RU2217519C2

RU2217519C2 - Structural steel

Info

Publication number: RU2217519C2
Application number: RU2001115618/02A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Лисиенко; Е.М. Файншмидт; О.Г. Дружинина
Original assignee: Уральский государственный технический университет
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2003-11-27
Also published as: RU2001115618A

Abstract

FIELD: structural alloyed steels for manufacture of machine elements and mechanisms; mechanical engineering; manufacture of ammunition. SUBSTANCE: proposed structural steel possess improved properties: strength, full hardenability and hardness after hardening and high-temperature tempering, increase of operating temperature of parts up to 500 C. Proposed structural steel contains the following components, mass-%: vanadium, 0.4-0.6; carbon, 0.37-0.44; chromium, 0.8-1.1; silicon, 0.17-0.37; manganese, 0.50-0.90; copper, lesser than 0.3; nickel, lesser than 0.3; phosphorus, lesser than 0.025; sulfur, lesser than 0.025; the remainder being iron. EFFECT: improved properties of steel. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области конструкционных легированных сталей для изготовления деталей машин и механизмов и может быть использовано в большинстве отраслей машиностроения, например, в транспортном, автотракторном, дорожных машин, оборонной техники (боеприпасы и др.). The invention relates to the field of structural alloyed steels for the manufacture of machine parts and mechanisms and can be used in most engineering industries, for example, in transport, automotive, road vehicles, defense equipment (ammunition, etc.).

Известны марки конструкционных сталей, применяемых в машиностроении, содержащих ванадий в качестве легирующей добавки. Это сталь 40ХФА с содержанием ванадия V= 0,10-0,18% [ГОСТ 4543-71. Сталь легированная конструкционная. Марки и технические требования. М.: Госстандарт, 1979, 58 с.] и сталь марки 50 Сr V 4 с содержанием ванадия V=0,10% (стандарт Германии DYN 17200 [Международный транслятор современных сталей и сплавов (Россия, США, страны Европы, Япония) под редакцией проф. В.С. Кершенбаума, М., Международная инженерная энциклопедия, т. 1, 448 с.]). Known brands of structural steels used in mechanical engineering, containing vanadium as an alloying additive. This is 40KhFA steel with a vanadium content of V = 0.10-0.18% [GOST 4543-71. Structural alloyed steel. Brands and specifications. M .: Gosstandart, 1979, 58 pp.] And 50 Cr V 4 steel with vanadium content V = 0.10% (German standard DYN 17200 [International translator of modern steels and alloys (Russia, the USA, European countries, Japan) under Edited by Prof. V.S. Kershenbaum, M., International Engineering Encyclopedia, vol. 1, 448 p.]).

Легирование этих сталей ванадием осуществляется путем введения расплавов ферросплава феррованадия. При этом обеспечивается мелкозернистая микроструктура стали как в процессе кристаллизации слитка, так и после термообработки в процессе производства деталей. Этим обеспечивается значительное улучшение эксплуатационных свойств сталей. Alloying of these steels with vanadium is carried out by introducing melts of ferroalladium ferroalloy. This provides a fine-grained microstructure of steel both in the process of crystallization of the ingot, and after heat treatment in the production of parts. This provides a significant improvement in the operational properties of steels.

Однако недостатком известных конструкционных сталей, легированных ванадием, является малое содержание ванадия в стали - до 0,2%. Это не обеспечивает достаточной прочности, прокаливаемости стали и увеличения твердости стали за счет вторичного (дискретного) упрочнения закаленной стали после высокотемпературного отпуска (дисперсионное твердение), особенно это проявляется для сталей, работающих в условиях повышенных температур. However, the disadvantage of the known structural steels alloyed with vanadium is the low content of vanadium in the steel - up to 0.2%. This does not provide sufficient strength, hardenability of steel and increase in hardness of steel due to secondary (discrete) hardening of hardened steel after high-temperature tempering (dispersion hardening), this is especially true for steels operating at elevated temperatures.

