Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь

Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составам высокопрочных свариваемых сталей с повышенной термостойкостью, используемых в специальных конструкциях в высокоупрочненном состоянии после закалки на мартенсит.

Листовая горячекатаная броневая термостойкая сталь мартенситного класса БТСМ 150-200 с повышенными бронезащитными свойствами должна обладать следующим комплексом механических и специальных характеристик (табл.1):

Таблица 1
Свойства листовой броневой стали
HRC, ед.	σт, МПа	δ5, %	KCU, МДж/см2	Н, мм	Тт, °С	Свариваемость
не менее 63	не менее 1900	не менее 8	не менее 7	9,0	650	удовлетв.
Примечание: 1. Н - минимальная толщина листа, выдерживающая без разрушения обстрел по нормали с расстояния 100 м бронебойно-зажигательными пулями Б-32 с закаленными сердечниками калибра 12,7-мм;
2. Тт - Допустимая температура нагрева, при которой сталь сохраняет удовлетворительные механические и функциональные свойства.

Известна конструкционная сталь [1] следующего химического состава, мас.%:

Углерод	0,46-0,56
Кремний	0,17-0,90
Марганец	0,10-1,00
Хром	2,80-5,00
Никель	1,50-3,00
Молибден	1,70-2,70
Ванадий	0,25-0,35
Железо	Остальное

Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы в закаленном на мартенсит и низкоотпущенном состоянии имеют недостаточные твердость и прочность. Это не позволяет использовать ее для изготовления бронезащитных конструкций. Кроме того, при повышении температуры нагрева сталь теряет прочностные и функциональные свойства.

Известна также сталь для подложки многослойной бронепреграды, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,42-0,56
Кремний	0,17-0,9
Марганец	0,1-1,0
Хром	0,8-5,0
Никель	0,9-3,0
Молибден	0,2-2,7
Ванадий	0,1-0,35
Железо	Остальное [2]

Недостатком данной стали являются низкие прочностные, вязкостные и бронезащитные свойства листов в закаленном состоянии: толщина Н листов не может быть менее 10 мм, а в случае минимальной концентрации всех легирующих ее элементов - не менее 13 мм. Сталь не обладает термостойкостью.

Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предложенной стали является легированная сталь для изготовления бронеэлементов Б100СТ следующего химического состава, мас.%:

Углерод + азот	0,45-1,5
Кремний	0,9-1,5
Марганец	0,5-1,5
Хром	0,7-5,5
Никель	0,6-3,5
Молибден	0,15-0,75
Сера + фосфор	не более 0,010-0,016
Железо	Остальное [3] - прототип

Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы, изготовленные из нее, после закалки сохраняют в структуре остаточный аустенит, в результате чего сталь имеет недостаточный уровень бронестойкости: при твердости закаленных листов 63 HRC, стандартные испытания на обстрел выдерживают листы толщиной не менее 15 мм. Сталь имеет низкую свариваемость, т.к. в сварном шве образуются горячие и холодные трещины. Вследствие низкой термостойкости, при нагреве выше температуры 250°C закаленная сталь теряет механические и бронезащитные свойства.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении бронестойкости, термостойкости и свариваемости стали.

Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит кобальт и медь при следующем соотношении содержаний компонентов, мас.%:

Углерод	0,001-0,41
Кремний	0,1-2,6
Марганец	0,1-1,8
Хром	0,1-8,6
Никель	0,1-1,9
Молибден	0,1-0,6
Кобальт	0,05-4,6
Медь	0,1-1,9
Сера	не более 0,004
Фосфор	не более 0,008
Железо	Остальное

Кроме того, при содержании углерода не более 0,15%, она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

Кремний	0,1-0,8
Марганец	0,6-1,8
Хром	0,6-8,6
Никель	1,2-1,9
Молибден	0,3-0,6
Кобальт	0,05-1,9
Медь	0,9-1,9
Сера	не более 0,004
Фосфор	не более 0,008
Железо	Остальное

а при содержании углерода более 0,15%, она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

Кремний	0,6-2,6
Марганец	0,1-0,7
Хром	0,1-0,5
Никель	0,1-1,6
Молибден	0,1-0,3
Кобальт	не менее 2,0
Медь	0,1-0,8
Сера	не более 0,004
Фосфор	не более 0,008
Железо	Остальное

