RU2002849C1 - Сталь - Google Patents

Description

й

3.20-4,00

0,20-0,50

0,005-0,05

0,005-0,05

Остальное

Данна  сталь, термообработанна  по режиму закалки от температуры 920-960°С и отпуска при температуре 520-560°С, предназначена дл  изготовлени  инструмента дл  гор чего прессовани  и выдавли- вани  углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Высокое содержание в стали углерода и хрома способствует упрочнению после улучшени . Кроме того, введение в сталь титана по пр мому назначению приводит к образованию простых мелкодисперсных карбидов типа TiC, которые значительно измельчают первичное зерно, в результате чего повышаетс  ударна  в зкость. Кальций способствует повышению свойств за счет вли ни  на форму включений. Вместе с тем получение высоких прочностных свойств не обеспечивает комплекса, повышающего сопротивление развитию трещины в области малоциклово- го нагружени . так как в структуре образуетс  значительна  дол  карбидной фазы и упрочн ющих неметаллических включений, количество которых не регламентируетс  соотношени ми, св зывающими количест- венно содержание элементов.

Известна также сталь, наход ща  применение в металлургической промышленности дл  производства литых деталей, работающих при высоких ударных и устало- стных нагрузках при отрицательных температурах . Сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод0,35-0,45

Марганец1,20-1,60

Кремний0,30-0,60

Титан0,005-0.015

Бор0,0005-0,003

Ванадий0,01-0,06

Иттрий0,0001-0,01

Кальций0,0001-0,02

ЖелезоОстальное

.Приведенна  сталь - конструкционна , обладает повышенными физико-механическими свойствами. Она  вл етс  пластич- ной, обладает повышенной ударной в зкостью (особенно при отрицательных температурах), более высокой жидкотекуче- стью и трещиноустойчивостью. Свойства обеспечиваютс  мелкозернистостью струк- туры и структур н ы х соста вл   ющих и дис п е р- сными выделени ми упрочн ющих твердых фаз. Однако большое суммарное количество сильных карбонитридообразующих элементов в стали с относительно низким

количеством углерода приводит к снижению концентрации углерода 9 твердом растворе и образованию избыточного количества феррита в литом состо нии. После упрочн ющей термообработки в закаленной сгрук туре образуетс  довольно грубый пакетный мартенсит, который при отпуске распадаетс  с образованием обширных ферритных п тен. Граница раздела фаз  вл етс  инициатором в трещинообразовании, снижает работу зарождени  трещины и, следовательно , сопротивление разрушению при знакопеременных нагрузках.

Сталь с целью повышени  ударной в зкости и пластичности содержит компоненты в следующем соотношении, мае %

Углерод055-0.65

Кремний0,60-0,90

Марганец0.50-0.80

Алюминий0,04-0.10

Гитан0,05-0,15

ЖелезоОстальное

Сталь используетс  дл  изготовлени  изделий, работающих в услови х большого износа, ударных и изгибающих нагрузок, например отвалов плугов Содержащийс  s стали кремний вводитс  с целью повышени  закаливаемости, прокаливаемое™, упругости , износостойкости и в зкости. Марганец предотвращает выделение углерода при высоком содержании кремни  в виде графита. Однако при данном соотношении компонентов сталь склонна к обезуглероживанию и огрублению ферритной структуры, что не обеспечивает высокого сопротивлени  разрушению при знакопеременных нагрузках о агрессивных средах за счет повышени  сопротивлени  материала развитию трещины в области малоциклового нагружени .

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  сталь состава, мас.%:

Углерод0,3-0,5

Марганец0,5-0.8

Титан0,01-0,04

Кремний1,15-1,50

Бор0.001-0,008

Алюминий0,01-0.08

В качестве примесей сталь содержит серу 0,005-0,045% и фосфор 0,005-0,045%. Отношение AI / В 10, Ti / В 5-10.

