UA73311C2 - Низьковуглецеві сталі з високими механічними і корозійними властивостями та спосіб їх виготовлення - Google Patents

Abstract

Леговані сталі, які поєднують в собі високу міцність і ударну в'язкість з високою корозійною стійкістю, мають зміщену пластинчасту мікроструктуру, в котрій зміщені мартенситні пластини, що практично не містять здвоєння, чергуються з тонкими плівками збереженого аустеніту, і яка не містить утворюваних механізмом самовідпускання карбідів, нітридів і карбонітридів ні в зміщених мартенситних пластинах, ні в плівках збереженого аустеніту. Таку мікроструктуру отримують шляхом вибору складу сталі, температура початку мартенситного перетворення якого складає 350°С і вище, і вибору режиму охолодження з аустенітної фази через зону мартенситного переходу з уникненням ділянок, де виникає самовідпускання.

Description

Явище самовідпускання складу сплаву виникає, коли фаза, що знаходиться у напруженому стані внаслідок перенасичення тим чи іншим легувальним елементом, звільнюється від свого напруженого стану через виділення надлишкової кількості цього легувального елементу у формі сполуки з іншим елементом, що входить до складу сплаву, таким чином, що утворювана сполука збирається на окремих ділянках, диспергованих по всій цій фазі, у той час як решта фази повертається до насиченого стану. Отже самовідпускання спричиняє виділення надлишку вуглецю у формі карбіду заліза (ГезС). Якщо в якості легувального елементу використовується хром, то деяка частина надлишкового вуглецю може виділятися у формі карбіду хрому (І) (СтзС2). Так само можуть виділятися аналогічні карбіди інших легувальних елементів. Самовідпускання приводить також до виділення надлишкового азоту у формі нітридів або карбонітридів. Усі ці виділення звуться тут загальним терміном «продукти самовідпускання». Отже саме ним, а також іншим продуктам перетворювання, які включають виділення, дозволяє запобігти даний винахід з метою зменшення схильності сплаву до корозії.

Уникнення утворення продуктів самовідпускання та карбідів, нітридів і карбонітридів, у загальному випадку, згідно з даним винаходом досягається шляхом відповідного вибору складу сталі і швидкості охолодження в зоні мартенситного переходу. Фазовий перехід, який відбувається при охолодженні сталі з аустенітної фази, керується швидкістю охолодження на всіх його стадіях, а переходи звичайно відображаються кінетичними діаграмами фазових переходів, по вертикальній осі яких відкладена температура, а по горизонтальній - час, показуючи різні фази на різних ділянках цих діаграм, а лінії між цими ділянками відображають умови, за яких відбуваються переходи від однієї фази до іншої. Місця проходження межових ліній на фазовій діаграмі, а отже і ділянки, визначені межовими лінями, змінюються залежно від складу сплаву.

У якості прикладу одна з таких фазових діаграм показана на Фіг. 1. Зона мартенситного переходу тут визначається площею під горизонтальною лінією 11, яка являє собою температуру М» початку мартенситного перетворення, і ділянкою 12 над цією лінією, де превалює аустенітна фаза. С-подібна крива 13 на ділянці 12 над лінією Ме розділяє аустенітну ділянку на дві підділянки. Підділянка 14 ліворуч від С- подібної кривої являє собою зону, де сталь залишається цілком в аустенітній фазі, а підділянка 15 праворуч від С-подібної кривої являє собою зону, де в аустенітній фазі утворюються продукти самовідпускання та інші продукти перетворення, що містять карбіди, нітриди або карбонітриди з різними морфологіями такими, як бейніт і перліт. Положення лінії Ме і положення та кривизна С-подібної кривої змінюються залежно від вибору легувальних елементів і їхніх кількостей.

Таким чином, уникнення утворення продуктів самовідпускання досягається шляхом вибору такого режиму охолодження, який не пересікається з підділянкою 15 продуктів самовідпускання (площі, що охоплюється С-подібною кривою) і не проходить крізь неї. Якщо, наприклад, використовується постійна швидкість охолодження, то режим охолодження буде відображатися на фазовій діаграмі прямою лінією, яка в нульовий момент часу цілком проходить в аустенітній зоні 14 і має постійну (негативну) похилість. Верхня межа швидкості охолодження, яка уникає підділянки 15 продуктів самовідпускання, показана на даній діаграмі лінією 16, дотичною до С-подібної кривої. Для уникнення утворювання продуктів самовідпускання або, у загальному випадку, карбідів, швидкість охолодження повинна бути такою, як показано лінією ліворуч від межової лінії 16 (тобто лінією, що починається в тій самій нульовій точці часу, але має більшу похилість).

