Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь и изделие, выполненное из нее

Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь и изделие, выполненное из нее

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, к составам сталей, обладающих высокой пластичностью, и изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при производстве листов, сортового проката (круг), применяемых в машиностроении для изделий, обладающих различной прочностью в разных местах одной и той же детали.

Известны стали 08Ю, 08ПС, 08КГ, относящиеся к разряду высокопластичных в холодном состоянии, содержащие, вес.%, таблица 1.

Таблица 1
Марка стали	Массовая доля элементов, %
углерод	марганец	сера	фосфор	кремний	алюминий
не более
08Ю	0,07	0,35	0,025	0,020	0,03	0,02-0,07
08ПС	0,09	0,45	0,030	0,025	0,04	-
08КП	0,1	0,40	0.030	0,025	0,03	-

[ГОСТ 9045-93 «Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки»].

Указанные стали обладают неплохой способностью к формоизменению в холодном состоянии, т.е. они достаточно пластичные, но не упрочняются ни термической, ни механической обработкой.

По этим причинам стали непригодны для изготовления из них деталей с различной прочностью по зонам.

Известна также сталь 11ЮА, содержащая в вес.%

Углерод	0,09-0,13
Марганец	0,03-0,50
Алюминий	0,03-0,09
Кремний	н.б. 0,13
Хром	н.б. 0,2
Никель	н.б. 0,15
Медь	н.б. 0,2
Железо	остальное

[ГОСТ В 19032 «Кружки и полосы из стали 11ЮА»].

Указанная сталь обладает достаточно высокой пластичностью при холодной штамповке, но в готовых изделиях из этой стали невозможно получить требуемый уровень прочности по пределу текучести выше 600 МПа.

Известна также сталь 10ГН [ТУ 14-1-2371 «Лист горячекатаный из стали марки 10ГН» - прототип]. Сталь содержит мас.%: углерод 0,11-0,15, марганец 0,6-0,9, кремний 0,3-0,6, никель 0,6-0,9, алюминий 0,02-0,07, хром не более 0,2, медь не более 0,2, сера не более 0,030, фосфор не более 0,025, железо - остальное. Сталь в нормализованном состоянии имеет близкое к требованиям значение временного сопротивления (σ_в 400-500 МПа), но не упрочняется до требуемых значений предела текучести (σ_0,2=687-785 МПа).

Кроме того, сталь не обладает достаточной пластичностью для холодной штамповки из толстого листа тонкостенных обечаек методом выдавливания.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопластичной нестареющей углеродистой стали, сочетающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии, и обеспечивающую упрочнение до σ_т≥687 МПа на отдельных участках готового изделия при сохранении вязкости до температур минус -60°С.

Технический результат изобретения состоит в повышении пластичности при холодной штамповке и в обеспечении высокой прочности на отдельных участках штампованного изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что высокопластичная, нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,08-0,15
Марганец	0,3-1,0
Никель	0,2-1,5
Алюминий	0,03-0,1
Кремний	0,05-0,2
Медь	0,05-0,35
Хром	0,05-0,4
Ванадий	0,05-0,2
Азот	0,01-0,04
Железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не должно превышать 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполнены из сталей, указанных составов в виде толстого листа толщиной 22-25 мм, а также в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.

Сущность изобретения заключается в том, что в сталь вводится ванадий в количестве 0,05-0,2%, азот в количестве 0,01-0,04, дополнительно регламентировано суммарное содержание кремния, хрома, меди и ванадия и соотношение кремния и меди.

Суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия выбрано из тех соображений, что указанные элементы оказывают различное влияние на ход фазовых превращений в стали, вызывая в одном случае (хром) увеличение склонности стали к закалке при охлаждении и, следовательно, к упрочнению за счет образования структур игольчатого типа (мартенсит, бейнит), что нежелательно, т.к. сталь должна иметь в состоянии поставки σ_в не более 410 МПа.

Кремний, с одной стороны, необходим в стали как раскислитель и стабилизатор феррита, с другой стороны, кремний оказывает отрицательное влияние на свариваемость стали. Кремний также не в лучшую сторону влияет на штампуемость стали в холодном состоянии.

Далее, сталь в состоянии поставки, т.е. перед штамповкой, должна иметь прочность (σ_в) в пределах 380-410 МПа, а в готовом изделии отдельные зоны должны иметь прочность (по пределу текучести) σ_0,2=687-785 МПа. Для достижения этой цели в сталь вводится медь - элемент, который упрочняет твердый раствор железа, оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость и повышает склонность к деформационному упрочнению, что необходимо для получения в изделиях упрочненных зон.

Марганец, вводимый в сталь в количестве 0,3-1,0%, необходим для обеспечения низкой прочности (σ_в≤410 МПа) стали в состоянии поставки после нормализации, т.е. перед холодной штамповкой, и для получения высокой прочности (σ_0,2=687-785 МПа) в требуемых зонах готовых изделий после штамповки, поскольку также вызывает повышение склонности стали к деформационному упрочнению.

Углерод в стали в количестве 0,08-0,15% обеспечивает полиморфное превращение аустенита диффузионным путем, т.е. с образованием феррито-прелитной структуры, обеспечивающей высокую способность к формоизменению в холодном состоянии.

Никель в количестве 0,2-1,5% необходим в стали для сохранения вязких свойств при низких до минус 60-70°С температурах.

