RU2025534C1

RU2025534C1 - Structural steel

Info

Publication number: RU2025534C1
Application number: SU925039653A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Спиркина; Л.Б. Ефимова; В.Г. Мизин; О.А. Волков; Л.П. Абаимов; Н.А. Фомин; П.И. Гуркалов; Г.Г. Цайзер; В.В. Павлов; Г.Н. Мулько; Е.К. Шафигин; В.И. Андреев; А.Р. Трынкин; ков М.А. Треть; М.А. Третьяков
Original assignee: Научно-исследовательский институт металлургии; Акционерное общество "Носта"
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1994-12-30

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: steel has the composition as follows (per cent by weight): 0.25 - 0.45 carbon, 0.17 - 0.37 silicon, 0.6 - 1.20 manganese, 0.6 - 1.20 chromium, 0.02- 0.12 vanadium, 0.02 - 0.06 aluminium, 0.005 - 0.012 nitrogen, 0.015 - 0.05 titanium, 0.0008 - 0.005 boron, 0.0008 - 0.005 calcium, 0.04 - 0.4 copper, 0.0008 - 0.005 barium, the balance being iron with 10-40×10^-5 aluminium-to-nitrogen ratio. EFFECT: required level and deep of hardenability, and 45 - 55 HRC surface hardness for parts after hardening heat treatment. 2 tbl

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям, применяемым для изготовления деталей, подвергающихся при эксплуатации высоким изгибным и ударным нагрузкам, абразивному изнашиванию в диапазоне температур от 50 до -50^оС, например для деталей ходовых систем промышленных гусеничных тракторов, экскаваторов и бульдозеров (башмаки, звенья гусениц, опорные катки), рабочих органов почвообрабатывающих и дорожных машин.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to steel used for manufacturing parts subjected to high bending during operation and impact loads, abrasion at temperatures ranging from -50 to 50 ^{° C,} for example for industrial parts undercarriage track tractors, bulldozers and excavators (shoes, tracks, track rollers), working bodies of tillage and road machines.

Известен ряд конструкционных сталей, предназначенных для изготовления такого рода деталей. A number of structural steels are known for making such parts.

Например, сталь по авт.св. СССР N 645977, кл. C 22 C 38/14, 1976, содержащая, мас.%: Углерод 0,36-0,50 Кремний 0,17-0,40 Марганец 0,9-1,2 Бор 0,0008-0,003 Алюминий 0,008-0,05 Титан 0,011-0,05 Железо Остальное
Сталь такого состава характеризуется ограниченной прокаливаемостью, относительно низкими ударными характеристиками, пониженной износостойкостью.For example, steel for auto USSR N 645977, class C 22 C 38/14, 1976, containing, wt.%: Carbon 0.36-0.50 Silicon 0.17-0.40 Manganese 0.9-1.2 Boron 0.0008-0.003 Aluminum 0.008-0, 05 Titanium 0.011-0.05 Iron Else
Steel of this composition is characterized by limited hardenability, relatively low impact characteristics, and reduced wear resistance.

Известна также сталь марки 30ХРА (ГОСТ 4543-71) следующего состава, мас. %: Углерод 0,27-0,33 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,50-0,80 Хром 1,0-1,30
Однако эта сталь имеет низкую прокаливаемость и недостаточную износостойкость.Also known is the steel grade 30XRA (GOST 4543-71) of the following composition, wt. %: Carbon 0.27-0.33 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.50-0.80 Chromium 1.0-1.30
However, this steel has low hardenability and insufficient wear resistance.

Наиболее близкой к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является взятая за прототип сталь, содержащая, мас. %: Углерод 0,28-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,50-0,80 Хром 0,70-1,10 Ванадий 0,04-0,12 Алюминий 0,015-0,08 Азот 0,004-0,012 Титан 0,02-0,06 Бор 0,001-0,004 Кальций 0,001-0,004 Железо Остальное [1]. Closest to the described invention in technical essence and the achieved result is taken as a prototype steel containing, by weight. %: Carbon 0.28-0.45 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.50-0.80 Chromium 0.70-1.10 Vanadium 0.04-0.12 Aluminum 0.015-0.08 Nitrogen 0.004 -0.012 Titanium 0.02-0.06 Boron 0.001-0.004 Calcium 0.001-0.004 Iron The rest [1].

