по крайней мере, критическую температуру A.
В операцию горячей деформации может быть включена прошивка на стане поперечно-винтовой прокатки, а также прокатка заготовок в горячем состоянии на раскатном и/или редукционном стане и/или стане продольной прокатки до получения заготовок особотолстостенных труб длиной до 10 м диаметром от 25 мм до 50 мм и внутренним диаметром отверстия от 6,0 мм до 10,0 мм.
cl
После операции горячей деформации и остывании стальных заготовок они могут быть дополнительно нагреты и выдержаны при температуре, превышающей, по крайней мере, критическую температуру A, а операция охлаждения заготовок
осуществлена после такого дополнительного нагрева. Причем дополнительный нагрев изделий с последующим охлаждением может быть осуществлен отдельно, например, в другом технологическом процессе.
Заготовки могут быть охлаждены на воздухе, например, на реечном холодильнике или с использованием дополнительных устройств, например, в среде с повышенной охлаждающей способностью.
После охлаждения заготовок они могут быть подвержены смягчающей термообработке путем нагрева заготовок до температуры (500÷750)°С, выдержки до 10 часов с последующим охлаждением.
Изделие может быть изготовлено с использованием операции холодного справочного или безоправочного волочения, которая осуществлена после охлаждения заготовок и/или после их смягчающей термообработки.
Заготовки могут быть подвержены финишной термообработке и/или подвержены правке, обточке и/или шлифовке поверхности.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием, по крайней мере, одного из элементов: ниобий, ванадий, титан, тантал, кальций, барий в пределах 0,005÷1,0 мас.%.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием меди в количестве (0,01÷1,5) мас.%.
Может быть использована сталь, по крайней мере, с одним из следующих дополнительных компонентов: церий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, причем каждый дополнительный компонент используют в количестве (0,001÷0,1) мас.%.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием лантана в количестве (0,005÷0,02) мас.% и/или кобальта в количестве не более 1,0 мас.%.
Изделие может быть выполнено, по крайней мере, с одного конца с образованием шлиц для последующего соединения, например, с валом погружного насоса.
Шлицы могут быть выполнены прямобочного или эвольвентного исполнения методом резания и/или пластической деформации.
Изделие может иметь отклонение от прямолинейности не более 0,4 мм на погонный метр длины.
a
Шероховатость поверхности изделия R может быть не более 2,5 мкм на базовой длине 0,8 мм.
Поставленная задача в части второго варианта изделия из конструкционной высокопрочной стали преимущественно цилиндрической протяженной формы, содержащей углерод, кремний марганец, хром, никель и молибден решается за счет того, что оно изготовлено из стали с компонентами в следующих пропорциях, в мас.%:
углерод
0,15÷0,45,
кремний
0,2÷1,0,
марганец
0,2÷2,0,
хром
0,1÷2,0,
никель
0,1÷5,0,
молибден+3·вольфрам
0,01÷0,9,
железо и примеси
остальное, при соблюдении следующего соотношения: Ni+1,2·Cr+1,5·Мn≤9-0,6·С.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием, по крайней мере, одного из элементов: ниобий, ванадий, титан, тантал, кальций, барий в пределах 0,005÷1,0 мас.%.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием меди в количестве (0,01÷1,5) мас.%.
Может быть использована сталь, по крайней мере, с одним из следующих дополнительных компонентов: церий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, причем каждый дополнительный компонент используют в количестве (0,001÷0,1) мас.%.
Может быть использована сталь с дополнительным содержанием лантана в количестве (0,005÷0,02) мас.% и/или кобальта в количестве не более 1,0 мас.%.
Изделие может быть выполнено в виде, преимущественно, цилиндрического полого вала длиной до 10 м.
Изделие может быть выполнено, по крайней мере, с одного конца с образованием шлиц для последующего соединения, например, с валом погружного насоса.
Шлицы могут быть выполнены прямобочного или эвольвентного исполнения методом резания и/или пластической деформации.
a
Изделие может иметь отклонение от прямолинейности не более 0,4 мм на погонный метр длины, а шероховатость его поверхности R не более 2,5 мкм на базовой длине 0,8 мм.
