RU2255999C1

RU2255999C1 - Low-alloy steel

Info

Publication number: RU2255999C1
Application number: RU2004115018/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Никитин (RU); В.Н. Никитин; В.В. Гейер (RU); В.В. Гейер; А.М. Ламухин (RU); А.М. Ламухин; Т.Н. Попова (RU); Т.Н. Попова; В.М. Маслюк (RU); В.М. Маслюк; А.В. Голованов (RU); А.В. Голованов; М.В. Никитин (RU); М.В. Никитин; В.П. Баранов (RU); В.П. Баранов; И.В. Дубинин (RU); И.В. Дубинин; кова Н.Е. Росл (RU); Н.Е. Рослякова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Северсталь"
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-07-10

Abstract

FIELD: metallurgy; structural welding steels used for manufacture of side members for heavy-duty automobiles working in Extreme North.

SUBSTANCE: proposed low-alloy steel contains the following components, mass-%: carbon, 0.08-0.15; silicon, 0.1-0.6; manganese, 1.0-1.8; chromium, 0.3-0.9; copper 0.1-0.5; vanadium, 0.02-0.1;maluminum, 0.01-0.06; nickel, 0.7-1.5; nitrogen, 0.002-0.015; calcium, 0.002-0/030; niobium, 0.01-0.05; titanium, 0.004-0.035; sulfur, no more than 0.010; phosphorus, no more than 0.020; the remainder being iron.

EFFECT: increase of impact viscosity to 44 J/cm² at temperature of 70°C at retained weldability.

3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным свариваемым сталям, используемым при производстве лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей для работы в условиях Крайнего Севера.The invention relates to metallurgy, in particular to structural welded steels used in the manufacture of spars and other load-bearing components of heavy vehicles for operation in the Far North.

Для изготовления лонжеронов и других несущих узлов большегрузных самосвалов, работающих при температурах до -70°С, используют горячекатаные листы толщиной 8-50 мм из свариваемой хладостойкой низколегированной стали. Горячекатаные стальные листы должны сочетать высокую прочность и вязкость при отрицательных температурах. Требуемые механические свойства горячекатаных листов в состоянии поставки приведены в табл.1For the manufacture of spars and other load-bearing nodes of heavy trucks operating at temperatures up to -70 ° C, hot-rolled sheets with a thickness of 8-50 mm from welded cold-resistant low alloy steel are used. Hot rolled steel sheets must combine high strength and toughness at low temperatures. The required mechanical properties of the hot rolled sheets in the delivery state are given in Table 1

Таблица 1Table 1 Механические свойства листов из низколегированной сталиThe mechanical properties of low alloy steel sheets σ_т, Н/мм² σ _t , N / mm ² σ_в, Н/мм² σ _in , N / mm ² δ, %δ,% KCV^-70, Дж/см² KCV ^-70 , J / cm ² Хол. загиб на 180°d=3aHall. 180 ° bend d = 3a не менее 690not less than 690 не менее 790not less than 790 не менее 16not less than 16 не менее 40not less than 40 удовл.sat. Примечание: d - диаметр оправки; а - толщина листаNote: d is the diameter of the mandrel; a - sheet thickness

Известен состав низколегированной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:The known composition of low alloy steel having the following chemical composition, wt.%:

Углерод 0,11-0,16Carbon 0.11-0.16

Марганец 1,0-1,4Manganese 1.0-1.4

Кремний 0,15-0,35Silicon 0.15-0.35

Титан 0,08-0,14Titanium 0.08-0.14

Медь 0,02-0,30Copper 0.02-0.30

Алюминий 0,02-0,06Aluminum 0.02-0.06

Хром 0,02-0,15Chrome 0.02-0.15

Никель 0,02-0,15Nickel 0.02-0.15

Молибден 0,005-0,015Molybdenum 0.005-0.015

Ванадий 0,005-0,015Vanadium 0.005-0.015

Железо Остальное [1]Iron Else [1]

Недостатки стали известного состава состоят в том, что горячекатаные листы имеют недостаточную прочность и ударную вязкость при температуре -70°С.The disadvantages of steel of known composition are that the hot-rolled sheets have insufficient strength and toughness at a temperature of -70 ° C.