Таким образом, в качестве прототипа выбрана легированная ванадием конструкционная сталь 40ХФА с содержанием ванадия V=0,10-0,18% [ГОСТ 4543-71. Сталь легированная конструкционная. Марки и технические требования. М.: Госстандарт, 1979, 58 с.]. Эта сталь кроме ванадия содержит (%) С=0,37-0,44; Cr= 0,8-1,1; Si= 0,17-0,37; Mn= 0,50-0,80. Легирование этой стали ванадием осуществляется за счет добавки в сталь феррованадия. Однако недостатком этой стали является низкое содержание ванадия в стали, что не обеспечивает достаточную прочность, сквозную прокаливаемость стали и увеличение ее твердости после закалки и высокотемпературного отпуска. Поэтому данная сталь применяется лишь при температурах деталей до 400^oС.Thus, a 40KhFA alloyed steel with vanadium content V = 0.10-0.18% [GOST 4543-71. Structural alloyed steel. Brands and specifications. M .: Gosstandart, 1979, 58 pp.]. This steel, in addition to vanadium, contains (%) C = 0.37-0.44; Cr = 0.8-1.1; Si = 0.17-0.37; Mn = 0.50-0.80. Alloying this steel with vanadium is carried out by adding ferrovanadium to the steel. However, the disadvantage of this steel is the low vanadium content in the steel, which does not provide sufficient strength, through hardenability of the steel and an increase in its hardness after quenching and high temperature tempering. Therefore, this steel is used only at temperatures of parts up to 400 ^o C.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств конструкционной стали, в частности, обеспечение достаточной прочности, сквозной прокаливаемости и увеличение твердости стали после закалки и высокотемпературного отпуска, что увеличивает температуру эксплуатации деталей до 500^oС.The aim of the invention is to improve the operational properties of structural steel, in particular, providing sufficient strength, through hardening and increasing the hardness of steel after quenching and high-temperature tempering, which increases the operating temperature of parts up to 500 ^o C.

Указанная цель достигается тем, что содержание ванадия в конструкционной стали увеличивается до 0,40-0,60%. This goal is achieved by the fact that the content of vanadium in structural steel increases to 0.40-0.60%.

Известно [Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия, 1962, т.2, 1153 с. ; Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали, М.: Металлургия, 1985, 116 с.], что уже 0,4-0,6% ванадия в стали вызывает ощутимый эффект дисперсионного твердения. It is known [Goodremont E. Special steel. M .: Metallurgy, 1962, v.2, 1153 s. ; Goldstein M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Special steels, M .: Metallurgy, 1985, 116 pp.], Which already 0.4-0.6% vanadium in steel causes a tangible effect of dispersion hardening.

На чертеже представлена зависимость твердости стали по Роквеллу НRСэ от температуры t при различном содержании ванадия V в стали [Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали, М.: Металлургия, 1985, 116 с.]. Увеличение содержания ванадия в стали с 0,25 до 0,45% увеличивает твердость стали на 10% и более во всем диапазоне исследованных температур. После отпуска закаленной стали при t_отп=600^oC, сталь с 0,25% V имеет твердость НRСэ= 40-42, а сталь с 0,45% V - НRСэ=46-48. При этом, если при V=0,25% обеспечивается лишь отсутствие снижения твердости при t_отп=600^oС, то в стали с 0,45% V обеспечивается рост твердости за счет дисперсионного твердения. Отсюда появление нового качества стали - возможности эксплуатировать детали в условиях повышенных температур до 500^oС (в то время как сталь 40ХФА гарантирует работу лишь до 400^oС [Марочник сталей и сплавов. Под ред. В.Г. Сорокина, М.: Машиностроение, 1989, 190 с.]).The drawing shows the dependence of the hardness of steel according to Rockwell НРСе on temperature t at different contents of vanadium V in steel [Goldstein MI, Grachev SV, Veksler Yu.G. Special steels, M .: Metallurgy, 1985, 116 S.]. An increase in the vanadium content in steel from 0.25 to 0.45% increases the hardness of steel by 10% or more over the entire range of temperatures studied. After tempering the tempered steel at t _ot = 600 ^o C, steel with 0.25% V has a hardness of НРСе = 40-42, and steel with 0.45% V has НРСе = 46-48. Moreover, if at V = 0.25% only the absence of a decrease in hardness at t _ot = 600 ^° C is ensured, then in steel with 0.45% V, an increase in hardness is achieved due to dispersion hardening. Hence the emergence of a new quality of steel - the ability to operate parts at elevated temperatures up to 500 ^o C (while 40KhFA steel guarantees operation only up to 400 ^o C [Marochnik of steels and alloys. Edited by V.G. Sorokin, M .: Mechanical Engineering , 1989, 190 pp.]).