Техническим результатом является получение изделия из конструкционной высокопрочной стали преимущественно цилиндрической протяженной формы, предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой, обладающего улучшенными пластическими свойствами, особенно ударной вязкостью при высокой прочности за счет обеспечения однородной структуры стали при экономном расходовании легирующих компонентов. В случае повышенных требований к свойствам стали, особенно ударной вязкости, таких свойств добиваются за счет оптимальных режимов термообработки.
Так, содержание углерода является типичным для составов конструкционных сталей, используемых для изготовления высокопрочных изделий, используемых в тяжелых условиях под нагрузкой. Содержание углерода от 0,15 до 0,45 мас.% относит сталь к ферритно-перлитному классу. Свойства стали такого класса широко корректируются добавлением легирующих добавок, так как заметную часть в стали занимает пластичный феррит, а другую часть занимает твердый цементит в растворе с ферритом. В случае содержания углерода меньше 0,15 мас.% для придания изделию высокой прочности и твердости потребуется большое количество дорогостоящих легирующих компонентов, в другом же случае при содержании углерода в составе стали более 0,45 мас.% снижается ударная вязкость некорректируемая даже значительным содержанием легирующих добавок, направленных на повышение ударной вязкости, например, таких как никель.
Марганец и кремний в пределах от 0,2 мас.% до 1,0 мас.% каждый используется в качестве технологических добавок для раскисления стали, причем марганец в пределах от 0,2 мас.% до 2,0 мас.% используется не только для раскисления, но и для улучшения физических свойств стали, таких как ударная вязкость и твердость. При содержании марганца более 2,0 мас.% недопустимо снижается ударная вязкость.
Сера и фосфор как вредные примеси в указанных пределах не сказываются отрицательно на пластичности стали. В больших дозах снижают пластичность стали, например, сера может вызвать красноломкость стали, а фосфор эффект хладноломкости.
Молибден и вольфрам вводится в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, а также для предотвращения отпускной хрупкости 2 рода, которая наблюдается при медленном охлаждении стали в процессе термообработки при температурах около 500°С.
В этом смысле влияние молибдена и вольфрама эквивалентно. Однако введение молибдена и вольфрама ухудшает ударную вязкость и содержание молибдена+3*вольфрама более 0,9 мас.% значительно снижает пластические свойства стали, в первую очередь ударную вязкость.
Вольфрам, вследствие большего размера атома, вносит большее искажение в кристаллическую решетку железа по сравнению с молибденом. Это позволяет повысить прочностные свойства стали и с этой точки зрения применение вольфрама предпочтительней.
С другой стороны вольфрам и молибден дорогостоящие элементы, а так как при легировании стали вольфрама требуется в три раза больше чем молибдена, то применение вольфрама для легирования может привести к значительному удорожанию стали.
Хром и никель в указанных пределах наряду с повышением твердости стали повышают ударную вязкость.
Марганец, хром и никель в дозах, определенных в составе стали отдельно друг от друга повышают пластические свойства стали, однако на верхнем их пределе содержания они наоборот снижают ударную вязкость. Таким образом, экспериментальным путем была подтверждения расчетная закономерность Ni+1,2·Cr+1,5·Мn≤9, ограничивающая суммарное содержание этих компонентов с целью достижения максимальной ударной вязкости как свойства стали играющего особенную роль в изделиях подвергающихся динамическим нагрузкам. Коэффициенты при компонентах характеризуют степень негативного влияния, наносимого пластическим свойствам стали, соответствующим компонентом на верхнем пределе его содержания.
Дополнительные теоретические исследования показали, что даже в ограниченном вышеуказанным соотношением пределе суммарное содержание марганца, хрома и никеля можно снизить в зависимости от содержания углерода в стали, так как на верхнем их пределе пластические свойства стали практически не изменяются, а в промышленных масштабах экономия даже половины процента, например, никеля существенно снижает издержки производства. Таким образом экспериментальные исследования дали результат, обосновывающий дополнительное ограничение суммарного содержания марганца, хрома и никеля в зависимости от содержания углерода в стали: Ni+1,2·Cr+1,5·Мn≤9-0,6·С, где коэффициент при углероде - эмпирически подобранный в результате дополнительных исследований.