Данна  сталь содержит элементы в приведенном соотношении с целью повышени  прочностных свойств и примен етс  дл  изготовлени  высокопрочной арматуры. После термообработки по режиму закалки от 870°С и отпуска при 400°С сталь обладает следующими свойствами: г/в 1501-2010 МПа, ат 1452-1965 МПа. Л 8-12.2% (дл 

арматуры f 10 мм). В формуле оговорено отношение между количеством алюмини  и титзна и бором. Пределы соотношени  между данными элементами сужены по сравнению с получаемыми при подсчете этого отношени  по процентному содержанию , данному в формуле. Однако пределы AI / / В 5-10 не отражают зависимости содержани  алюмини  и титана от степени раскисленности стали. При таких пределах соотношений элементы могут быть полностью св заны во включени , а бор, распределившись по границам зерен неравномерно, также образует соединени , что приведет к падению свойств. Полученна  в стали приведенного состава структура обеспечивает получение повышенных прочностных свойств, однако не способствует повышенному сопротивлению материала разрушению при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах в области мало- циклового нагружени . Таким образом, сталь-прототип не обладает свойствами, дающими основание рекомендовать ее дл  из- готовлени рабочих органов

почвообрабатывающих машин, в частности долот и лемехов плугов, а также ножей культиваторов .

Задачей предлагаемого изобретени   вл етс  повышение сопротивлени  разрушению при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах за счет повышени  сопротивлени  материала развитию трещины е области малоциклового нагружени .

Поставленна  задача решаетс  за счет того, что сталь, содержаща  углерод, марганец , кремний, алюминий, бор, титан и железо содержит компоненты, вз тые при следующем соотношении, мас.%:

Углерод0,30-0,37

Марганец1.10-1,63

Кремний0.40-0,60

Алюминий0,02-0.04

Титан0.02-0,04

Бор0.002-0,004

ЖелезоОстальное

В качестве примесей сталь содержит серу не более 0,03 % и фосфор не более 0.03 %, а отношение

%Т -уо°-%В 1.07-2.67х

% TI + %А1 + 10 %В х%N

во-у + мп,

В составе приведенных сталей содержатс  компоненты, обеспечивающие высокие свойства при статическом нагружении, определ емые по ударной в зкости и сопротивлению разрыву. Однако их состав не обеспечивает сопротивлени  стали разрушению при знакопеременных нагрузках особенно в агрессивных средах. В результате анализа вы влено, что только предлагаема  совокупность компонентов в указанном количестве обеспечивает достижение цели. На основании этого делаем вывод, что предлагаемый состав обладает существенными

0 отличи ми.

Рациональные содержани  углерода в предлагаемой стали составл ют 0.30-0,37 мас.% и обеспечивают прочностные характеристики и пластичность, а также сопро5 тивление разрушению под действием знакопеременных нагрузок в агрессивных средах. Понижение содержани  углерода менее 0,30 мас.% приводит к снижению прочности зэ счет увеличени  количества

0 остаточного аустенита и ферритной составл ющей в структуре термообработанной стали. Увеличение % С более 0,37 мас.% влечет а собой повышение хрупкости, что в сочетании с наличием в структуре улрочн 5 ющих фаз способствует снижению сопротивлени  разрушению при циклическом нагружении.

Марганец присутствует в предлагаемой стали в количестве 1,1-1,3 мас.% и способ0 ствует повышению прокаливаемости, упрочнению легированного цементита и твердого раствора углерода в а -железе.

В предлагаемой стали содержитс  кремний в количестве 0,4-0.6 мас.%. По

5 сравнению с прототипом это более чем в 2 раза меньше. Кремний способствует упрочнению феррита и в таком количестве не сказываетс  отрицательно на пластических свойствах. При повышении содержани 

0 кремни  выше 0,6% снижаютс  пластические и в зкие свойства стали. Введение менее 0,4% Si на свойства незначительно.

Конечное раскисление стали практически всегда производитс  алюминием. Со5 держание алюмини  оказывает вли ние не только на ударную в зкость вследствие выделени  нитридов AIN и расположени  их по границам зерен, но и за счет воздействи  на механизм упрочнени  стали. При содержа0 нии AI выше 0,04%, несмотр  на высокие значени  ударной в зкости, отмечаетс  существенное снижение прочностных свойств, так как значительна  дол  азота, св зываема  в нитрид AIN при аустенитизи5 рущем нагреве, не принимает участи  в процессах формировани  вторичной структуры и дисперсионного упрочнени . В пределах 0,02-0,04% алюминий способствует полному раскислению стали, св зывает азот, подавл ет склонность стали к старению.

