Сталь и ее варианты

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали для насосных штанг, изготавливаемых из прутка 0,16-40 мм, термоупрочненного при охлаждении на воздухе непосредственно с температурой горячей прокатки. Предлагаемая сталь обеспечивает высокую прочность в заготовках, термоупрочненных при охлаждении на воздухе с температур прокатного нагрева без образования трещин напряжения. Сталь содержит компоновки при следующем соотношении, мас. %: углерод 0,08-0,14, марганец 0,9-1,6, хром 2,0-3,2, ванадий 0,05-0,3, азот 0,006-0,10, железо - остальное; при этом соотношение содержания углерода к содержанию ванадия должно быть в пределах 0,4-2,4. Вариант стали, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,14, марганец 0,9-1,6, хром 2,0-3,2, ванадий 0,05-0,30, ниобий не более 0,02, азот 0,006-0,10, железо - остальное; при этом отношение содержания углерода к содержанию ванадия должно быть в пределах 0,4-2,4; а содержание ванадия и ниобия должно удовлетворять условию: 10 ниобия+ванадий = 0,05-0,30. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке состава стали для насосных штанг, изготавливаемых из прутка диаметром 16-40 мм, термоупрочненного при охлаждении на воздухе непосредственно с температур горячей прокатки.

Известна сталь (авт. св. N 206113) следующего состава, C 0,15-0,22; Mn 1,2-1,6; Cr 2,5-3,2; V 0,15-0,3; Fe остальное. Указанная сталь не обеспечит закалки (термоупрочнения) прутка охлаждением на воздухе непосредственно с температур прокатки.

Известна также сталь (РЖ N 11, 1985) следующего состава, C 0,15-0,4; Mn 0,5-1,5; Cr 1,0-3,0; V 0,05-0,15; N 0,006-0,02; Fe остальное.

Сталь такого состава при содержании углерода и легирующих на нижнем пределе не закаливается при охлаждении на воздухе, а при содержании углерода и легирующих на верхнем пределе закалка на воздухе с прокатного нагрева приводит к образованию в прутках трещин напряжения.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по принципу легирования и назначению является сталь 14Х3ГМЮА (патент N 58197), C 0,06-0,17; Mn 1,3-3,0; Cr 2,0-4,0; Al 0,01-0,1; Mo 0,2-0,5; Fe остальное.

Практика использования этой стали для изготовления штанг показывает, что прокат из стали с содержанием углерода и легирующих элементов на нижнем пределе не закаливается при охлаждении на воздухе с прокатного нагрева: образуется структура мартенсита с ферритом, которая не обеспечивает требуемых механических свойств. Сталь с содержанием легирующих элементов и углерода на верхнем пределе обеспечивает высокую прокаливаемость: при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит заготовки сечением до 100 мм, поэтому для прутков сечением 16-40 мм скорость охлаждения на воздухе чрезмерно высока и приводит к образованию трещин напряжения.

Задачей разработки явилось создание экономнолегированной стали, которая обеспечила бы прокаливаемость на воздухе прутков сечением 16-60 мм и исключила возникновение трещин напряжения.

Указанный технический результат достигается двумя путями: 1. Сталь, содержащая углерод, марганец, хром, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,08-0,14 Марганец 0,9-1,6 Хром 2,0-3,2 Ванадий 0,05-0,3 Азот 0,006-0,10 Железо Остальное при этом отношение содержание углерода к содержанию ванадия должно быть в пределах 0,4-2,4; 2. Сталь, содержащая углерод, марганец, хром, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, азот, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,08-0,14 Марганец 0,9-1,6
Хром 2,0-3,0
Ванадий 0,05-0,3
Азот 0,006-0,10
Ниобий Не более 0,02
Железо Остальное
при этом отношение углерода к ванадию находится в пределах 0,4-2,4: содержание ванадия и ниобия удовлетворяет условию: 10Nb+V 0,05-0,30.

Основной принцип легирования стали в обоих вариантах одинаков: совместное введение в низкоуглеродистую сталь хрома и марганца при наличии в стали карбидообразующих элементов: ванадия (1-й вариант) и ванадия и ниобия (2-й вариант) увеличивает устойчивость аустенита в области нормального гамма-альфа превращения и повышает температуру мартенситного превращения низкоуглеродистого легированного аустенита. В результате охлаждения на воздухе обеспечивает в заготовках их этих сталей образование структуры мартенсита с прочностью бв 900-1000 МПа, т.е. стали могут термоупрочняться охлаждением на воздухе непосредственно с температур прокатного нагрева. Ограничение пределов отношения содержания углерода к содержанию ванадия определяет став, гарантирующий прокаливаемость и отсутствие трещин при охлаждении на воздухе заготовок сечением до 60 мм. Условие ограничения суммарного содержания 10Nb(% )+V(% ) 0,05-0,30 для стали 2-го варианта состава экономит дорогостоящие легирующие элементы при обеспечении оптимального связывания углерода в аустените и мелкозернистости.

Ограничение, по сравнению с прототипом, содержания углерода 0,08-0,14% в предлагаемых сталях задано в связи с необходимостью обеспечения закалки проката на воздухе и введением в сталь карбидообразующих элементов ванадия и ниобия, связывающих часть углерода.

Уменьшение содержания марганца и хрома, в сравнении с прототипом, обусловлено необходимостью экономики при обеспечении прокаливаемости заготовок сечением 16-60 мм и исключения трещин напряжения в процессе мартенситного превращения: более легированный мартенсит в свежезакаленном состоянии менее пластичен и имеет повышенное сопротивление пластической деформации.