В случае повышенных требований к свойствам стали требуемый уровень механических свойств изделия из стали обеспечивается указанными режимами термообработки.
Пластические свойства ферритно-перлитной стали значительно повышают так называемым улучшением. Как правило это операция, включающая закалку или нормализацию с последующим отпуском. В результате высокие пластические свойства стали получают за счет однородной мартенситной структуры стали по всему изделию. Это достигается указанными режимами термообработки. Особенную роль в придании стали высоких пластических характеристик, например, ударной вязкости наряду с добавлением определенных легирующих присадок играет процесс охлаждения после закалки-нормализации. В зависимости от содержания никеля для указанного состава стали для придания стали равномерной структуры необходимо ограничивать нижний предел скорости охлаждения заготовок. После экспериментальной проработки такое ограничение выразилось в неравенство V≥0,37+1,45/Ni, где V - скорость охлаждения заготовок, в °С/с, а Ni - содержание никеля в стали, в мас.%. По указанному соотношению возможно определить допустимые значения параметров скорости охлаждения заготовок в зависимости от содержания никеля в составе стали.
Скорость охлаждения по формуле рассчитывается для охлаждения заготовки в интервале с температуры конца горячей деформации до температуры (350÷450)°С. В регламентации скорости охлаждения при более низких температурах нет необходимости, т.к. выделения промежуточных структур типа бейнита, перлита
будет уже предотвращено. В случае непредвиденного остывания заготовок после горячей деформации с недопустимыми параметрами скорости охлаждения, возможен дополнительный нагрев и охлаждение заготовок с параметрами скорости охлаждения, имеющими допустимые значения.
Предложенная зависимость скорости охлаждения заготовки от содержания никеля в стали обеспечивает получение однородной структуры мартенсита. В этом случае сталь приобретает высокие пластические свойства и ударную вязкость.
При скорости охлаждения меньшей рассчитанной по формуле, в заготовке возникнет смешанная структура мартенсита, бейнита и даже перлита. Неоднородная структура приводит к снижению пластических свойств стали и ударной вязкости особенно после смягчающей термообработки.
Таким образом, предлагаемое изделие из высокопрочной конструкционной стали, а также способ изготовления изделия из такой стали обеспечивают заявленный технический результат.
Пример №1.
Сталь выплавлена в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлена в слитки 4,05 т. Слитки прокатаны на стане «БЛЮМИНГ» на заготовки квадратного сечения стороной 200 мм, а затем на крупносортном стане на заготовки круглого сечения диаметром 60 мм. Заготовки нагреты в индукционной печи и прошиты на стане поперечно-винтовой прокатки, после чего прокатаны на раскатном стане с получением особотолстостенных труб диаметром 30 мм внутренним диаметром отверстий 8,5 мм и длиной 5400 мм.
Заготовки подвержены смягчающей термообработке в следующем режиме:
- нагрев и выдержка заготовок при температуре 680°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.
После правки, обточки и шлифовки поверхности на готовых изделиях определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-43, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Химический состав изделий из стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Химический состав стали
Вариант
Хим. состав
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
углерод
0,15
0,20
0,15
0,25
0,30
0,30
0,40
0,40
0,45
0,45
сера
0,07
0,02
0,01
0,02
0,01
0,02
0,02
0,01
0,02
0,02
фосфор
0,08
0,03
0,01
0,03
0,02
0,02
0,01
0,01
0,03
0,01
кремний
0,2
0,5
0,2
0,5
0,2
0,5
0,2
0,3
0,6
0,4
марганец
1,5
2,0
1,5
1,0
1,5
1,0
1,0
1,5
1,0
1,8
хром
2,0
2,0
1,5
1,0
2,0
1,0
1,0
1,5
1,0
1,5
никель
4,0
5,0
1,0
3,0
4,0
3,5
2,0
4,8
0,2
4,3
Ni+1,2·Cr+l,5·Mn≤9-0,6·С
+
-
+
+
+
+
+
-
+
-
молибден+3·вольфрам
0,02
0,2
0,02
0,4
1,5
0,2
0,5
0,5
0,8
0,5
Таблица 2
Механические и коррозионные свойства стали
Вариант
Свойства
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Предел текучести, кг/мм<sup>2</sup>
60
60
70
65
60
70
65
60
65
60
Временное сопротивление разрыву, кг/мм<sup>2</sup>
80
85
95
85
80
95
85
80
85
85
Относительное удлинение, %
12
13
18
15
12
18
15
12
15
13
Относительное сужение, %
50
50
60
55
50
60
55
50
55
50
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
6,0
6,0
8,0
7,0
6,0
8,0
7,0
6,0
7,0
6,0
Варианты 3, 4, 6, 7, 9 соответствуют полезной модели. Варианты 3, 6 - оптимальные. Вариант 1 не удовлетворяет данной полезной модели из-за повышенного содержания вредных примесей, а именно серы и фосфора. Варианты 2, 8, 10 не удовлетворяют данной полезной модели, так как имеет суммарное количество марганца, хрома и никеля превышающего заданное ограничение. Вариант 5 не удовлетворяет данному изобретению, так как имеет повышенное содержание молибдена и вольфрама.