Недостатком этой стали являются относительно низкие значения пластических характеристик и ударной вязкости после термической обработки на высокую прочность, что снижает конструктивную прочность изготовленных из нее деталей. The disadvantage of this steel is the relatively low values of plastic characteristics and impact strength after heat treatment for high strength, which reduces the structural strength of the parts made from it.

Для улучшения пластических и вязких характеристик стали в высокопрочном состоянии, повышения конструктивной прочности и эксплуатационной надежности, в состав заявляемой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, алюминий, азот, титан, бор, кальций и железо, дополнительно введены медь и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,25-0,45 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,6-1,2 Хром 0,6-1,2 Ванадий 0,02-0,12 Алюминий 0,02-0,06 Азот 0,005-0,012 Титан 0,015-0,05 Бор 0,0008-0,005 Кальций 0,0008-0,005 Медь 0,04-0,40 Барий 0,0008-0,005 Железо Остальное При этом произведение концентраций [Al,%]˙[N,%] должно находиться в пределах (10-40)˙10^-5.To improve the plastic and viscous characteristics of steel in high strength, increase structural strength and operational reliability, copper and barium in the following ratio of components, wt.%: Carbon 0.25-0.45 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.6-1.2 Chromium 0.6-1.2 Vanadium 0.02-0.12 Aluminum 0.02-0.06 Nitrogen 0.005-0.012 Titanium 0.015-0.05 Boron 0.0008-0.005 Calcium 0.0008-0.005 Copper 0.04-0.40 Barium 0.0008-0.005 Iron Else Produced other concentrations of [Al,%] ˙ [N,%] should be in the range (10-40) ˙10 ^-5 .

В качестве примесей в стали допускаются сера и фосфор не более 0,035% каждого, а также никель не более 0,30%. As impurities in steel, sulfur and phosphorus are allowed no more than 0.035% each, and nickel no more than 0.30%.

Выбранное соотношение компонентов определяется следующими факторами. The selected ratio of the components is determined by the following factors.

Углерод - основной элемент в стали, определяющий ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Нижний предел 0,25% ограничен необходимостью сохранения минимально допустимой прочности стали после термической обработки. Верхний предел углерода 0,45% ограничен минимально допустимыми вязкими характеристиками стали. Carbon is the main element in steel that determines its strength and performance characteristics. The lower limit of 0.25% is limited by the need to maintain the minimum allowable strength of steel after heat treatment. The upper carbon limit of 0.45% is limited by the minimum allowable viscous characteristics of the steel.

Бор - вводится в сталь для увеличения ее прокаливаемости, обеспечения оптимальных механических свойств по всему сечению деталей и существенного увеличения пластических и вязких характеристик стали в высокопрочном состоянии. Пределы содержания бора, равные 0,0008-0,005%, обусловлены тем, что количество бора в стали менее 0,0008% малоэффективно, а при содержании бора более 0,005% выделяется избыточная бористая фаза, охрупчивающая сталь. Boron is introduced into steel to increase its hardenability, to ensure optimal mechanical properties over the entire cross section of parts, and to significantly increase the plastic and viscous characteristics of steel in high strength condition. The limits of boron content equal to 0.0008-0.005% are due to the fact that the amount of boron in steel less than 0.0008% is ineffective, and when the boron content is more than 0.005%, an excess boron phase, embrittling steel, is released.

Марганец - в пределах 0,60-1,20% обеспечивает необходимую раскисленность борсодержащей стали, а также усиливает воздействие бора на устойчивость переохлажденного аустенита. Manganese - in the range of 0.60-1.20% provides the necessary deoxidation of boron-containing steel, and also enhances the effect of boron on the stability of supercooled austenite.

Хром - в пределах 0,60-1,20% в сочетании с бором обеспечивает глубокую прокаливаемость, увеличивает сопротивление абразивному изнашиванию путем повышения отпускоустойчивости и коррозионной стойкости, а также обеспечивает технологичность стали при термообработке. Chromium - in the range of 0.60-1.20% in combination with boron, provides deep hardenability, increases abrasion resistance by increasing the tempering resistance and corrosion resistance, and also ensures the manufacturability of steel during heat treatment.