Хром и марганец в количествах, превышающих 3,2% и 1,6% соответственно, способствуют в случае ликвидации углерода образованию трещин напряжения, т. к. легированный аустенит имеет более высокий коэффициент объемного расширения при мартенситном превращении.

Исключение дефицитного Mo из состава стали снижает стоимость сталей ванадий (1-й вариант) и ванадий и ниобий (2-вариант) связывают часть углерода и обеспечивают пониженное содержание углерода в легированном аустените, закаливающемся на воздухе с образованием мартенсита.

Введение в сталь азота совместно с нитридо и карбидообразующими элементами: ванадием и хромом позволяет получить мелкое зерно в стали при высокотемпературном нагреве до 1100^oC, что повышает ударную вязкость и отпускоустойчивость в результате дисперсионного твердения.

Это обеспечивает технологичность стали при горячей обработке давлением. Возможность получать мелкое зерно при высокотемпературном нагреве и высокая прокладываемость позволяет совместить операции горячей обработки давлением и закалку на воздухе, в результате может быть получен термоупрочненный прокат для изготовления штанг.

При содержании ванадия менее 0,06% и азота менее 0,006% рост зерна наблюдается при температуре нагрева выше 1100^oC. При содержании азота более 0,10% снижается пластичность и вязкость стали.

Таким образом, заданный состав сталей обеспечит закалку на воздухе заготовок сечением 16-60 мм без трещин напряжения и предел прочности _в 1000-800 МПа при отсутствии в составе дефицитного молибдена.

Введение ниобия во 2-м варианте состава стали предложено с целью экономии дорогостоящего ванадия, т.к. эффективность ниобия при взаимодействии с углеродом выше, чем ванадия.

Сопоставление существенных признаков составов стали прототипа и предлагаемых составов показывает, что предлагаемые составы обладают новизной по следующим признакам:
в прототипе широкий интервал содержания углерода 0,11% в предлагаемых составах интервал содержания углерода ограничен 0,06% с учетом связывания части углерода в аустените в спецкарбиды ванадия и ниобия и получения в результате закалки на воздухе низкоуглеродистого мартенсита с прочностью _в 1000-800 МПа;
ограничение величины отношения содержания углерода к содержанию ванадия 0,4-2,4 обеспечивает получение необходимых свойств в результате закалки на воздухе без трещин напряжения;
ограничение суммарного содержания ниобия и ванадия в стали 2-го варианта экономит дорогостоящие легирующие элементы при обеспечении требуемых качеств, отсутствие трещин при закалке на воздухе и мелкозернистость.

в прототипе содержится дефицитный молибден, в предлагаемых составах молибдена нет: 1 т предлагаемых сталей дешевле стали прототипа на 980-1000 тыс. руб. (цена легирования молибденом).

Соответствие предлагаемого решения критерию: изобретательский уровень подтверждается отсутствием сведений в научно-технической и патентной информации сведений об экономнолегированной стали, обеспечивающей при закалке на воздухе в заготовках сечением 16-60 мм прочность _в 1000-800 МПа при отсутствии трещин напряжения.

Пример. Сталь известного и предложенных составов выплавляли в индукционной печи, разливали в слитки весом 50 кг, ковали в прутки сечением 100х100 мм и прокатывали в прутки сечением 30х30 мм. Температура нагрева под горячую обработку давлением 1100-1220 C. После горячей обработки давлением заготовки охлаждали на воздухе. Прокаливаемость определяли на заготовках сечением 100х100 мм по изменению твердости по сечению и по появлению феррита в структуре.

Механические свойства определяли на прутках сечением 30х30 мм после закалки на воздухе.

Химический состав и прокаливаемость известной и предлагаемых сталей приведены в табл. 1, механические свойства в табл. 2.

Учитывая, что влияние азота и ниобия известно, содержание их в опытных плавках выдерживали в пределах предлагаемого состава при различном содержании остальных легирующих элементов. Плавка 1 (1-й вариант) имела состав с минимальным содержанием хрома, марганца и углерода и соотношение содержания углерода к содержанию ванадия C/V ниже заданного в предлагаемом составе. Плавка 13 (1-й вариант) имела соотношение содержания углерода к содержанию ванадия более заявленного. Плавка 7 (2-й вариант) имела состав с максимальным содержанием хрома, марганца и углерода; соотношение содержания углерода к содержанию ванадия C/V задано несколько выше, чем в предлагаемом составе. Плавка 15 (2-й вариант) имела суммарное содержание ниобия и ванадия выше предлагаемого, а отношение содержания углерода к содержанию ванадия ниже предлагаемого. Плавки 3 и 4 (2-й вариант) существенно отличались только содержанием углерода.

Результаты, приведенные в табл. 1 и 2, показывают, что сталь предложенного состава при соблюдении условий, приведенных в формуле, обеспечивает прокаливаемость на воздухе заготовок сечением не менее 60 мм и требуемые механические свойства при отсутствии трещин. При этом стоимость предлагаемой стали ниже, чем известной.

Формула изобретения

1. Сталь, содержащая углерод, марганец, хром, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,08 0,14
Марганец 0,9 1,6
Хром 2,0 3,2
Ванадий 0,05 0,3
Азот 0,006 0,10
Железо Остальное
при этом отношение содержания углерода к содержанию ванадия должно быть в пределах 0,4 2,4.

2. Сталь, содержащая углерод, марганец, хром, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, азот, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,08 0,14
Марганец 0,9 1,6
Хром 2,0 3,2
Ванадий 0,05 0,30
Ниобий Не более 0,02
Азот 0,006 0,1
Железо Остальное
при этом отношение содержания углерода к содержанию ванадия должно быть в пределах 0,4 2,4, а содержание ванадия и ниобия должно удовлетворять условию 10 ниобий + ванадий 0,05 0,3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3