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Исследования показали, что резервом повышения бронезащитных свойств и теплостойкости закаленной стали является уменьшение содержания в ее микроструктуре остаточного аустенита, а также упрочнение по механизму внедрения в реечный мартенсит закалки атомов меди. Кобальт в стали предложенного состава в сочетании с медью обеспечивает одновременно как повышение температуры мартенситного превращения и соответствующее уменьшение содержания остаточного аустенита, так и стабильность микроструктурно-фазового состава закаленной на мартенсит стали при нагреве до температуры 650°C за счет исключения возможности торможения протекания фазовых превращений. Помимо этого медь в атомарном состоянии, находящаяся по границам зерен, препятствует их окислению в процессе нагрева и развитию межкристаллитной коррозии. В результате достигается повышение термостойкости и бронестойкости стали при относительно низкой степени легированности. А это, в свою очередь, оказывает благоприятное влияние на электросвариваемость.

Данная сталь обладает способностью закаливаемости на воздухе. Поэтому сварка изделий из стали не требует их предварительного и последующего подогрева, а также дополнительного термоупрочнения, т.к. сварной шов и зона его термического влияния после самопроизвольного охлаждения на воздухе приобретают морфологию реечного мартенсита.

Для уменьшения термических напряжений, предотвращения поводок и короблений, а также трещинообразования вследствие сваривания элементов конструкции, и, тем самым, повышения свариваемости до удовлетворительного уровня, концентрация в стали углерода не должна превышать 0,15% (т.е. 0,001-0,15% С), а для достижения максимальной бронестойкости концентрация углерода должно быть более 0,15% (т.е. 0,16-0,41% С), при более узких диапазонах концентраций всех легирующих компонентов. В обоих вариантах сталь имеет более высокие бронестойкость, термостойкость и свариваемость, чем сталь-прототип [3].

Углерод упрочняет сталь. При концентрации углерода менее 0,001% не достигается требуемая прочность и твердость стали, а при его концентрации более 0,41% снижаются вязкость, пластичность и бронезащитные свойства закаленной стали. Увеличение концентрации углерода более 0,15% в заявляемых пределах не исключает коробления и поводок при сварке деталей из тонких листов (толщиной менее 6,0 мм). В то же время, увеличение содержания углерода более 0,15% способствует повышению бронестойкости стали и не вызывает коробления и поводок при сварке деталей из листов толщиной более 6,0 мм.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность и упругость. Он упрочняет сталь без образования карбидов и нитридов, повышает устойчивость мартенсита при нагреве до температуры 650°C и выше. При концентрации кремния менее 0,10% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 2,60% снижается ее пластичность и вязкость, а также свариваемость. При относительно низкой концентрации углерода (не более 0,15%) повышение содержания кремния более 0,80% ведет к короблениям и поводкам при сваривании деталей из тонких листов, а при содержании углерода более 0,15% снижение содержания кремния менее 0,60% не обеспечивает достижения максимальной бронестойкости.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,30% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,80% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали. Причем в стали с концентрацией углерода не более 0,15% снижение содержания марганца менее 0,60% приводит к короблениям и поводкам при сваривании деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% увеличение содержания марганца более 0,70% не позволяет достичь максимальной бронестойкости.

Хром повышает прочность, вязкость и бронестойкость стали. При его концентрации менее 0,10% прочность и вязкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 8,60% приводит к потере пластичности и термостойкости из-за роста карбидов, которые распадаются в процессе нагрева изделий из стали при их эксплуатации. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания хрома менее 0,60% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при снижении содержания хрома более 0,50% не достигается максимально возможная бронестойкость.

Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 1,90% повышается содержание остаточного аустенита в стали и ухудшается бронестойкость. Снижение содержания никеля менее 0,10% приводит к потере пластичности и ударной вязкости, сталь теряет термоустойчивость. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания никеля менее 1,20% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания никеля более 1,60% не достигается максимально возможная бронестойкость.

Молибден образует мелкодисперсные карбиды, благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен, повышает прочность и вязкость стали, обусловливает мелкозернистость микроструктуры. При содержании молибдена менее 0,1% прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,60% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания молибдена менее 0,60% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания молибдена более 0,30% не достигается максимально возможная бронестойкость из-за образования значительного количества карбидов.