Алюминий в сталь вводится в количестве 0,03-0,1% для предотвращения склонности стали к механическому старению, которое со временем вызывает низкотемпературное охрупчивание стали.

Для достижения требуемого комплекса технологических и служебных свойств изделий из предлагаемой стали в нее вводится ванадий в количестве 0,05-0,2% и азот в количестве 0,01-0,04%. Как было отмечено выше, в сталь вводится алюминий для предотвращения механического старения стали, за которое ответственен азот, находящийся в твердом растворе и образующий так называемые «облака Котрелла». Алюминий при введении в сталь вступает во взаимодействие с азотом, образуя нитрид алюминия AlN и тем самым препятствует образованию «облаков Котрелла», сталь становится нестареющей.

Но нитрид алюминия AlN весьма стоек и растворяется при очень высоких температурах (>1100°С) и не улучшает технологические свойства стали.

В нашем случае для получения упрочненных зон желательно иметь азот в твердом растворе, поскольку он способствует увеличению деформационного упрочнения.

Вводя в сталь ванадий, элемент, имеющий за счет большего сродства к азоту, чем алюминий, более высокое значение параметра взаимодействия

(в то время как ), часть азота пойдет на образование нитрида ванадия VN, температура растворения которого в стали такого состава на 100-150°С ниже.

В силу этого обстоятельства у предлагаемой стали появляется возможность получить зоны с относительно высокой прочностью, т.к. при нагреве до температур нормализации 950°С нитрид ванадия растворится в твердом растворе, а свободный азот займет места в межузловых зонах кристаллической решетки и будет способствовать получению высокой прочности в нужных зонах изделия из этой стали за счет упрочнения стали при деформации.

Экспериментально установлено, что при выполнении соотношений ΣCr+Si+Cu+V≤0,6% и Si/Cu≤2 сталь сохраняет низкие значения σ_в≤410 МПа и высокую способность к формоизменению при холодной штамповке толстых (22-25 мм) листов.

Примеры реализации изобретения. Стали предлагаемого состава и прототип выплавляли в 20 кг индукционной печи и разливали в слитки массой по 17 кг. Слитки ковали и прокатывали на лист размером 23×200×300 мм, из которого были изготовлены обечайки методом холодной штамповки. В таблице 2 представлен химический состав опытных плавок предлагаемой стали и прототипа.

Таблица 2
Химический состав опытных сталей.
№ плавки	C	Mn	Ni	Al	V	Si	Cu	Р	S	Cr	N	ΣCr+Si+Cu+V
1	0,094	0,45	0,21	0,055	0,1	0,1	0,07	0,004	0,007	0,051	0,02	0,321	1,42
2	0,082	0,48	0,33	0,038	0,082	0,12	0,09	0,02	0,006	0,061	0,023	0,353	1,33
3	0,085	0,85	0,43	0,045	0,075	0,12	0,1	0,025	0,008	0,1	0,035	0,395	1,2
4 прототип	0,11	0,65	0,82	0,037	-	0,55	0,15	0,005	0,006	0,18	-	-	3,66
Примечание: во всех плавках железо, неизбежные примеси - остальное.

Механические свойства сталей после нормализации при 920°С приведены в таблице 3.

Таблица 3
Механические свойства сталей.
№ плавки	σв	σ0,2	δ5	ψ	Ан
МПа	%	кгс·м/см2
20°С	-70°С
1	395	320	38	82	26	8
2	400	326	36	84	23	7
3	392	318	41	85	25	9
4 (прототип)	450	395	28	67	12	3

Из данных таблицы 3 видно, что предлагаемая сталь имеет значение временного сопротивления 392-400 МПа при достаточно высоких значениях относительного удлинения δ₅>35%, в то время как σ_в прототипа (450 МПа) на 40 МПа выше предельно допустимого значения.

Значения предела текучести в упрочненных местах обечаек, выполненных холодной штамповкой, приведены в таблице 4. Из данных таблицы 4 видно, что предел текучести после упрочнения предлагаемой стали составляет 690-780 МПа, в то время как предел текучести прототипа не превысил 560 МПа.

Таблица 4
Значения предела текучести сталей в упрочненном состоянии.
№ плавки	Предел текучести σ0,2 МПа
1	695; 720; 695; 715; 725; 718; 740; 752; 734
2	760; 755; 720; 695; 740; 754; 738; 750; 758
3	710; 698; 704; 708; 725; 730; 744; 752; 695
4 прототип	560; 540; 480; 465; 510; 520; 514; 495; 498

Полученные результаты механических испытаний свидетельствуют о достижении требуемого комплекса прочностных, пластических и вязких свойств на предлагаемой стали и изделиях, выполненных из нее.

1. Высокопластичная нестареющая углеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, никель, алюминий, кремний, медь, хром, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,08-0,15
марганец	0,3-1,0
никель	0,2-1,5
алюминий	0,03-0,1
кремний	0,05-0,2
медь	0,05-0,35
хром	0,05-0,4
ванадий	0,05-0,2
азот	0,01-0,04
железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом суммарное содержание хрома, кремния, меди и ванадия не превышает 0,6% при соотношении Si/Cu≤2.

2. Изделие, выполненное из высокопластичной нестареющей углеродистой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде толстого листа толщиной 22-25 мм.

4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено в виде тонкостенных обечаек методом холодной штамповки.