Целью введени  алюмини  в данном количестве  вл етс  раскисление и подготовка к модифицированию.

Необходимость введени  в состав стали титана объ сн етс  его активностью, приво- д щей к образованию соединений с кислородом , азотом и серой. Титан действует как сильный раскислитель и дегазатор стали. При этрм его соединени  - например карбо- нитриды - не снижают до определенных пределов концентраций свойств и оказывают благопри тное воздействие на структуру и механические свойства. При содержании в предлагаемой стали 0,02-0.04% титан измельчает первичное и вторичное зерно аус- тенита, св зывает азот в стойкие высокодисперсные соединени  и благопри тствует повышению пластичности и ударной в зкости, а также устранению склонности к старению. Комплексное воз- действие титана на структуру повышает сопротивление зарождению и развитию трещин при нагружении, особенно вызванном знакопеременными нагрузками, так как зарождение трещин более затруднено в мелкозернистой структуре, а преп тстви ми на пути распространений трещин  вл ютс  как границы зерен, так и специальные карбиды. Введение а сталь менее 0,02% Ti нецелесообразно, так как такое остаточное содержание не оказывает существенного воздействи  на структуру.

При содержании свыше 0,04% происходит укрупнение карбонитридной фазы, крупные же включени  могут  вл тьс  оча- гами зарождени  трещин при разрушении под действием знакопеременных нагрузок. Границы раздела включение-матрица при возникновении микротрещин уже в области низкоамплитудного нагружени  заполн ют- с  агрессивной средой, что приводит к сни- жению показателей сопротивлени  разрушению.

Вли ние бора, введенного в стали в количестве 0,002-0,004%, как микролегирую- щего элемента, обусловлено малыми размерами атомов бора, а также его сильным карбидо-и нитридообразующим действием . Введение бора обеспечивает получение высокой прокаливаемости в предлагаемой стали, содержащей титзн. Измельчение зерна в стал х с титаном сопровождаетс  снижением прокаливаемости из-за увеличени  прот женности,  вл ющихс  област ми с повышенным количест- вом дефектов кристаллического строени  и, следовательно, пониженной устойчивостью переохлажденного аустенита. Горофиль- ность бора способствует снижению дефек- тности границ и, следовательно.

повышению устойчивости аустенита. Кроме того, добавки борз измен ют услови  образовани  и роста мартенситных кристаллов, Бор, концентриру сь на границах зерен аустенита , вытесн ет углерод в центральные участки аустенитных зерен, где он способствует диспергированию возникающей мар- тенситной структуры. Комплексное воздействие на структуру микродобавок, и бора, приводит к комплексному повышению в зких и прочностных свойств. Это вли ет на повышение малоцикловой усталости, что св зано с образованием такого структурного состо ни , когда нар ду с упрочнением вследствие повышени  барьерной прочности субграниц создаютс  предпосылки дл  релаксации микролокальных напр жений. Присутствие в стали бора в количестве менее 0,002% неэффективно, так как даже, если его количества будет достаточно дл  снижени  дефектности границ, то дл  диспергировани  мэртенситкой структуры такой концентрации недостаточно. Увеличение содержани  борз более 0,004% нецелесообразно, так как приводит к снижению в зких и пластических свойств и, следовательно малоцикловой долговечности,

Таким образом, в предлагаемой стали дл  решени  задачи повышени  сопротивлени  разрушению при знакопеременных нагрузках з агрессивных средах за счет повышени  сопротивление материала развитию трещины в области мапоциклового нагружени  содержатс  углерод, марганец, кремний, алюминий, титан и бор в определенном соотношении. Кроме того, дл  получени требуемойструктуры устанавливаютс  балансы между раскисли- тел ми и кислородом и нитридообразующи- ми элементами и азотом, а также регламентируетс  величина отношени  концентрации карбидообразующих элементов к углероду.

