Свариваемая деталь из конструкционной стали и способ ее изготовления

Свариваемая деталь из конструкционной стали и способ ее изготовления

Реферат

Настоящее изобретение относится к свариваемым деталям из конструкционной стали и к способу их изготовления.

Конструкционные стали должны обладать определенным набором механических характеристик, чтобы отвечать требованиям применения, и, в частности, должны иметь повышенную твердость. Для этого используют стали, обладающие способностью к закаливанию, то есть в которых можно получить мартенситную или бейнитную структуру при помощи достаточно быстрого и эффективного охлаждения. Таким образом, определяют критическую бейнитную скорость, за пределами которой получают бейнитную, мартенситную или мартенситно-бейнитную структуру, в зависимости от достигаемой скорости охлаждения.

Закаливаемость этих сталей зависит от содержания в них элементов, повышающих прокаливаемость. Как правило, чем больше количество таких элементов в стали, тем ниже критическая бейнитная скорость.

Кроме механических характеристик конструкционные стали должны обладать хорошей свариваемостью. Однако при сварке стальной детали зона сварки, называемая также зоной термического влияния или ЗТВ, подвергается воздействию сверхвысокой температуры в течение короткого времени, а затем резкому охлаждению, что придает этой зоне повышенную твердость, которая может привести к образованию трещин, что ограничивает свариваемость стали.

Обычно свариваемость стали оценивают при помощи расчета ее «углеродного эквивалента» по следующей формуле:

Ceq=(%C+%Mn/6+(%Cr+(%Mo+%W/2)+%V)/5+%Ni/15)

При первом приближении, чем ниже углеродный эквивалент стали, тем выше свариваемость стали. Становится понятно, что улучшение закаливаемости, достигаемое за счет более высокого содержания элементов, повышающих прокаливаемость, ухудшает ее свариваемость.

Для улучшения закаливаемости этих сталей без ухудшения свариваемости были разработаны марки микролегированной бором стали за счет того, что, в частности, действие этого элемента, повышающего прокаливаемость, снижается при повышении температуры аустенизации. Таким образом, ЗТВ становится менее прокаливаемой, чем она была бы в марке стали с той же закаливаемостью без бора, и, таким образом, можно снизить закаливаемость и твердость этой ЗТВ.

Вместе с тем, поскольку закаливающее действие бора в несваренном участке стали стремится к насыщению при значениях содержания от 30 до 50 частей на миллион, то дополнительного улучшения закаливаемости стали можно достичь только путем добавления элементов, повышающих прокаливаемость, действие которых не зависит от температуры аустенизации, что автоматически ухудшает свариваемость этих сталей. Точно так же улучшение свариваемости достигается путем уменьшения содержания элементов, повышающих прокаливаемость, что автоматически приводит с снижению закаливаемости.

Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка путем разработки конструкционной стали, обладающей улучшенной закаливаемостью, без снижения ее свариваемости.

В этой связи первым объектом настоящего изобретения является свариваемая деталь из конструкционной стали, в химический состав которой входят, по весу:

0,40%≤С≤0,50%

0,50%≤Si≤1,50%

0%≤Mn≤3%

0%≤Ni≤5%

0%≤Cr≤4%

0%≤Cu≤1%

0%≤Mo+W/2≤1,5%

0,0005%≤В≤0,010%

N≤0,025%

Al≤0,9%

Si+Al≤2,0%,

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей V, Nb, Та, S и Са, с содержанием, меньшим 0,3%, и/или из Ti и Zr с содержанием, меньшим или равным 0,5%, при этом остальное составляет железо и примеси, образовавшиеся при варке, при этом значения содержания алюминия, бора, титана и азота, выраженные в тысячных долях % упомянутого состава, дополнительно отвечают следующему соотношению:

при К=Min(I*; J*)

I*=Max (0; I) и J*=Мах (0; J)

I=Min(N; N - 0,29(Ti - 5)

и структура которой является бейнитной, мартенситной или мартенситно-бейнитной и дополнительно содержит от 3 до 20% остаточного аустенита, предпочтительно от 5 до 20% остаточного аустенита.

