Сталь

(19) (11) 4(5) С 22 С 38 54 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪЮ АОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 113,; 3н АВтОиснОМУ ОВиВВУВсъстВуййй 1)С" ; У,:."и,низких температурах, она дополнительно содержит азот, бор, кальцийи ниобий при следующем соотношениикомпонентов, мас.Х: 0,13-0,18 0,3-0,5 0,4-0,7 УглеродКремнийМарганец.Хром 1,8-2,2 0,3-0,5 Молибден НикельВанадийМедьАлюминийЦерийАзот(54) (57) СТАЛЬ, содержащая углерод,кремний, марганец, хром, молибден,никель, ванадий, медь, алюминий,церий, железо, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повьппенияпрочности и ударной вязкости при Бор(71) Ленинградский ордена Ленинаполитехнический институтим. М. И. Калинина(56) 1. Авторское свидетельство СССР9 761599, кл. С 22 С 38/50, 1979,2. Авторское свидетельство СССРВ 602596, кл. С 22 С 38/50 ь 1976,3. Авторское свидетельство СССРУ 779431, кл. С 22 С 38/50, 1978.Изобретение относится к металлургии, а именно к низколегированным высокопрочным сталям для литых изделий, работающих в условиях Крайнего Севера при температурах до-70 С.Известна сталь, содержащая, мас.%: Алюминий 0,015-0,08 0,01-0,5 0,02-0,1 0,02-0,06 0,01-0,05 Остальное МедьЦерийНиобийТитанЖелезо Сталь в нормализованном состоянии обладает временным сопротивлением 740-850 МПа, пределом текучестй 525-585 МПа, ударная вязкость при (-60) С составляет 0,88 О,92 МДж/м 1 .Однако имея высокую ударную вязкость, сталь не. обеспечивает требуемого уровня прочностных свойств.Известна сталь для литых деталей машин, работающих в условиях пониженных температур и значительных динамических нагрузок, содержащая, мас,%: 0,12-0,25 Углерод Марганец 0,7-1,6 0,2-0,7 Кремний 0,05-0,350,04-0,2 0,01-0,08 УглеродМарганецКремнийХромНикельВанадийКальций ХромВанадийАлюминийТитанМедьНикельИттрийЖелезо 0,12-0,25 0,4-0,6 0,2-0,8 Оэ 05 028 0,15-0,5 0,04-012 0,005-0,015гСталь имеет высокие значения .ударной вязкости при положительныхи отрицательных температурах в сочетании с хорошими пластическимисвойствами, Ударная вязкость при20 С 1,4 МДж/м 2, а при (-60) С0,72 МДж/м, относительное удлинение 27,6%, относительное сужение59,6% 21 .1 О Однако для изделий, работающихпри больших нагрузках, прочностныесвойства данной стали являются недостаточными: временное сопротивление 620 МПа, предел текучести 15 430 МПа. Кроме того, наличие титана способствует пленкообразованиюиприводит к снижению литейных свойств.Наиболее близкой к предлагаемойпо технической сути и достигаемому 20 результату является сталь, содержащая, мас.%: 1142523 0,13-0,18 Углерод Марганец 0,28-0,6125 Кремний О, 19-0,43 1, 01-2,08 0,36-0,73 3,05-3,96 0,08 - 1,14 0.02-0,08 ХромМолибден Никель 30 ВанадийАлюминий Титан 0,01-0,0835 Медь 0,36-1112 0,02-0,09 Остальное ЦерийЖелезо Цель изобретения - повышениепрочностных свойств и ударной вязкости при низких температурах.55 Поставленная цель достигаетсятем, что сталь, содержащая углерод,кремний, марганец, хром, молибден,никель, ванадий, медь, алюминий,40 Она характеризуется высокимипластическими свойствами: относительное удлинение составляет 19-22%,относительное сужение 42-47%, удараная вязкость при температуре 20 С 45 равна 0,9-1,0 МДж/м , а при(-70) С - 0,38-0,4 МДж/м . Г 31 .Однако недостаточно высокое временное сопротивление 890-920 МПаи предел текучести 680-720 МПа ограничивают ее применение.0,13-0,180,3-0,50,4-071,8-2,20,3-0,53,2-3,80,1-0,15.0,8-1,0 УглеродКремнийМарганецХромМолибденНикельВанадийМедьАлюминийЦерийАзот 0,05-0, 10,02-0,06 0,01-О, 03 0,001-0,003 0,005-0,05 0,03-0,07 Бор КальцийНиобийЖелезо Остальное 50 церий, железо, дополнительно содержит азот, бор, кальций и ниобий приследующем соотношении компонентов,мас.