Отже, залежно від складу сталі, швидкість охолодження, достатньо велика для задоволення цій вимозі, може потребувати застосування водяного охолодження, або досягатися шляхом повітряного охолодження.

У загальному випадку, якщо рівні тих чи інших легувальних елементів в складі сталі, яка охолоджується повітрям і при цьому має достатньо високу швидкість охолодження, знижуються, то необхідно підвищувати рівні інших легувальних елементів для підтримання здатності цієї сталі до повітряного охолодження.

Наприклад, зниження кількостей одного чи більше таких легувальних елементів, як вуглець, хром і кремній, може компенсуватися підвищенням рівня такого елементу, як марганець.

Наприклад, сталі, що містять (ї) приблизно від 0,0595 (мас.) до 0,190 (мас.) вуглецю, (ії) кремній або хром у кількості принаймні 290 (мас.) та (ії) марганець у кількості принаймні 0,595 (мас.) (решту складає залізо), краще охолоджувати шляхом гартування у воді. У якості прикладів сталей з такими складами можна навести (А) сталь, в котрій легувальними елементами є кремній 295 (мас), марганець 0,595 (мас.) і вуглець 0,195 (мас), і (В) сталь, в котрій легувальними елементами є хром 295, марганець 0,595 (мас) і вуглець 0,059 (мас.) (решта - залізо). У якості прикладів складів сталей, які можна охолоджувати на повітрі, уникаючи при цьому утворення продуктів самовідпускання, можна назвати такі, що в якості легувальних елементів включають у себе вуглець у кількості приблизно від 0,03 до 0,0595 (мас), хром у кількості приблизно від 8 до 1295 (мас.) і марганець у кількості приблизно від 0,2 до 0,595 (мас.) (решта - залізо). У якості прикладів конкретних складів таких сталей можна назвати склад (А), що включає у себе вуглець 0,0595 (мас), хром 8905 (мас), марганець 0,595 (мас), і склад (В), що включає у себе вуглець 0,0395 (мас), хром 1295 (мас), марганець 0,295 (мас). Слід підкреслити, що ці приклади наведені тут лише з метою ілюстрації даного винаходу і жодною мірою не обмежують інших різноманітних варіантів складів сталей, які можуть бути очевидними для фахівців, обізнаних з технологією легованих сталей і їхніми кінетичними діаграмами фазових перетворень.

Як зазначено вище, уникнути здвоєння в процесі фазового переходу можна, якщо застосовувати склад сталі, температура Ме початку мартенситного перетворення якого становить 350"С і вище. Кращими шляхами досягнення такого результату є використання складу сталі, що включає у себе в якості легувального елементу вуглець у кількості приблизно від 0,01 до 0,3595 (мас), краще, якщо приблизно від 0,05 до 0,2095 (мас.) або 0,02 до 0,1595 (мас). У якості інших легувальних елементів в ці склади можуть входити також хром, кремній, марганець, нікель, молібден, кобальт, алюміній і азот як поодинці, такі в комбінаціях між собою. Хром є особливо прийнятним завдяки його ефекту пасивації, що надає сталі корозійної стійкості. Вміст хрому в сталі може варіювати в широких межах, але у більшості випадків він визначається діапазоном приблизно від 195 (мас. до 1395 (мас). Кращий діапазон вмісту хрому визначається межами приблизно від 695 (мас.) до 1295 (мас), а ще кращий - приблизно від 895 (мас.) до 10905 (мас). Кількість кремнію, якщо він використовується, також може варіювати і складати максимум приблизно

295 (мас), краще, якщо приблизно від 0,595 (мас.) до 2905 (мас).

При практичному здійсненні винаходу для нагрівання сталі до аустенітної фази, охолодження сталі з аустенітної фази через зону мартенситного переходу і вальцювання сталі в одну чи більше стадій можуть використовуватися способи й умови обробки, зазначені у вищенаведених чотирьох патентах США (Тпотав5 еї аі), включаючи сучасну практику виробництва сортопрокату. Згідно з цими способами нагрів сталі до аустенітної фази здійснюють при температурі приблизно до 11507"С, краще, якщо при температурі в діапазоні приблизно від 9007С до 1150"С. Нагрітий сплав витримують при температурі аустенізації протягом часу, достатнього для практично повної орієнтації елементів у кристалічній структурі аустенітної фази. У процесі аустенізації й охолодження сталь піддають регульованому вальцюванню в одну і більше стадій для деформації кристалічних зерен і збереження в зернах енергії деформації, що потрібно для надання утворюваній мартенситній фазі зміщеної пластинчастої структури, що складається із пластин мартенситу, розділених тонкими плівками збереженого аустеніту. Вальцювання при температурі аустенізації сприяє утворенню гомогенної аустенітної кристалічної фази через дифузію легувальних елементів. У загальному випадку це досягається шляхом вальцювання до виділень 1095 і більше, краще, якщо до виділень в межах приблизно від 3095 до 60905.