Пример №2.
Сталь выплавлена в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлена в слитки 4,05 т. Слитки прокатаны на стане «БЛЮМИНГ» на заготовки квадратного сечения стороной 200 мм, а затем на крупносортном стане на заготовки круглого сечения диаметром 60 мм. Заготовки нагреты в индукционной печи и прошиты на стане поперечно-винтовой прокатки, после чего прокатаны на раскатном стане с получением особотолстостенных труб диаметром 30 мм внутренним диаметром отверстий 8,5 мм и длиной 5400 мм, далее  заготовки охлаждены на реечном холодильнике.
Затем заготовки дополнительно нагреты и выдержаны при температуре 750°С, после чего охлаждены после дополнительного нагрева водо-воздушной смесью с применением спрейерных устройств со скоростью охлаждения V°С/с.
После охлаждения заготовки подверглись смягчающей термообработке в следующем режиме:
- нагрев и выдержка труб при температуре 680°С в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе.
После правки, обточки и шлифовки поверхности на готовых изделиях определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-43, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Химический состав изделий из стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний приведены в таблицах 3, 4.
Таблица 3
Химический состав стали.
Вариант
Хим. состав
1
2
3
4
5
6
углерод
0,15
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
кремний
0,7
0,5
0,2
0,3
0,4
0,4
марганец
0,3
0,3
1,0
1,5
1,5
2,0
хром
0,5
0,5
1,0
1,5
1,5
2,0
никель
0,1
0,1
1,0
2,0
3,0
4,0
Выполнение неравенства Ni+1,2·Cr+1,5·Mn≤9-0,6·С
+
+
+
+
+
-
молибден+3·вольфрам
0,02
0,2
0,2
0,5
1,5
0,5
V,°С/с
10
14
20
50
75
100
Расчетное значение V,°С/с
≥14,87
≥14,87
≥1,82
≥1,10
≥0,85
≥0,73
Таблица 4
Механические и коррозионные свойства стали
Вариант
Свойства
1
2
3
4
5
6
Предел текучести, кг/мм<sup>2</sup>
65
70
73
75
70
70
Временное сопротивление разрыву, кг/мм<sup>2</sup>
85
90
92
95
90
90
Относительное удлинение, %
14
16
17
18
17
17
Относительное сужение, %
52
54
55
56
54
55
Ударная вязкость, Дж/см
7,0
8,0
8,0
9,0
7,0
8,0
Варианты 3, 4, соответствуют полезной модели. Вариант 4 - оптимальный. Варианты 1, 2 не удовлетворяют данной полезной модели, так как скорость охлаждения меньше рассчитанной по формуле, в заготовках присутствует смешанная структура мартенсита, бейнита и даже перлита. Неоднородная структура приводит к снижению пластических свойств стали и ударной вязкости особенно после смягчающей термообработки. Вариант 5 не удовлетворяет данной полезной модели, так как имеет повышенное содержание молибдена и вольфрама. Вариант 6 не удовлетворяет данной полезной модели, так как имеет суммарное количество марганца, хрома и никеля превышающего заданное в изобретении ограничение.