%: Повышение уровня прочностных свойств и ударной вязкости достигается использованием эффекта дисперсионного твердения, упрочнения матрицы металла легирующими элементами и управлением морфологией неметаллических включений.Одновременно .легирование стали . элементами, как понижающими термодинамическую активность углерода (хром, марганец), так и повышающиими ее (кремний, никель, медь) предотвращает образование перлитной сетки и способствует получению структуры, в которой перлитные колонии окружены ферритной матрицей, что приводит к повышению механических характеристик стали за счет явления "наследственности", влияние которой сохраняется и после проведения термической и термомеханической обработки. Введение в сталь азота вместе с ванадием (0,1-0,15%), ниобием (0,03-0,07%) и алюминием (0,05-0,1%) приводит к образованию нитридов и карбонитридов этих элементов.Мелкодисперсные нитриды алюминия и карбонитриды ниобия упрочняют сталь, измельчают зерно и препятствуют его росту при термической 10 15 20 25 30 35 40 45 обработкеКарбонитриды ванадия обеспечивают дисперсионное твердениеи повышение предела текучести. Совместное введение азота и нитридообразующих элементов в указанныхпределах наиболее эффективно, Присодержании азота более 0,03 мас.%происходит охрупчивание стали, апри содержании его менее 0,01% недостигается необходимого уровняпрочности.Кремний является раскислителеми повышает прочностные свойства.При содержании его более 0,5 мас.%наблюдается охрупчивание стали,а до 0,3% кремний действует толькокак раскислитель.Марганец и хром являются упрочнителями феррита, препятствуютразупрочнению стали при отпуске,увеличивают прокаливаемость. Приснижении содержания менее 0,4%марганца и 1,8% хрома эффективностьдействия уменьшается, а при превышении 0,7% марганца и 2,4% хромав структуре появляется игольчатаясоставляющая и происходит охрупчивание стали,Никель упрочняет сталь, ослабляет закрепление дислокаций атомамивнедрения и облегчает пластическуюдеформацию способствуя релаксациимикронапряжений, уменьшает опасность хрупкого разрушения. Положительное влияние никеля на хладостойкость предлагаемой стали максимально при содержании 3,2-3,8 мас.%.Медь обеспечивает дисперсионноетвердение, упрочняет феррит и препятствует разупрочнению стали приотпуске. При содержании меди менее0,8% не достигается требуемого значения предела текучести, а при содержании более 1% интенсивность еевоздействия ослабевает и дальнейшее повышение меди учитывая высокую стоимость, нецелесообразно.Молибден в пределах 0,3-0,5%делает сталь менее склонной к отпускной хрупности, улучшает прокали-ваемость, способствует измельчениюзерна и повышению ударной вязкости,Кроме того, молибден позволяет повысить изотропность свойств металлав сечениях литых деталей с различной толщиной стенок. При содержании молибдена более 0,5% повышается температура перехода в хрупкоесостояние.30 Э 1142Бор в количестве 0,001-0,003% обеспечивает высокую прокаливаемость, структурную равномерность и иэотропность свойств, Заполняя дефекты по границам зерен, бор уменьшает неравномерность в распределении карбидов и углерода, различие в механических свойствах приграничных и глубинных объемов зерна. При большем его содержании про О исходит охрупчивание стали.Кальций является поверхностно- активным элементом и, адсорбируясь на гранях растущих кристаллитов,вызывает модифицирование первичной 15 структуры. Использование кальция в количестве менее 0,0057 неэффективно, а повышение свыше 0,057 вызывает нежелательное явление - "затягивание" стопора ковша при раз ливке стали.Добавка церия 0,02-0,06 мас.