Може застосовуватися часткове охолодження з наступним вальцюванням, що приводить зерна і кристалічну структуру до зміщеного пластинчастого упорядкування, після чого застосовують завершальне охолодження у такий спосіб, щоб швидкість охолодження дозволяла уникати зон, в яких утворюються продукти самовідпускання або фазового перетворення, як описан вище. Товщина зміщених пластин мартенситу і аустенітних плівок залежить від складу сталі і умов обробки, і для цілей даного винаходу не є критичною. Проте у більшості випадків плівки збереженого аустеніту складають приблизно від 0,595 до 1595 об'єму мікроструктури, у кращих варіантах - приблизно від 395 до 1095, а ще краще, якщо максимум приблизно 595 об'єму мікроструктури. На Фіг.2 схематично зображена зміщена пластинчаста структура сталі, що складається із практично паралельних пластин 21 зерен кристалів мартенситної фази, розділених тонкими плівками 22 збереженої аустенітної фази. Слід зауважити, що в цій структурі відсутні карбіди і взагалі виділення (включаючи нітриди і карбонітриди), які з'являлися у структурах відомого рівня техніки як додаткові голкуваті структури значно меншого розміру порівняно з цими двома фазами розмірів, дисперговані у зміщених мартенситних пластинах. Відсутність цих виділень робить суттєвий внесок у корозійну стійкість сталі. Бажану мікроструктуру отримують також шляхом відливання таких сталей і охолодження зі швидкістю, достатньо високою, щоб утворилася мікроструктура, зображена на Ффіг.2.

На Фіг.3 поданий графік залежності напруги від деформації у мікроструктурах чотирьох сталей за даним винаходом зі зміщеними пластинчастими структурами, що не містять продуктів самовідпускання. Склади цих сталей включають у себе 0,0595 (мас.) вуглецю і різні кількості хрому, у тому числі 295 (мас.) хрому (квадрати), 4905 (мас.) хрому (трикутники), 695 (мас.) хрому (кружки) і 895 (мас.) хрому (гладка крива). Площа під кожною кривою залежності напруги від деформації є мірою ударної в'язкості сталі. Звідси можна бачити, що збільшення вмісту хрому дає збільшення цієї площі, а отже і ударної в'язкості, і що всі чотири рівні хрому дають значні величини площі під цими кривими, що відповідає високим значенням ударної в'язкості цих сталей.

Леговані сталі за даним винаходом є особливо ефективними при застосуванні їх у виробах, що потребують високих границь розтягової міцності і виготовляються із залученням операцій холодного формування, оскільки мікроструктура цих сталей є особливо підходящою для холодного формування.

Такими виробами можуть бути, наприклад, листовий метал для автомобілів, дріт або прути для радіально армованих автомобільних шин, тощо.

Усе вищевикладене має, у першу чергу, ілюстративне призначення і не виключає інших різноманітних модифікацій і варіантів складу сталей, а також способів і умов обробки, що дозволяють втілювати на практиці базову і нову концепцію даного винаходу. Усі ці варіації є очевидними для фахівців у даній галузі і охоплюються об'ємом винаходу. г .

Гай дня в р-н кт .

Ху их 2» и

І, М

Ж Б

І хх

М мо | й | ЗОЛТД

Х ух

Фі.

и шт я г т от нн ра й й 4 гра р 4 д А НЕ у.

ТТ ж ст рр. й ув

С ра ва Ка Й Раш с 22 ж шу

Б Я ді й І. р -й -- ше ж Я с ше 4 фон а сх мовою р СХ -- вс птн ВУС 2001 : іпотеки тттлк з - ві і ж 150 Де Ї що

ШИ щЩ « ЮО1Й нен дич й

Ї й І і і 5о ї | і І о 5. сіб дека) м Жледьтнй я 3. і о в юю ІЗ га 25

Дефермація,

І ФГ