Известна также низколегированная сталь, содержащая, мас.%:Also known low alloy steel containing, wt.%:

Углерод 0,05-0,2Carbon 0.05-0.2

Марганец 0,15-1,6Manganese 0.15-1.6

Фосфор 0,015Phosphorus 0.015

Кремний не более 0,5Silicon no more than 0.5

Сера 0,002-0,008Sulfur 0.002-0.008

Медь 0,2-0,5Copper 0.2-0.5

Алюминий менее 0,1Aluminum less than 0.1

Ниобий и/или менее 0,05Niobium and / or less than 0.05

Ванадий 0,1Vanadium 0.1

Молибден 0,5Molybdenum 0.5

Хром менее 0,5Chrome less than 0.5

Никель менее 0,3Nickel less than 0.3

Кальций 0,0001-0,005Calcium 0.0001-0.005

Железо Остальное [2]Iron Else [2]

Недостатками стали указанного состава является низкая прочность и ударная вязкость толстых горячекатаных листов при температуре -70°С.The disadvantages of steel of this composition is the low strength and toughness of the thick hot-rolled sheets at a temperature of -70 ° C.

Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предлагаемой стали является низколегированная свариваемая сталь следующего состава, мас.%:The closest in composition and properties to the proposed steel is a low alloy welded steel of the following composition, wt.%:

Углерод 0,12-0,18Carbon 0.12-0.18

Марганец 1,0-1,8Manganese 1.0-1.8

Кремний 0,4-0,7Silicon 0.4-0.7

Хром 0,4-0,8Chrome 0.4-0.8

Алюминий 0,01-0,05Aluminum 0.01-0.05

Ванадий 0,04-0,08Vanadium 0.04-0.08

Азот 0,009-0,015Nitrogen 0.009-0.015

Медь 0,1-0,4Copper 0.1-0.4

Никель 0,01-0,34Nickel 0.01-0.34

Кальций 0,001-0,05Calcium 0.001-0.05

Железо Остальное [3] - прототипIron Else [3] - prototype

Недостатки стали известного состава состоят в том, что она имеет низкие прочностные свойства, недостаточную ударную вязкость при температуре -70°С.The disadvantages of steel of known composition are that it has low strength properties, insufficient impact strength at a temperature of -70 ° C.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении ударной вязкости при температуре -70°С при сохранении свариваемости.The technical problem solved by the invention is to increase the toughness at a temperature of -70 ° C while maintaining weldability.

Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, ванадий, алюминий, никель, азот, кальций и железо, дополнительно содержит ниобий, титан, серу и фосфор при следующем соотношении содержания элементов, мас.%:To solve the technical problem, steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, copper, vanadium, aluminum, nickel, nitrogen, calcium and iron additionally contains niobium, titanium, sulfur and phosphorus in the following ratio of element content, wt.%:

Углерод 0,08-0,15Carbon 0.08-0.15

Кремний 0,1-0,6Silicon 0.1-0.6

Марганец 1,0-1,8Manganese 1.0-1.8

Хром 0,3-0,9Chrome 0.3-0.9

Медь 0,1-0,5Copper 0.1-0.5

Ванадий 0,02-0,10Vanadium 0.02-0.10

Алюминий 0,01-0,06Aluminum 0.01-0.06

Никель 0,7-1,5Nickel 0.7-1.5

Азот 0,002-0,015Nitrogen 0.002-0.015

Кальций 0,002-0,030Calcium 0.002-0.030

Ниобий 0,01-0,05Niobium 0.01-0.05

Титан 0,004-0,035Titanium 0.004-0.035

Сера не более 0,010Sulfur no more than 0,010

Фосфор не более 0,020Phosphorus no more than 0,020

Железо ОстальноеIron Else

Сущность изобретения состоит в том, что сталь предложенного химического состава, дополнительно легированная ниобием и титаном, в термообработанном состоянии приобретает ячеистую структуру, увеличивающую долю вязкой составляющей в изломе образца. За счет этого достигается повышение вязкостных свойств толстых листов при температурах до -70°С при сохранении свариваемости.The essence of the invention lies in the fact that the steel of the proposed chemical composition, additionally alloyed with niobium and titanium, in a heat-treated state acquires a cellular structure that increases the proportion of the viscous component in the fracture of the sample. Due to this, an increase in the viscosity properties of thick sheets is achieved at temperatures up to -70 ° C while maintaining weldability.