В предпочтительном варианте реализации химический состав стали детали в соответствии с настоящим изобретением дополнительно отвечает следующему отношению:

В другом предпочтительном варианте реализации химический состав стали детали в соответствии с настоящим изобретением дополнительно отвечает отношению:

%Cr+3(%Мо+%W/2)≥1,8, предпочтительно ≥2,0.

Вторым объектом настоящего изобретения является способ изготовления свариваемой детали из стали согласно изобретению, отличающийся тем, что:

- деталь аустенизируют нагреванием до температуры, находящейся в пределах от Ас₃ до 1000°С, предпочтительно от Ас₃ до 950°С, затем ее охлаждают до температуры, меньшей или равной 200°С таким образом, чтобы в сердцевине детали скорость охлаждения от 800°С до 500°С превышала или была равной критической бейнитной скорости;

- при необходимости осуществляют отпуск при температуре, меньшей или равной Ac₁.

Примерно между 500°С и температурой окружающей среды и, в частности, между 500°С и температурой, меньшей или равной 200°С, скорость охлаждения можно при необходимости замедлить, в частности, чтобы способствовать явлению самоотпуска и удерживанию остаточного аустенита в пределах от 3% до 20%. Предпочтительно скорость охлаждения между 500°С и температурой, меньшей или равной 200°С, в этом случае будет составлять от 0,07°С/с до 5°С/с, предпочтительнее - от 0,15°С/с до 2,5°С/с.

В предпочтительном варианте реализации отпуск осуществляют при температуре, меньшей 300°С, в течение времени менее 10 часов, после охлаждения до температуры, меньшей или равной 200°С.

В другом предпочтительном варианте реализации способ в соответствии с настоящим изобретением не включает в себя отпуска после охлаждения детали до температуры, меньшей или равной 200°С.

Еще в одном предпочтительном варианте реализации деталь, изготовленная способом в соответствии с настоящим изобретением, является листом толщиной от 3 до 150 мм.

Третьим объектом настоящего изобретения является способ изготовления свариваемого листа из стали в соответствии с настоящим изобретением, толщина которого составляет от 3 мм до 150 мм, отличающийся тем, что осуществляют закалку упомянутого листа, при этом скорость V_R охлаждения в сердцевине листа лежит в интервале 800°С - 500°С, выраженная в °С/час, и состав стали выбирают таким образом, чтобы:

1,1%Mn+0,7%Ni+0,6%Cr+1,5(%Мо+%W/2)+logV_R≥5,5 и предпочтительно ≥6, при этом log является десятичным логарифмом.

Настоящее изобретение основано на новом выводе о том, что добавление кремния в вышеуказанных количествах позволяет повысить закаливающее действие бора от 30% до 50%.

Такой синергический эффект проявляется без увеличения количества добавляемого бора, тогда как кремний не дает существенного закаливающего действия в отсутствие бора.

С другой стороны, добавление кремния не мешает способности бора снижать, а затем прекращать свое закаливающее действие при возрастающих температурах аустенизации, как это происходит в ЗТВ.

Таким образом, использование кремния в присутствии бора позволяет еще больше повысить закаливаемость детали, не ухудшая ее свариваемости.

Кроме того, было также обнаружено, что благодаря улучшению закаливаемости этих марок стали и добавлению минимального количества карбидообразующих элементов, которыми, в частности, являются хром, молибден и вольфрам, можно получать эти стали, осуществляя лишь отпуск при низкой температуре или даже отказавшись от него.

Действительно, улучшение закаливаемости позволяет охлаждать детали более медленно, обеспечивая при этом в основном бейнитную, мартенситную или мартенситно-бейнитную структуру. Это более медленное охлаждение в сочетании с достаточным содержанием карбидообразующих элементов обеспечивает осаждение мелких карбидов хрома, молибдена и/или вольфрама за счет явления, называемого самоотпуском. Этому явлению самоотпуска, кроме того, способствует замедление скорости охлаждения при температуре ниже 500°С. Это замедление способствует также удерживанию аустенита предпочтительно в количестве от 3% до 20%. Поэтому процесс изготовления становится проще при одновременном улучшении механических характеристик стали, которая не претерпевает значительного размягчения, имеющего место во время отпуска при высокой температуре, который обычно осуществляют в существующей практике. Вместе с тем остается возможность осуществлять такой отпуск при обычных температурах, то есть меньших или равных Ac₁.