Применение азота в качестве модификатора может осуществл тьс  только в сочетании с нитридообразующими элементами, обеспечивающими выделение азота из твердого раствора в нитридную фазу или снижение его активности к железу. В предлагаемой стали такую функцию выполн ют алюминий и титзн. Нар ду с модифицирующим действием азот может про вл ть себ  как легирующий элемент, т.е может заметно измен ть первичную структуру отливок и воздействовать на свойства твердого раствора . В низкогелировзнныч стал х к которым относитс  предлагаема  стань, азот обладает поверхностной активностью Тугоплавкие инокул торы, снижа  сйботу зарождени  центров аус рнита смещаютначало и завершение неравновесного д у превращени  в область более высокой температуры и тормоз т миграцию границ аус- тенитных зерен. Азот увеличивает неравновесное переохлаждение 5 - фазы и смещает 5 процесс в область более низкой температуры и также тормозит миграцию границ. 8 результату достигаетс  закономерное уменьшение размеров зерна эустенмта. Достигаемое при модифициро- вании азотом диспергирование элементов первичной и вторичной структур, уменьшение физической, химической и структурной неоднородности, а также непосредственное дисперционное упрочнение металла нитрид- или карбонитридной фазой обеспечивают формирование комплекса физико- механических свойств, не уступающего уровню сложнолегированных сталей.

Введение в сталь сильных кзрбидообра- зующих элементов способствует повышению циклических свойств, однако действие их положительно в узких пределах концентрации . Следовательно, необходимо оговорить нижний и верхний пределы их совместного содержани . Дл  этого предлагаетс  эмпирическое соотношение.

50 ..5.

Выполнение этого соотношени  позво- лит обеспечить диспергирование структуры и получение мелких включающий, служащих преп тстви ми распространени  трещин при разрушении под воздействием циклического нагружени . Верхний предел соотно- шени  оговаривает более узкие пределы, чем максимально допустимое по формуле содержание титана и марганца и минимальное количество углерода, а нижний оговаривает суммарное соотношение титана и марганца при максимальном проценте углерода . Это св зано с тем. что при избытке титана и марганца по отношению к % С измельчение зерна не обеспечиваетс  достаточным количеством атомов углерода дл  расположени  его по границам зерен, что приводит к обеднению углеродом твердого раствора и по влению избыточного феррита. Таким образом, полученна  структура неоднородна и не обладает высоким сопротивлением разрушению в агрессивных средах при малоцикловом нагружении. При избытке углерода по сравнению с суммарным содержанием титана и марганца создаетс  возможность дл  образовани  крупных карбидных включений и огрублению закаленной структуры, что значительно ухудшает сопротивление стали разрушению .

Следовательно, только при обеспечении в стали концентрации Ti, Мл, С в пределах 0,63-10,5 обеспечиваетс  сопротивление термообработанной стали разрушению при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах.

Титан, бор и алюминий  вл ютс  сильными нитридообразующими элементами и образуют соединени  с азотом как в процессе кристаллизации, так и при охлаждении в процессе термообработки, Как неконтролируема  примесь азот содержитс  во всех стал х и процент его колеблетс  в зависимости от технологических условий производства . В предлагаемой стали содержание азота необходимо регла1ментировать в определенных пределах. Однако в зависимости от содержани  в стали вышеуказанных нитри- дообразующих элементов содержание азота должно коррелировать с их суммарным процентом и балансироватьс  с соотношением между титаном, бором и кислородом как раскислителей. Формула имеет следующий в. д:

%Т1 +10 %В %0

При избыточном содержании азота по отношению к сумме нитридообразующих элементов повышаетс  склонность стали к старению и охрупчивание за счет блокировани  дислокаций азотом. Недостаточное содержание азота по отношению к (%Т1 + %А1 + 10-% В) приводит к образованию включений карбонитридов в основном за счет углерода, что влечет за собой снижение % С в твердом растворе и разупрочнение стали, особенно после улучшающей термообработки . Кроме того,после закалки увеличиваетс  количество остаточного аустенита, который огрубл ет структуру после отпуска. Такое вли ние на структуру предлагаемой стали элементов в соотношении

%Ti +%AI + 10 %В

%N

в количестве менее и более оговоренного предела снижает сопротивление материала развитию трещины при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах.