Сера и фосфор, как неизбежные примеси, при указанных концентрациях не оказывают отрицательного влияния на свойства стали. Это упрощает и удешевляет ее производство.Sulfur and phosphorus, as inevitable impurities, at the indicated concentrations do not adversely affect the properties of steel. This simplifies and reduces the cost of its production.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,08% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,15% ухудшается свариваемость стали.Carbon reinforces steel. With a carbon content of less than 0.08%, the required strength of the steel is not achieved, and with its content of more than 0.15%, the weldability of the steel deteriorates.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,1% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,6% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.Silicon deoxidizes steel, increases its strength. At a silicon concentration of less than 0.1%, the strength of the steel is lower than permissible, and at a concentration of more than 0.6%, ductility decreases, the steel does not stand the test for cold bending.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 1,0% прочность и износостойкость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,8% приводит к снижению вязкости при температуре -70°С.Manganese deoxidizes and strengthens steel, binds sulfur. When the manganese content is less than 1.0%, the strength and wear resistance of the steel are insufficient. An increase in manganese content of more than 1.8% leads to a decrease in viscosity at a temperature of -70 ° C.

Хром повышает прочность и вязкость стали. При его концентрации менее 0,3% прочность ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 0,9% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов.Chrome increases the strength and toughness of steel. When its concentration is less than 0.3%, the strength is below acceptable values. An increase in chromium content of more than 0.9% leads to a loss of ductility due to the growth of carbides.

Медь введена для повышения устойчивости аустенита, что особенно важно при термообработке толстых листов. Увеличение содержания меди более 0,5% приводит к графитизации низколегированной стали, которая снижает комплекс механических свойств. Уменьшение содержания меди менее 0,1% ухудшает вязкостные и прочностные свойства низколегированной стали после термообработки.Copper is introduced to increase the stability of austenite, which is especially important during the heat treatment of thick sheets. An increase in copper content of more than 0.5% leads to graphitization of low alloy steel, which reduces the complex of mechanical properties. A decrease in copper content of less than 0.1% impairs the toughness and strength properties of low alloy steel after heat treatment.

Ванадий в сочетании с алюминием являются сильными раскисляющими и карбидообразующими элементами. При содержании ванадия менее 0,02% снижается прочность стали в термообработанном состоянии. Увеличение содержания ванадия более 0,10% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих.Vanadium in combination with aluminum are strong deoxidizing and carbide forming elements. When the vanadium content is less than 0.02%, the strength of the steel in the heat-treated state decreases. An increase in the content of vanadium over 0.10% is impractical, because does not lead to further improvement of properties, but only increases the consumption of alloying.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот в нитриды, уменьшая его вредное влияние на вязкостные свойства. При содержании алюминия менее 0,01% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,06% загрязняет сталь неметаллическими включениями и приводит к снижению прочностных характеристик.Aluminum deoxidizes steel and grinds grain. It binds nitrogen to nitrides, reducing its harmful effect on viscosity properties. When the aluminum content is less than 0.01%, its effect is small, the viscosity properties of steel deteriorate. An increase in the content of this element of more than 0.06% pollutes the steel with non-metallic inclusions and leads to a decrease in strength characteristics.

Никель способствует повышению прочности стали и вязкости, но при его содержании более 1,5% ухудшается свариваемость. Снижение содержания никеля менее 0,7% приводит к потере пластичности, листы не выдерживают испытания на холодный загиб.Nickel improves steel strength and toughness, but with a content of more than 1.5%, weldability deteriorates. A decrease in the nickel content of less than 0.7% leads to a loss of ductility, the sheets do not withstand the cold bend test.

Азот в стали является элементом, упрочняющим сталь при выпадении мелкодисперсных карбонитридных частиц. Однако при концентрации азота более 0,015% вязкостные и пластические свойства стали ниже допустимого уровня. Снижение содержания азота менее 0,002% приводит к разупрочнению стали и требует увеличения легированности, ухудшающей свариваемость.Nitrogen in steel is an element that strengthens steel during the precipitation of finely dispersed carbonitride particles. However, with a nitrogen concentration of more than 0.015%, the viscosity and plastic properties of the steel are below the acceptable level. A decrease in the nitrogen content of less than 0.002% leads to softening of the steel and requires an increase in alloying that impairs weldability.

