RU2042734C1 - Steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: steel for manufacturing of bars is modified by aluminum and boron and contains the following components in the ratio of, by weight: hydrogen 0.13-0.23, silicon 0.17-0.37, manganese 0.7-1.3, chromium 1.8-2.6, nickel 0.1-0.7, molybdenum 0.15-0.30, vanadium 0.1-0.2, aluminum 0.01-0.1, boron 0.0005-0.006, iron the balance. The ratio of boron, aluminum and vanadium is: boron at least 7·10^-5 (aluminum 0.2 vanadium). EFFECT: increased strength of bars by improved and stabilized plasticity and toughness of metal. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, точнее к сплавам черных металлов, и предназначено для использования при изготовлении высокопрочных глубиннонаносных штанг диаметром 25 мм и менее, закаливающихся в процессе охлаждения после пpокатки или нормализации. The invention relates to metallurgy, and more specifically to alloys of ferrous metals, and is intended for use in the manufacture of high-strength deep-bearing rods with a diameter of 25 mm or less, quenched during cooling after rolling or normalization.

Известна сталь 20нм, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, медь и железо при следующем соотношении ингредиентов, мас. Углерод 0,17-0,25 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,40-0,70 Никель 1,5-1,90 Хром ≅0,30 Молибден 0,20-0,30 Медь ≅0,30 Железо Остальное (см. ГОСТ 4543-71 "Сталь легированная конструкционная"). Known steel 20nm containing carbon, silicon, manganese, nickel, chromium, molybdenum, copper and iron in the following ratio of ingredients, wt. Carbon 0.17-0.25 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.40-0.70 Nickel 1.5-1.90 Chrome ≅0.30 Molybdenum 0.20-0.30 Copper ≅0.30 Iron The rest (see GOST 4543-71 "Structural alloyed steel").

Недостатком этой стали является то, что изготовленные из нее штанги имеют недостаточно высокую коррозионно-усталостную долговечность, т.е. в процессе охлаждения на воздухе после горячей прокатки или нормализации штанги из стали 20НМ диаметром 16 мм и выше на воздухе не закаливаются и обладают низкой прочностью (предел прочности ≈600 Н/мм²).The disadvantage of this steel is that the rods made from it have insufficiently high corrosion-fatigue life, i.e. during cooling in air after hot rolling or normalization, rods made of steel 20NM with a diameter of 16 mm and higher do not harden in air and have low strength (tensile strength ≈600 N / mm ² ).

Для получения более высокого уровня прочностных свойств (предел прочности 880 н/м² и предел текучести 685 н/мм²) необходимо штанги подвергать закалке и высокому отпуску, что приводит к образованию на поверхности окалины, которая отрицательно влияет на их работоспособность из-за снижения коррозионной усталости. Эксплуатация штанг, изготовленных из этой стали и работающих в условиях промыслов, показала обрывность их, равную 6.10 обрывам на 10000 шт. Указанные выше обстоятельства требуют значительный расход электроэнергии на проведение термообработки для улучшения металла штанги и удаление окалины, что увеличивает трудоемкость изготовления штанг.To obtain a higher level of strength properties (tensile strength 880 n / m ² and yield strength 685 n / mm ² ) it is necessary to subject the rods to quenching and high tempering, which leads to the formation of scale on the surface, which negatively affects their performance due to lower corrosion fatigue. The operation of rods made of this steel and working in the field of fisheries showed their breakage equal to 6.10 breaks per 10,000 pcs. The above circumstances require significant energy consumption for heat treatment to improve the metal of the rod and the removal of scale, which increases the complexity of manufacturing the rods.