В таблице приведены результаты сравнительных испытаний образцов сталей - известной - 40ХФА и предлагаемой 40ХФА0,5А. The table shows the results of comparative tests of steel samples - known - 40KhFA and the proposed 40KhFA0.5A.

В таблице приведены следующие параметры: σ_в- предел прочности при растяжении; σ_т- предел текучести; δ - относительное удлинение; φ - относительное сужение; KCU - ударная вязкость; t_зак - температура закалки, t_от - температура отпуска.The table shows the following parameters: σ _in - tensile strength; σ _t - yield strength; δ is the elongation; φ is the relative narrowing; KCU — impact strength; t _Zack - temperature hardening, t _from - tempering temperature.

Данные таблицы свидетельствуют об увеличении механических свойств, в частности, предела прочности стали 40ХФА0,5А примерно на 10%, по сравнению с прототипом. These tables indicate an increase in mechanical properties, in particular, the tensile strength of steel 40KHFA0.5A by about 10%, compared with the prototype.

Реализация указанной технической задачи ранее была невозможна, так как увеличение содержания ванадия в сталях, выпускаемых по ГОСТ 4543-71, требовало соответствующего увеличения феррованадия в шихте при выплавке стали. Однако при этом резко увеличивается энергоемкость и себестоимость стали, что делает процесс получения стали экономически нецелесообразным [Лисиенко В.Г., Пареньков А. Е. , Дружинина О.Г., Морозова В.А. Сравнительная энергоемкость альтернативных бескоксовых технологий переработки ванадийсодержащего рудного сырья. Теплофизика и информатика в металлургии: достижения и проблемы: Материалы Международной конференции, посвященной 300-летию металлургии Урала, 80-летию металлургического факультета и кафедры "Теплофизика и информатика в металлургии". Екатеринбург: УГТУ, 2000, с. 12-17]. The implementation of this technical task was previously impossible, since an increase in the vanadium content in steels produced according to GOST 4543-71 required a corresponding increase in ferrovanadium in the charge during steelmaking. However, this dramatically increases the energy intensity and cost of steel, which makes the process of producing steel economically inexpedient [Lisienko V.G., Parenkov A.E., Druzhinina OG, Morozova V.A. Comparative energy intensity of alternative coke-free technologies for processing vanadium-containing ore raw materials. Thermophysics and computer science in metallurgy: achievements and problems: Materials of the International Conference on the 300th anniversary of the metallurgy of the Urals, the 80th anniversary of the metallurgical faculty and the department of Thermophysics and computer science in metallurgy. Yekaterinburg: USTU, 2000, p. 12-17].

В последнее время вопрос экономической целесообразности применения конструкционных улучшаемых сталей с содержанием V>0,4% решается в случае выплавки их по способу [Решение о выдаче патента на изобретение от 09.02.2000 г. по заявке 98115858/02 (01196). Авторы: Лисиенко В.Г., Роменец В.А., Пареньков А.Е. и др.; Лисиенко В.Г., Пареньков А.Е., Роменец В.А. и др. Выплавка легированной ванадием стали в процессе ЛП (легирование прямое). На передовых рубежах науки и инженерного творчества. Вторая международная научно-техническая конференция РУО АИН РФ / Под ред. В.Г. Лисиенко, Екатеринбург: УГТУ, 2000, с. 58-61] , путем бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с прямым легированием стали ванадием - ЛП-процесс (легирование прямое). При этом за счет резкого снижения потерь ванадия и организации безотходной технологии увеличение содержания ванадия в стали до 0,4-0,6% происходит при значительно меньшей энергоемкости и себестоимости стали, чем при легировании стали ванадием. Recently, the issue of economic feasibility of using structural improved steels with a content of V> 0.4% has been solved if they are smelted according to the method [Decision on the grant of a patent for an invention dated February 9, 2000 according to application 98115858/02 (01196). Authors: Lisienko V.G., Romenets V.A., Parenkov A.E. and etc.; Lisienko V.G., Parenkov A.E., Romenets V.A. and others. Smelting alloyed with vanadium steel in the LP process (direct alloying). At the forefront of science and engineering. The Second International Scientific and Technical Conference RUO AIN RF / Ed. V.G. Lisienko, Yekaterinburg: USTU, 2000, p. 58-61], by coke-free processing of vanadium-containing ore raw materials with direct alloying of vanadium steel - LP process (direct alloying). At the same time, due to a sharp decrease in vanadium losses and the organization of non-waste technology, an increase in the content of vanadium in steel to 0.4-0.6% occurs at a significantly lower energy intensity and cost of steel than when alloying steel with vanadium.