Далее следует более подробное описание изобретения, которое не носит ограничительного характера. Сталь детали в соответствии с настоящим изобретением содержит, по весу:

- более 0,40% углерода, чтобы получить отличные механические характеристики, но менее 0,50%, чтобы обеспечить хорошую свариваемость, хорошую обрабатываемость резанием и гибкой и иметь достаточную прочность;

- более 0,50%, предпочтительно более 0,75% и еще предпочтительнее - более 0,85% по весу кремния, чтобы обеспечить синергию с бором, но менее 1,50% по весу, чтобы не ухрупчать сталь;

- более 0,0005%, предпочтительно более 0,001% бора, чтобы скорректировать закаливаемость, но менее 0,010% по весу, чтобы избежать слишком высокого содержания нитридов бора, отрицательно влияющих на механические характеристики стали;

- менее 0,025%, предпочтительно менее 0,015% азота, при этом полученное содержание зависит от способа выплавки стали;

- от 0% до 3% и предпочтительно от 0,3% до 1,8% марганца, от 0% до 5% и предпочтительно от 0% до 2% никеля, от 0% до 4% хрома, от 0 до 1% меди, при этом сумма количества молибдена и половины количества вольфрама должна быть меньше 1,50%, чтобы получить в основном бейнитную, мартенситную или мартенситно-бейнитную структуру; кроме того, сумма %Cr+3(%Мо+%W/2) предпочтительно превышает 1,8% и еще предпочтительнее - превышает 2,0%, чтобы при необходимости иметь возможность ограничить отпуск температурой 300°С или отказаться от него;

- менее 0,9% алюминия, который при более высоком содержании отрицательно сказывается на текучести (включениями забиваются разливочные желоба). Кроме того, в совокупности содержание алюминия и кремния должно быть меньше 2,0%, чтобы избежать надрывов во время прокатки;

- при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей V, Nb, Та, S, Са с содержанием менее 0,3%, и/или Ti и Zr с содержанием, меньшим или равным 0,5%. Добавлением V, Nb, Та, Ti, Zr добиваются повышения твердости путем осаждения, чрезмерно не ухудшая свариваемость. Титан, цирконий и алюминий могут использоваться для фиксирования азота, присутствующего в стали, что позволяет защитить бор, при этом титан полностью или частично может быть заменен двойным весом Zr. Сера и кальций способствуют улучшению обрабатываемости марки резанием;

- кроме того, содержание алюминия, бора, титана и азота в упомянутом составе, выраженное в тысячных долях %, должно отвечать следующему отношению:

при К=Min(I*; J*)

I*=Max (0; I) и J*=Мах (0; J)

I=Min(N; N - 0,29(Ti - 5)

- остальное составляет железо и примеси, образующиеся при варке.

Для изготовления свариваемой детали получают сталь в соответствии с настоящим изобретением, отливают ее в виде полуфабриката, которому затем придают форму путем горячей пластической деформации, например, при помощи прокатки или ковки. Полученную деталь аустенизируют нагреванием до температуры, превышающей Ас₃, но меньшей 1000°С и предпочтительно меньшей 950°С, затем охлаждают до температуры окружающей среды таким образом, чтобы в сердцевине детали скорость охлаждения от 800 до 500°С превышала критическую бейнитную скорость. Температуру аустенизации ограничивают пределом 1000°С, так как выше этого значения закаливающее действие бора становится слишком слабым.

Вместе с тем можно также получать детали непосредственным охлаждением в нагревательной установке для формования (без аустенизации), и в этом случае, даже если нагревание перед формованием превышает 1000°С, оставаясь при этом ниже 1300°С, бор сохраняет свое действие.