Степень раскисленности стали определ етс  в первую очередь количеством кислорода . Поэтому в предлагаемой стали содержание кислорода должно оговариватьс  соотношением между элементами, работающими как раскислитель, так и модификаторы , т.е. титаном и бором и кислородом , что показано в левой части баланса в виде выражени 

%Т1 + 10 %В %0

В этом соотношении должны быть сбалансированы пределы концентраций по сравнению с отношением, получаемым при максимальном кислороде и минимальном титане и боре и наоборрт. Эта мера продиктована тем, что при максимальном титане и боре и минимальном кислороде есть опасность получени  избыточного количества модификаторов, которые образуют включени , св зыва  другие элементы, например азот, и снижают циклические свойства. Повышение содержани  кислорода свидетельствует о недостаточной раскисленности стали и в таком случае вводимые микродобавки будут расходоватьс  на раскисление, что снижает эффект модифицировани  и не приводит к повышению сопротивлени  разрушению при знакопеременных нагрузках.

Таким образом, в предлагаемой стали содержатс  компоненты в таком количестве и соотношении между ними и естественными примес ми, в котором после термической обработки обеспечиваетс  диспергирование структуры и структурных составл ющих, пониженна  дефектность границ зерен и образование упрочн ющей фазы, которые в комплексе привод т к увеличению сопротивлени  разрушению при знакопеременных нагрузках в агрессивных средах за счет повышени  сопротивлени  материала развитию трещину в области малоциклового нагружени .

Пример. Опытные стали выплавл лись в индукционной электропечи емкостью 60 кг с магнезитовой футеровкой Раскисление производили алюминием. Разливка OCJF- ществл лась в чугунные изложницы. Дополнительное легирование производилось к ковше при вводе лигатур ферротитана и ферробора под струю выпускаемого из печи металла

В табл 1 приведены составы сталей предлагаемой (1-4), за предлагаемым содержанием компонентов (5 6) а также составы прототипа (7-9).

Слитки массой 20 кг прокатывали на лабораторном стане на полосу толщиной 10 мм. Из полосы изготавливали плоские образцы толщиной 2.5 мм дл  испытани  на малоцикловую усталость. Испытани  проводили по жесткой схеме нагружени  чистым изгибом на воздухе (А), а также на воздухе после выдержки в  дохимикатах (Б) и компдексных минеральных удобрени х (В), в 3,5%-ном растворе NaCl с катодной пол ризацией (Г) и 25%-ном водном растворе муравьиной кислоты (Д) Значени  свойств (средние результаты 3-5 испытаний) сталей

в состо нии закалки от 850-870°С и отпуска при ЗШ°С приведены в табл 2

Как видно из таблицы, наиболее высокие показатели малоциклоеой долговечности имеют стали предлагаемого состава при

испытани х на воздухе По мере усилени  активности среды малоциклова  долговечность как предлагаемых, так и сталей за пределами за вл емого состава, снижаетс . В стал х 7-9 прототипа предлагаемые

соотношени  выполн ютс  лишь частично, т е структура не полностью отвечает требовани м , обеспечивающим высокий уровень малоциклоеой долговечности

Повышенные свойства сталей предлагаемого состава позвол ют повысить долговечностьрабочихорганов почвообрабатывающих машин, эксплуатируемых в агрессивных средах (56) Авторское свидетельство СССР

№ 557120. кл. С 22 С 38/14 1977

Таблица

Примечание . Значение числа циклов испытани  приведено до разрушени  образца

Claims (1)

17 Формула изобретени 

СТАЛЬ, содержаща  углерод, марганец , кремнийчалюмимий. титан, бор, железо , отличающа с  тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углеродо.ЗО - 0.37

Марганец1,10-1.63

2002849

18

Кремний0,40 - 0.60

Алюминий0.02 - 0,04

Титан0,02 - 0.04

Бор0.002 - 0.004

. ЖелезоОстальное

при выполнении соотношени  50х титан + марганец

10х углерод 0,63-10.5.