Таким образом, предлагается конструкционная сталь, отличающаяся от стали 40ХФА увеличенным содержанием ванадия - до 0,4-0,6% и имеющая в целом следующий химический состав, мас.%:
Ванадий - 0,40-0,60
Углерод - 0,37-0,44
Хром - 0,8-1,1
Кремний - 0,17-0,37
Марганец - 0,50-0,80
Фосфор - <0,025
Сера - <0,025
Медь - <0,30
Никель - <0,30
Железо - Остальное
В предлагаемой стали более чем в 2 раза в сравнении с прототипом повышается содержание ванадия, обеспечивающее повышение предела прочности более чем на 10% и в то же время - возможность эксплуатации при более высокой (до 500^oС против 400^oС) температуре. При этом отсутствуют дополнительные затраты на легатуру, что обеспечивается спецификой ЛП-процесса. Предлагаемую марку стали можно классифицировать как 40ХФ0,5А; границы содержания всех остальных, кроме ванадия, элементов, входящих в состав стали, определяются требованиями ГОСТа 4543-71.Thus, structural steel is proposed that differs from steel 40KhFA in increased vanadium content - up to 0.4-0.6% and having in general the following chemical composition, wt.%:
Vanadium - 0.40-0.60
Carbon - 0.37-0.44
Chrome - 0.8-1.1
Silicon - 0.17-0.37
Manganese - 0.50-0.80
Phosphorus - <0.025
Sulfur - <0.025
Copper - <0.30
Nickel - <0.30
Iron - Else
In the proposed steel more than 2 times in comparison with the prototype increases the content of vanadium, providing an increase in tensile strength by more than 10% and at the same time, the possibility of operation at a higher (up to 500 ^o With against 400 ^o C) temperature. At the same time, there are no additional costs for legature, which is provided by the specifics of the LP process. The proposed steel grade can be classified as 40KhF0.5A; the boundaries of the content of all other elements except vanadium that are part of the steel are determined by the requirements of GOST 4543-71.

Нижняя граница содержания ванадия - 0,4% - является достаточной для гарантированного обеспечения эффекта дисперсионного твердения. The lower limit of vanadium content - 0.4% - is sufficient to guarantee the effect of dispersion hardening.

Верхняя граница содержания ванадия - 0,6% - определяется достаточностью поля допуска для содержания ванадия (например, в стали 40ХФА допуск - 0,10-0,18% V). The upper limit of the vanadium content - 0.6% - is determined by the sufficiency of the tolerance field for the content of vanadium (for example, in 40KhFA steel, the tolerance is 0.10-0.18% V).

Предлагаемую сталь рекомендуется применять для изготовления деталей типа шлицевых валов, штоков, втулок, валов экскаваторов, работающих при температурах до 500^oС (сталь в улучшенном состоянии, т.е. после закалки с высокотемпературным отпуском), а также для червячных валов, торсионов и других деталей повышенной упругости и износостойкости (после закалки со среднетемпературным, либо низким отпуском) [ГОСТ 4543-71. Сталь легированная конструкционная. Марки и технические требования. М.: Госстандарт, 1979, 58 с.].The proposed steel is recommended for the manufacture of parts such as splined shafts, rods, bushings, shafts of excavators operating at temperatures up to 500 ^o C (steel in improved condition, i.e. after quenching with high temperature tempering), as well as for worm shafts, torsion bars and other parts of increased elasticity and wear resistance (after quenching with medium or low tempering) [GOST 4543-71. Structural alloyed steel. Brands and specifications. M .: Gosstandart, 1979, 58 pp.].

При этом обеспечивается увеличение износостойкости и сроки службы деталей машиностроения, работающих в условиях повышенных температур. This ensures an increase in wear resistance and service life of engineering parts operating at elevated temperatures.

Claims

Structural steel containing vanadium, carbon, chromium, silicon, manganese, copper, nickel, phosphorus, sulfur and iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:

Vanadium 0.4-0.6

Carbon 0.37-0.44

Chrome 0.8-1.1

Silicon 0.17-0.37

Manganese 0.50-0.80

Copper Less than 0.3

Nickel Less than 0.3

Phosphorus Less than 0.025

Sulfur Less than 0.025

Iron Else