Кобальт снижает содержание остаточного аустенита в стали и частично заменяет никель, уменьшая требуемую его концентрацию, сохраняет благоприятную дислокационную морфологию тонкой структуры мартенсита.

При содержании кобальта менее 0,05% не достигается повышения бронезащитных свойств закаленных листов. Увеличение содержания кобальта сверх 4,60% не приводит к дальнейшему улучшению бронестойкости и термостойкости, а лишь ухудшает свариваемость и увеличивает расходы на легирующие. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при увеличении содержания кобальта более 1,90% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении содержания кобальта менее 2,0% не достигается максимально возможная бронестойкость.

Медь повышает теплостойкость стали без снижения ее бронестойкости. При концентрации меди менее 0,10% нагрев закаленной на мартенсит стали выше температуры 250°C сопровождается снижением ее прочностных свойств и бронестойкости. Увеличение концентрации меди более 1,9% снижает ударную вязкость и свариваемость закаленной стали, что недопустимо. В стали с концентрацией углерода не более 0,15% при снижении содержания меди менее 0,90% имеют место коробления и поводки свариваемых деталей, особенно из тонких листов, а в стали с концентрацией углерода более 0,15% при увеличении концентрации меди более 0,80% не достигается максимально возможная бронестойкость.

Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,004% и фосфора не более 0,008% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.

Стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, ферромолибденом, вводили металлические медь, никель и кобальт. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.

Сталь разливали в слитки и подвергали прокатке в слябы толщиной 100 мм. Затем слябы нагревали до температуры 1240°C и прокатывали на реверсивном стане кварто 2000 в листы толщиной от 4,0 до 10,0 мм. Прокатанные листы подвергали с прокатного нагрева немедленной закалке водой от температуры 850°C и затем отпускали путем выдержки в течение 3 ч при температуре 250°C (термическое улучшение).

От готовых листов отбирали пробы и производили испытания механических и функциональных свойств. Свариваемость оценивали по отсутствию горячих и холодных трещин в сварном шве на пробах Пеллини. В таблице 3 представлены результаты испытаний горячекатаных листов из стали различных составов после термического улучшения. Дополнительно оценивали коробление и поводки, возникающие при сваривании плоских элементов из листов всех толщин.

Таблица 2
Химический состав термостойких броневых сталей мартенситного класса
№ состава	Содержание легирующих и примесных элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Co	Mo	Cu	S	Р
1	0,0009	0,09	0,09	0,09	0,09	0,04	0,09	0,09	0,001	0,004
2	0,0010	0,10	0,10	0,10	0,10	0,05	0,10	0,10	0,002	0,005
3	0,210	1,35	0,90	4,35	1,02	2,33	0,35	1,01	0,003	0,006
4	0,410	2,60	1,80	8,60	1,90	4,60	0,60	1,90	0,004	0,008
5	0,420	2,70	1,90	8,70	1,98	4,70	0,65	1,98	0,005	0,009
6	0,0009	0,09	0,50	0,50	1,10	0,04	0,20	0,80	0,001	0,003
7	0,0010	0,10	0,60	0,60	1,20	0,05	0,30	0,90	0,003	0,007
8	0,080	0,45	1,20	4,60	1,52	0,98	0,45	1,40	0,004	0,008
9	0,150	0,80	1,80	8,60	1,90	1,90	0,60	1,90	0,002	0,006
10	0,160	0,90	1,90	8,70	2,00	1,99	0,70	2,00	0,005	0,009
11	0,150	0,50	0,09	0,09	0,09	1,90	0,09	0,09	0,002	0,005
12	0,160	0,60	0,10	0,10	0,10	2,00	0,10	0,10	0,004	0,004
13	0,280	1,60	0,40	0,30	0,85	3,30	0,20	0,45	0,003	0,004
14	0,410	2,60	0,70	0,50	1,60	4,60	0,30	0,80	0,004	0,008
15	0,422	2,70	0,80	0,60	1,70	4,70	0,40	0,90	0,005	0,009
16	0,750	0,80	0,70	2,40	1,50	--	0,60	--	0,005	0,004
Примечание: в сталях всех составов остальное - Fe.