Для охлаждения детали до температуры окружающей среды, начиная от температуры аустенизации, можно проводить закалку, используя все известные способы (на воздухе, в масле, в воде), но при этом скорость охлаждения остается выше критической бейнитной скорости.

После этого в случае необходимости проводят классический отпуск детали при температуре, меньшей или равной Ac₁, но предпочтительно при этом ограничивать температуру пределом 300°С или даже отказаться от этого этапа. Действительно, отказ от отпуска может быть в случае необходимости компенсирован явлением самоотпуска. Этому самоотпуску способствует, в частности, скорость охлаждения при низкой температуре (то есть примерно ниже 500°С), предпочтительно находящаяся в пределах от 0,07°С/с до 5°С/с, еще предпочтительнее - от 0,15°С/с до 2,5°С/с.

Для этого можно применять любые известные способы закаливания при условии возможности их регулирования в случае необходимости. Так, например, можно применить закалку в воде, если скорость охлаждения замедляют, когда температура детали опускается ниже 500°, что можно осуществить, в частности, извлечением детали из воды и завершением закалки на воздухе.

Таким образом, получают деталь, в частности свариваемый лист из стали со сквозной бейнитной, мартенситной или мартенситно-бейнитной структурой, содержащей от 3 до 20% остаточного аустенита.

Наличие остаточного аустенита является особым преимуществом с точки зрения поведения стали при сварке. Действительно, чтобы ограничить возможность образования трещин при сварке и дополнительно к упомянутому выше снижению закаливаемости ЗТВ, присутствие остаточного аустенита в базовом металле вблизи ЗТВ позволяет зафиксировать часть растворенного водорода, который может быть использован во время операции сварки, поскольку водород, не будучи зафиксированным, может повысить опасность трещинообразования.

В качестве примера изготовили небольшие пробные слитки из сталей 1 и 2 в соответствии с настоящим изобретением и из сталей А и В согласно предшествующему уровню техники со следующими составами, в тысячных вес.%, и за исключением железа:

	С	Si	В	Mn	Ni	Cr	Мо	W	V	Nb	Ti	Al	N
1	415	870	2	1150	510	1110	450	-	-	-	-	55	6
А	420	315	3	1150	520	1130	460	-	-	-	-	52	5
2	450	830	3	715	1410	1450	410	230	65	38	32	25	6
В	460	280	3	720	1430	1470	425	240	63	42	31	27	6

После ковки слитков закаливаемость четырех сталей оценивают при помощи дилатометрического анализа. В данном случае рассматривали, например, мартенситную закаливаемость и, следовательно, критическую мартенситную скорость V₁ после аустенизации при 900°С в течение 15 минут.

На основании этой скорости V₁ выводят максимальные значения толщины листов, которые можно получить, сохраняя в основном сквозную мартенситную структуру, содержащую также, по меньшей мере, 3% остаточного аустенита. Эти значения толщины были определены при закалке на воздухе (А), в масле (Н) и воде (Е).

Наконец, провели оценку свариваемости двух сталей путем вычисления процентного содержания в них эквивалентного углерода по формуле:

C_eq=(%С+%Mn/6+(%Cr+(%Мо+%W/2)+%V)/5+%Ni/15)

Ниже приведены характеристики слитков L1 и L2 в соответствии с настоящим изобретением и слитков LA и LB, взятых для сравнения:

Слиток	V1 (°С/час)	Макс. толщина (мм)	Ceq (%)
А	Н	Е
L1	8800	7	60	100	0,95
LA	15000	4	40	75	0,91
L2	5000	13	80	120	1,07
LB	8200	8	55	85	1,09

Отмечается, что критические мартенситные скорости деталей в соответствии с настоящим изобретением существенно ниже соответствующих скоростей для слитков из стали предшествующего уровня техники, следовательно, их закаливаемость существенно улучшилась и в то же время их свариваемость не изменилась.

Улучшение закаливаемости позволяет изготовить детали со структурой, прокаленной насквозь в менее строгих условиях охлаждения, чем в известных технических решениях и/или при больших значениях максимальной толщины.