Кальций оказывает модифицирующее действие, что позволяет улучшить свойства толстых листов в Z-направлении, повысить ударную вязкость при температуре -70°С. При содержании кальция менее 0,002% его положительное воздействие проявляется слабо, толстые листы имеют низкие механические свойства. Увеличение содержания кальция более 0,030% приводит к росту количества и размеров неметаллических включений, снижению пластичности и ударной вязкости низколегированной стали.Calcium has a modifying effect, which allows to improve the properties of thick sheets in the Z-direction, to increase the impact strength at a temperature of -70 ° C. When the calcium content is less than 0.002%, its positive effect is weak, thick sheets have low mechanical properties. An increase in calcium content of more than 0.030% leads to an increase in the number and size of non-metallic inclusions, a decrease in ductility and toughness of low alloy steel.

Ниобий способствуют измельчению микроструктуры низколегированной стали по толщине листа, повышению хладостойкости. Однако, если содержание ниобия будет более 0,05%, произойдет ухудшение свариваемости стали, что недопустимо. При снижении содержания ниобия менее 0,01% не достигается высокая ударная вязкость при температуре -70°С.Niobium contributes to the grinding of the microstructure of low alloy steel sheet thickness, increase cold resistance. However, if the niobium content is more than 0.05%, there will be a deterioration in the weldability of steel, which is unacceptable. With a decrease in the niobium content of less than 0.01%, a high impact strength is not achieved at a temperature of -70 ° C.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь, повышающим ударную вязкость при температуре -70°С. Снижение содержания титана менее 0,004% ухудшает прочность и вязкость стали. Однако при сварке титан полностью выгорает. Количество титана в стали не должно превышать 0,035% из-за ухудшения ударной вязкости.Titanium is a strong carbide-forming element that strengthens steel and increases toughness at a temperature of -70 ° C. A decrease in titanium content of less than 0.004% impairs the strength and toughness of the steel. However, when welding, titanium completely burns out. The amount of titanium in steel should not exceed 0.035% due to deterioration in toughness.

Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,020% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.Sulfur and phosphorus in this steel are harmful impurities, their concentration should be as low as possible. However, at a sulfur concentration of not more than 0.010% and phosphorus not more than 0.020%, their negative effect on the properties of steel is negligible. At the same time, deeper desulfurization and dephosphorization of steel will significantly increase the cost of its production, which is impractical.

Низколегированные стали различного химического состава выплавляли в электродуговой печи. В ковше сталь раскисляли ферросилицием, ферромарганцем, легировали феррохромом, феррованадием, ферротитаном, вводили металлические алюминий, ниобий и никель, силикокальций. С помощью синтетических шлаков удаляли избыток серы и фосфора, избыток азота устраняли вакуумированием стали. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.Low alloy steels of various chemical composition were smelted in an electric arc furnace. In the ladle, steel was deoxidized by ferrosilicon, ferromanganese, alloyed with ferrochrome, ferrovanadium, ferrotitanium, metallic aluminum, niobium and nickel, silicocalcium were introduced. Using synthetic slags, the excess sulfur and phosphorus were removed, the excess nitrogen was eliminated by evacuating the steel. The chemical composition of smelted steels is given in table.2.

Сталь разливали в слябы и подвергали гомогенизирующему отжигу при температуре 680°С. Затем слябы нагревали до температуры 1230°С и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы толщиной 10 мм. Листы подвергали термическому улучшению (нагрев до температуры 920°С, закалка водой, отпуск при температуре 660°С). После термообработки от листов отбирали пробы и производили испытания механических свойств.Steel was poured into slabs and subjected to homogenizing annealing at a temperature of 680 ° C. Then the slabs were heated to a temperature of 1230 ° C and rolled on a plate mill 2800 in sheets with a thickness of 10 mm The sheets were subjected to thermal improvement (heating to a temperature of 920 ° C, quenching with water, tempering at a temperature of 660 ° C). After heat treatment, samples were taken from the sheets and mechanical properties tested.

Результаты испытания механических свойства листов из сталей различных составов приведены в табл.3.The test results of the mechanical properties of sheets of steel of various compositions are given in table.3.

Таблица 3Table 3 Свойства термообработанных листов из низколегированных сталейProperties of heat-treated sheets of low alloy steels № составаComposition number σ_T, Н/мм² σ _T , N / mm ² σ_в, Н/мм² σ _in , N / mm ² δ, %δ,% KCV^-70, Дж/см² KCV ^-70 , J / cm ² Хол. загиб на 180° d=3aHall. 180 ° bend d = 3a СвариваемостьWeldability 1.1. 590590 680680 1919 2727 неудовл.unsatisfied. удовл.sat. 2.2. 690690 790790 2929th 4141 удовл.sat. удовл.sat. 3.3. 710710 800800 2222 4444 удовл.sat. удовл.sat. 4.4. 720720 820820 1616 4040 удовл.sat. удовл.sat. 5.5. 740740 850850 1414 2222 неудовл.unsatisfied. неудовлunsatisfied 6.6. 11001100 13051305 11eleven 1414 неудовл.unsatisfied. удовл.sat.

Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенная низколегированная сталь (составы №2-4) имеет наиболее высокие показатели ударной вязкости на образцах с острым надрезом при температуре испытания -70°С. При обеспечении всего комплекса заданных свойств сталь сохраняет свариваемость.From tables 2 and 3 it follows that the proposed low alloy steel (compositions No. 2-4) has the highest impact strength on specimens with a sharp notch at a test temperature of -70 ° C. While providing the whole complex of desired properties, the steel retains weldability.

В случаях запредельных значений концентрации легирующих элементов (варианты №1 и №5) происходит снижение ударной вязкости при температуре -70°С, а образцы из стали состава №5, кроме того, не выдерживают испытания на свариваемость и холодный загиб.In cases of transcendental values of the concentration of alloying elements (options No. 1 and No. 5), the impact strength decreases at a temperature of -70 ° C, and samples of steel of composition No. 5, in addition, do not withstand the tests for weldability and cold bending.

Известная сталь состава №6 имеет низкую ударную вязкость при температуре -70°С. Поэтому она непригодна для изготовления лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей, эксплуатируемых при температуре ниже -40°С (до -70°С).Known steel composition No. 6 has a low impact strength at a temperature of -70 ° C. Therefore, it is unsuitable for the manufacture of spars and other load-bearing components of heavy vehicles operating at temperatures below -40 ° C (up to -70 ° C).

Технико-экономические преимущества предложенной низколегированной стали заключаются в том, что дополнительное введение в ее состав 0,01-0,05% ниобия и 0,004-0,035% титана обеспечивает повышение ударной вязкости при температуре -70°С при сохранении свариваемости.The technical and economic advantages of the proposed low alloy steel are that an additional introduction of 0.01-0.05% niobium and 0.004-0.035% titanium provides an increase in impact strength at a temperature of -70 ° C while maintaining weldability.

Кроме того, поскольку в предложенной стали допускается содержание примесей серы и фосфора (не более 0,010% и не более 0,020% соответственно), упрощается технология и удешевляется ее производство.In addition, since the content of sulfur and phosphorus impurities is allowed in the proposed steel (not more than 0.010% and not more than 0.020%, respectively), the technology is simplified and its production is cheaper.

В качестве базового объекта принята сталь-прототип. Использование предложенной стали позволит повысить рентабельности производства лонжеронов и других несущих узлов большегрузных автомобилей для работы в условиях Крайнего Севера на 8-10%.The prototype steel was adopted as the base object. The use of the proposed steel will increase the profitability of the production of spars and other load-bearing components of heavy vehicles for operation in the Far North by 8-10%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:Literary sources used in the preparation of the description of the invention:

1. Авт. свид. СССР №1652373, МПК С 22 С 38/50, 1991 г.1. Auth. testimonial. USSR No. 1652373, IPC C 22 C 38/50, 1991

2. Заявка Японии №5247521, МПК С 22 С 38/42, 1977 г.2. Japanese application No. 5247521, IPC C 22 C 38/42, 1977

3. Патент Российской Федерации №2200768, МПК С 22 С 38/46, С 22 С 38/58, 2003 г.3. Patent of the Russian Federation No. 2200768, IPC C 22 C 38/46, C 22 C 38/58, 2003

Claims

Low alloy steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, copper, vanadium, aluminum, nickel, nitrogen, calcium and iron, characterized in that it additionally contains niobium, titanium, sulfur and phosphorus in the following ratio of element content, wt.%:

Carbon 0.08-0.15

Silicon 0.1-0.6

Manganese 1.0-1.8

Chrome 0.3-0.9

Copper 0.1-0.5

Vanadium 0.02-0.1

Aluminum 0.01-0.06

Nickel 0.7-1.5

Nitrogen 0.002-0.015

Calcium 0.002-0.030

Niobium 0.01-0.05

Titanium 0.004-0.035

Sulfur Not more than 0.010

Phosphorus Not more than 0,020

Iron Else