Титан - связывает часть азота и в пределах 0,015-0,05% обеспечивает достаточную деазотизацию жидкого металла перед введением бора в сталь, чем достигается необходимое количество бора в твердом растворе. Titanium - binds part of the nitrogen and within the range of 0.015-0.05% provides sufficient deazotization of the liquid metal before the introduction of boron into the steel, thereby achieving the required amount of boron in the solid solution.

Пределы содержания алюминия, равные 0,02-0,06%, обеспечивают необходимую раскисленность стали перед введением в расплав высокоактивного бора, ограниченное количество кислородных включений на основе глинозема, а в соединении с азотом (0,005-0,012%) за счет образования высокодисперсных нитридов - природно-мелкозернистую сталь. Заметное измельчение зерна наблюдается при величине произведения концентраций [Al, %]˙[N,%], равной или превышающей 10˙10^-5. При этом наиболее мелкое зерно при оптимальной температуре закалки может быть получено в стали с [Al, %]˙[N, %] = 20˙10^-5, но не более 40˙10^-5, так как получает развитие процесс, приводящий к разнозернистости. Такое изменение размера зерна аустенита связано с наличием в стали нитридов алюминия, количество и степень дисперсности которых зависят от содержания азота и алюминия в стали и количественного их соотношения.Limits of aluminum content equal to 0.02-0.06% provide the necessary deoxidation of steel before introduction of highly active boron into the melt, a limited amount of oxygen inclusions based on alumina, and in combination with nitrogen (0.005-0.012%) due to the formation of highly dispersed nitrides - natural fine-grained steel. Marked grain refinement is observed when the product of the concentrations [Al,%] ˙ [N,%] is equal to or greater than 10˙10 ^-5 . In this case, the smallest grain at the optimum quenching temperature can be obtained in steel with [Al,%] ˙ [N,%] = 20 -10 ^-5 , but not more than 40˙10 ^-5 , since the process leading to heterogeneity. Such a change in the austenite grain size is associated with the presence of aluminum nitrides in the steel, the amount and degree of dispersion of which depend on the nitrogen and aluminum contents in the steel and their quantitative ratio.

Нижний предел содержания ванадия, равный 0,02%, является пределом, ниже которого ванадий не оказывает ощутимого положительного влияния на измельчение зерна и ударную вязкость стали; верхний предел содержания ванадия, равный 0,12%, обусловлен образованием избыточной карбидной фазы этого элемента, приводящей к снижению ударной вязкости стали. The lower limit of vanadium content of 0.02% is the limit below which vanadium does not have a tangible positive effect on grain refinement and toughness of steel; the upper limit of vanadium content, equal to 0.12%, is due to the formation of an excess carbide phase of this element, leading to a decrease in the toughness of steel.

Кальций - в пределах 0,0008-0,005% обеспечивает достаточную раскисленность стали, ее десульфурацию, изменение состава и морфологии неметаллических включений, уменьшение их количества, повышает изотропность металла. Calcium - within 0.0008-0.005%, provides sufficient deoxidation of steel, its desulfurization, change in the composition and morphology of non-metallic inclusions, a decrease in their amount, and increases the isotropy of the metal.

Барий - в пределах 0,0008-0,005% помимо раскисления стали повышает живучесть кальция в расплаве и обеспечивает более полную реализацию его воздействия на сталь, а также положительно воздействует на пластические характеристики стали в высокопрочном состоянии. Barium - in the range of 0.0008-0.005%, in addition to steel deoxidation, it increases the survivability of calcium in the melt and provides a more complete realization of its effect on steel, as well as a positive effect on the plastic characteristics of steel in high strength condition.