Эти испытания позволили установить, что на свариваемых изделиях из листов толщиной более 6,0 мм поводки и коробления отсутствовали. На свариваемых изделиях из листов толщиной 4,0-6,0 мм коробления и поводки отсутствовали только для сталей составов №7-9, содержание углерода в которых не превышало 0,15%. Свариваемые элементы из стальных листов толщиной 4,0-6,0 мм с другим химическим составом теряли исходную форму из-за поводок и короблений.

Таблица 3
Механические и функциональные свойства листов из броневых термостойких свариваемых сталей мартенситного класса
№ состава	HRC, ед.	σт, МПа	δ5,%	KCU, МДж/см2	Н, мм	Тт, °С	Свариваемость
1	55	1600	12	6	12,0	350	удовл.
2	65	2050	11	8	8,0	650	удовл.
3	66	2100	11	8	7,5	680	удовл.
4	66	2150	10	7	8,0	660	удовл,
5	63	1680	7	5	9,5	280	неудовл.
6	58	1630	8	6	11,0	360	удовл.
7	65	2040	11	7	8,0	660	удовл.
8	66	2060	11	8	7,7	680	удовл.
9	66	2070	10	8	8,0	670	удовл.
10	63	2095	7	6	9,8	320	неудовл.
11	59	1890	5	5	8,2	340	неудовл.
12	65	2080	11	7	7,2	660	удовл.
13	66	2090	11	8	7,0	690	удовл.
14	66	2100	10	7	7,2	670	удовл.
15	63	2110	4	3	8,9	350	неудовл.
16	61	1500	5	2	15,0	200	неудовл.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная сталь (составы №2-4, №7-9, №12-14) одновременно сочетает наиболее высокие показатели термостойкости, свариваемости и бронестойкости. При этом листы из сталей составов №12-14 показали максимальную бронестойкость: стандартные тестовые испытания на непробитие выдерживали листы толщиной 7,0-7,2 мм.

Технико-экономические преимущества предложенной броневой термостойкой свариваемой мартенситной стали, поименованной авторами специальным названием БТСМ 150-200, состоят в том, что введение в ее состав 0,05-4,60% кобальта и 0,10-1,90% меди при регламентированном содержании остальных легирующих элементов и примесей позволяет одновременно повысить термостойкость, свариваемость и бронестойкость термически улучшенных горячекатаных листов. Помимо этого, в вариантах составов стали с различной концентрацией углерода достигается исключение термических поводок и короблений в процессе сваривания листов толщиной не более 6,0 мм, а также снижение толщины листов, выдерживающих стандартный тест на непробитие, до 7,0-7,2 мм. В результате снижается масса броневой защиты, или, при сохранении толщины листов, увеличивается надежность бронирования. Повышение термостойкости позволяет существенно повысить надежность строительных конструкций при пожарах, а также живучесть бронированных объектов.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали повысит эффективность бронезащитных изделий и противопожарную устойчивость строительных конструкций на 15-20%.

Изготавливаемым по заявленному химическому составу сталям авторами дано специальное наименование - «Б200ТСМ».

Источники информации

1. Авт. свид. СССР №1700091, МПК С22С3 8/46, 1982 г.

2. Патент Российской Федерации №2102688, МПК F41H 5/04, 1998 г.

3. Патент Российской Федерации №2139357, МПК C21D 9/42, F41H 1/02, F41H 5/02, 1999 г. - прототип.

1. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,001-0,41
кремний	0,1-2,6
марганец	0,1-1,8
хром	0,1-8,6
никель	0,1-1,9
молибден	0,1-0,6
кобальт	0,05-4,6
медь	0,1-1,9
сера	не более 0,004
фосфор	не более 0,008
железо	остальное

2. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь по п.1, отличающаяся тем, что при содержании углерода не более 0,15 мас.% она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

кремний	0,1-0,8
марганец	0,6-1,8
хром	0,6-8,6
никель	1,2-1,9
молибден	0,3-0,6
кобальт	0,05-1,9
медь	0,9-1,9
сера	не более 0,004
фосфор	не более 0,008
железо	остальное

3. Броневая термостойкая свариваемая мартенситная сталь по п.1, отличающаяся тем, что при содержании углерода более 0,15 мас.% она имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

кремний	0,6-2,6
марганец	0,1-0,7
хром	0,1-0,5
никель	0,1-1,6
молибден	0,1-0,3
кобальт	не менее 2,0
медь	0,1-0,8
сера	не более 0,004
фосфор	не более 0,008
железо	остальное