1. Свариваемая деталь из конструкционной стали, содержащая химический состав, мас.%:

0,40≤С≤0,50,

0,50≤Si≤1,50,

0≤Mn≤3,

0≤Ni≤5,

0≤Cr≤4,

0≤Cu≤1,

0≤Mo+W/2≤1,5,

0,0005≤B≤0,010,

N≤0,025,

Al≤0,9,

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей V, Nb, Та, S и Са с содержанием, меньшим 0,3, и/или из Ti и Zr с содержанием, меньшим или равным 0,5,

остальное железо и неизбежные примеси, образовавшиеся при варке,

при выполнении условия:

Si+Al≤2,0,

и соотношения:

при K=Min(I*; J*),

I*=Max (0; I) и J*=Max (0; J),

I=Min(N; N-0,29(Ti-5));

J=Min [N; ],

где Al, B, Ti и N

выражены в тыс. долях %,

и имеющая структуру бейнита или мартенсита, или мартенситно-бейнитную с 3-20% остаточного аустенита.

2. Свариваемая деталь по п.1, отличающаяся тем, что химический состав стали дополнительно отвечает следующему отношению, мас.%:

1,1Mn+0,7Ni+0,6Cr+1,5(Mo+W/2)≥1.

3. Свариваемая деталь по п.1, отличающаяся тем, что химический состав стали дополнительно отвечает следующему отношению, мас.%:

1,1Mn+0,7Ni+0,6Cr+1,5(Мо+W/2)≥2.

4. Свариваемая деталь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что химический состав стали дополнительно отвечает следующему отношению, мас.%:

Cr+3(Mo+W/2)≥1,8.

5. Свариваемая деталь по п.4, отличающаяся тем, что химический состав стали дополнительно отвечает следующему отношению, мас.%:

Cr+3(Mo+W/2)≥2,0.

6. Способ изготовления свариваемой детали из конструкционной стали по любому из пп.1-5, включающий нагрев детали до температуры аустенизации в пределах от Ас₃ до 1000°С, предпочтительно от Ас₃ до 950°С, охлаждение до температуры, меньшей или равной 200°С таким образом, чтобы в сердцевине детали скорость охлаждения от 800 до 500°С превышала или была равной критической бейнитной скорости, при необходимости осуществляют отпуск при температуре, меньшей или равной Ac₁.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что охлаждение детали в ее сердцевине от 500°С до температуры, равной или меньшей 200°С, осуществляют со скоростью 0,07°-5°С/с.

8. Способ по любому из пп.6, 7, отличающийся тем, что после охлаждения до температуры, меньшей или равной 200°С, осуществляют отпуск при температуре, меньшей 300°С, в течение менее 10 ч.

9. Способ изготовления свариваемой детали из конструкционной стали по любому из пп.1-5, включающий получение детали в виде листа толщиной 3-150 мм, закалку листа путем нагрева до температуры аустенизации, находящейся в пределах от Ас₃ до 1000°С, предпочтительно от Ас₃ до 950°С, охлаждения до температуры, меньшей или равной 200°С, при этом скорость V_R охлаждения в сердцевине детали от 800 до 500°С и состав стали выбирают при выполнении следующего соотношения, мас.%:

1,1Mn+0,7Ni+0,6Cr+1,5(Mo+W/2)+logV_R≥5,5,

где log - десятичный.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что осуществляют закалку упомянутого листа, при этом скорость V_R охлаждения в сердцевине детали от 800 до 500°С и состав стали выбирают при выполнении условия, мас.%:

1,1Mn+0,7Ni+0,6Cr+1,5(Mo+W/2)+logV_R≥6, где

log - десятичный.

11. Способ изготовления свариваемой детали из конструкционной стали по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что полуфабрикат нагревают до температуры, находящейся в пределах от Ас₃ до 1300°С, затем подвергают формованию путем горячей пластической деформации для получения детали, которую охлаждают до температуры, меньшей или равной 200°С, таким образом, чтобы в сердцевине детали скорость охлаждения от 800 до 500°С превышала или была равной критической бейнитной скорости, и, при необходимости, осуществляют отпуск при температуре, меньшей или равной Ас₁.