Медь - в пределах 0,04-0,40% вводится в сталь для увеличения растворимости бора, оптимизации его воздействия на свойства стали, проявляющееся в увеличении ударной вязкости в высокопрочном состоянии. Наряду с этим медь является упрочняющим элементом. При легировании медью наблюдается более высокое отношение предела текучести к пределу прочности, а также повышается коррозионная стойкость стали. Нижний предел содержания меди 0,04% является пределом, ниже которого влияние меди практически неощутимо, верхний предел 0,40% ограничен склонностью медистых сталей к образованию поверхностных трещин при горячей обработке давлением. Copper - in the range of 0.04-0.40% is introduced into steel to increase the solubility of boron, to optimize its effect on the properties of steel, which is manifested in an increase in impact strength in a high-strength state. Along with this, copper is a strengthening element. When alloyed with copper, a higher ratio of yield strength to tensile strength is observed, and the corrosion resistance of steel also increases. The lower limit of the copper content of 0.04% is the limit below which the influence of copper is almost imperceptible, the upper limit of 0.40% is limited by the tendency of copper steels to form surface cracks during hot working with pressure.

Сталь предлагаемого состава обеспечивает необходимую закаливаемость, глубокую прокаливаемость и после упрочняющей термической обработки твердость на поверхности деталей 45-55 HRC. Эта сталь мелкозерниста (зерно 9-11 балла по шкале ГОСТ 5639-82 при нагреве до 930^оС).The steel of the proposed composition provides the necessary hardenability, deep hardenability and, after hardening heat treatment, the hardness on the surface of parts 45-55 HRC. This steel fines (grain on a scale of 9-11 with GOST 5639-82 with heating to 930 ° ^C).

Сталь характеризуется комплексом высоких прочностных, пластических и вязких свойств, не изменяющихся при отрицательных температурах. Steel is characterized by a complex of high strength, plastic and viscous properties that do not change at low temperatures.

Анализ технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявляемом решении, и признать его изобретением, так как оно является новым, соответствует критерию изобретательского уровня и промышленно применимо. Analysis of technical solutions in the studied and related fields allows us to conclude that they lack features similar to those in the claimed solution and recognize it as an invention, since it is new, meets the criteria of inventive step and is industrially applicable.

П р и м е р. Сталь выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 150 кг с основной футеровкой. Металл разливали в слитки массой 40 кг, которые катали на экспериментальном прокатном стане на прутки сечением квадрат 35 мм. PRI me R. Steel was smelted in an open induction furnace with a capacity of 150 kg with the main lining. The metal was poured into ingots weighing 40 kg, which were rolled on an experimental rolling mill on bars with a cross section of 35 mm square.

Термическую обработку проводили по режиму: закалка при 880-900^оС с последующим отпуском при 180^оС в течение 2 ч.The heat treatment is carried out on the treatment: hardening at 880-900 ^{° C} followed by tempering at ¹⁸⁰ ° C for 2 hours.

Испытания ударной вязкости проводили при температурах 20 и -50^оС.Toughness tests were conducted at temperatures of 20 and -50 ° ^C.

В табл.1 приведен химический состав, а в табл.2 - механические свойства предлагаемой стали и известной после термической обработки. Table 1 shows the chemical composition, and in table 2 - the mechanical properties of the proposed steel and known after heat treatment.

Предлагаемая сталь характеризуется более высокими пластическими и вязкими характеристиками, что должно обеспечить надежность и долговечность работы изготовленных из нее деталей, работающих в тяжелых условиях одновременного воздействия агрессивной абразивной среды, отрицательных температур, ударных нагрузок. The proposed steel is characterized by higher plastic and viscous characteristics, which should ensure the reliability and durability of the parts made from it, working in harsh conditions, the simultaneous exposure to aggressive abrasive media, negative temperatures, impact loads.

Claims

STRUCTURAL STEEL containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, aluminum, nitrogen, titanium, boron, calcium and iron, characterized in that it additionally contains copper and barium in the following ratio, wt.%:
Carbon 0.25 - 0.45
Silicon 0.17 - 0.37
Manganese 0.60 - 1.20
Chrome 0.60 - 1.20
Vanadium 0.02 - 0.12
Aluminum 0.02 - 0.06
Nitrogen 0.005 - 0.012
Titanium 0.015 - 0.05
Boron 0.0008 - 0.005
Calcium 0.0008 - 0.005
Copper 0.04 - 0.40
Barium 0.0008 - 0.005
Iron rest
when the ratio aluminum nitrogen = (10 - 40) ˙ 10 ^-5 .