% снижает содержание кислорода и серы в стали, способствует устранению хрупких включений по границам меж кристаллитных сочленений, диспергированию и повышению равномерности распределения нитридов ванадия. Увеличение содержания приводит к развитию процессов повторного окисления, образованию большого количества хрупких включений и падению хладостойкости.Для сравнения свойств прототипа и предлагаемой стали были проведены плавки в индукционной печи с основной футеровкой емкостью 60 кг. Плавки проводили в соответствии с рекомендациями по выплавке хладостойких сталей (приложение к40 ГОСТ 21357-75). Ниобий НбГОСТ 16099-70 вводился в сталь по расправлению кусками размером не более 10 мм. Азот присаживался в конце плавки,с помощью кускового азо тированного феррохрома с содержанием азота 8 мас.%. Размер кусков не более 15 мм. На дно прокаленно о го до,температуры не ниже 700 С ковша перед разливкой вместе с алюминием давали порошкообразный ферробор (содержание бора 18 мас.%). По заполнению ковша .на половину присаживался 30% силикокальций ГОСТ 4762-71 в кусках размером 55 3-6 мм на струю металла. Сталь выдавалась в ковш с температурой 1620-1650 С, разливалась при 1560523 Ь1580 оС. Ниобий, бор и азот практически полностью переходят в сталь;угар кальция весьма значителен ис уменьшением величины присадки вукаэанном интервале .растет от 60до 90%. Расчеты по кальцию проводили с учетом угара,Химические составы исследованныхсталей приведены в табл. 1.Пробные бруски отливали поГОСТ 21357-75. После термическойобработки по режиму: гомогенизацияпри 1120 оС 13 ч, нормализация с выдержкой 5 ч при 960 оС, отпуск при660 С с выдержкой 10 ч, закалкаоос температуры 940 С после 5 ч выдержки, высокин отпуск при 640 Сс выдержкой 11 ц были проведенымеханичеекие испытания, результатыкоторых приведены в табл, 2.Предлагаемая сталь имеет временное сопротивление 1090-1150 МПа,предел текучести 890-940 МПа, относительное удлинение 15-197, сужение 37-457, ударную вязкость при20 С 1,1-1,4 МДж/м , при (-70) С -0,54-0,61 МДж/м, Критический коэффициент интенсивности напряженийК 1 при (-70) С изменяется в пределах 78-96 МПа м" .Из сравнения результатов испытаний следует, что сталь предлагаемого состава превосходит известную.Сталь имеет хорошие литейно-технологические свойства. Предел прочности увеличился по сравнению с прототипом на 200-230 МПа, предел текучести - на 210-220 МПа. Ударнаявязкость возросла при 20 С на 0,20,4 МДж/м, а при (-70) "С - на0,16-0,21 МДж/м. Благодаря высокому комплексу прочностных свойстви ударной вязкости сталь позволяетповысить надежность и долговечностьлитых деталей, заменить изделия изболее дорогих легированных сталей,сократить расход металла в конструкциях. фСталь может быть использованапри изготовлении массивных разнбстенных отливок в изделиях новойтехники, испытывающих высокие статические и динамические нагрузкии работающих при низких климатических температурах. Экономическийэффект может быть получен и в смежных отраслях, где будет использована предлагаемая сталь.. 1142523 11 111 Р1 Х11-: - .1 сЧ 00 о О л л о о мЮло Юло ть О л оволо моло лолО т . С о м о о л л о о 11 молЮ моло сЧ О л Ооло аоло оло 00 л о63 Е л Р 3 о Ф Э ж 3Ф : о о оло олО оло со о л оюлм со м л л о о мло мло ло Юло нло Юло СО л1142523 Т а блица . 2 го" го КСУ КСУ ИДж/м МДж/м 2бтМПа % % Сталь Предлагаемая 1090 890 19 45 1,3 0,84 0,76 0,61 96 1130 920 16 38 1,2 0,79 0,68 0,54 93 1100 910 18 44 1,4 0,80 0,74 0,60 80 0,54 85 1 20 920 17 39 1,3 0,79 0,69 1130 930 18 42 1,4 0,82 0,73 0,58 93 1150 940 15 37 1,1 0,78 0,67 0,55 78 960 770 15 33 0,92 0,68 0,55 0,41 69 1140 940 12 27 0,71 0,47 0,34 0,22 57 890 680 22 47 0,9 0,60 0,49 0,38 72 Прототип 920 720 19 42 1,0 0,63 0,51 0,40 65 Заказ 660/26 Тираж 583 ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель А. ОсманцевРедактор Н. Киштулинец Техред А.Бабинец Корректор Н. Король