Наиболее близкой к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является конструкционная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, молибден, ванадий, никель, хром и железо при следующем соотношении ингредиентов, мас. Углерод 0,13-0,18 Кремний 0,20-0,35 Марганец 0,80-1,20 Молибден 0,20-0,30 Ванадий 0,08-0,13 Никель 0,40-0,60 Хром 1,85-2,20 Железо Остальное (см.а.с.СССР N 685710, С 22 С 38/46). Closest to the claimed solution in terms of technical nature and the achieved result is structural steel containing carbon, silicon, manganese, molybdenum, vanadium, nickel, chromium and iron in the following ratio of ingredients, wt. Carbon 0.13-0.18 Silicon 0.20-0.35 Manganese 0.80-1.20 Molybdenum 0.20-0.30 Vanadium 0.08-0.13 Nickel 0.40-0.60 Chrome 1 , 85-2.20 Iron The rest (see.a.s.SSSR N 685710, С 22 С 38/46).

Эта сталь принята за прототип, Данная сталь обладает более высокой прочностью (≈700 н.нм²) за счет более мелкого зерна (6 балл), что в совокупности с ее способностью самозакаливается на воздухе после прокатки повышает стойкость изготовленных из этой стали глубинно-насосных штанг (обрывность составляет 3-4 обрыва на 10000 шт.).This steel is taken as a prototype. This steel has a higher strength (≈700 nm- ² ) due to finer grain (6 points), which, together with its ability to self-quench in air after rolling, increases the resistance of deep-pumping made from this steel rods (breakage is 3-4 breaks per 10,000 pcs.).

Однако известная сталь имеет недостаточно высокие пластические и вязкие характеристики, которые соответствуют нижнему уровню требований конструкторской документации (ударная вязкость 22 дж/см², относительное сужение 51% относительное удлинение 18%) и могут быть получены в узком интервале температур отпуска, что усложняет процесс контроля отпуска. Кроме того, эта сталь склонна к росту зерна и отпускной хрупкости, что ведет к преждевременному разрыву изготовленных из нее штанг при эксплуатации.However, the known steel does not have sufficiently high plastic and viscous characteristics that correspond to the lower level of design documentation requirements (impact strength 22 j / cm ² , relative narrowing 51% relative elongation 18%) and can be obtained in a narrow tempering temperature range, which complicates the control process vacation time. In addition, this steel is prone to grain growth and temper brittleness, which leads to premature rupture of the rods made from it during operation.

Задачей изобретения является повышение стойкости штанг за счет увеличения и стабилизации пластических свойств и вязкости металла при сохранении прочности. The objective of the invention is to increase the resistance of the rods by increasing and stabilizing the plastic properties and viscosity of the metal while maintaining strength.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий и железо, дополнительно введены алюминий и бор при следующем соотношении ингредиентов, мас. Углерод 0,13-0,28 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,7-1,3 Хром 1,8-2,6 Никель 0,1-0,7 Молибден 0,15-0,30 Ванадий 0,1-0,2 Алюминий 0,01-0,1 Бор 0,0005-0,006 Железо Остальное При этом содержание бора и алюминия с ванадием в стали находятся в следующем соотношении:
[B] ≥ 7^.10^-5/([Al] + 0,2[V] ), где [B] [Al] и [V] содержание в стали бора, алюминия и ванадия соответственно.The task is achieved due to the fact that in the steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, vanadium and iron, aluminum and boron are additionally introduced in the following ratio of ingredients, wt. Carbon 0.13-0.28 Silicon 0.17-0.37 Manganese 0.7-1.3 Chromium 1.8-2.6 Nickel 0.1-0.7 Molybdenum 0.15-0.30 Vanadium 0 , 1-0.2 Aluminum 0.01-0.1 Boron 0.0005-0.006 Iron Else The content of boron and aluminum with vanadium in steel are in the following ratio:
[B] ≥ 7 ^. 10 ^-5 / ([Al] + 0.2 [V]), where [B] [Al] and [V] are boron, aluminum and vanadium in the steel, respectively.

Одновременное введение алюминия и бора обеспечивает повышение прочностных и вязкостных характеристик стали. В результате повышается стойкость изготовленных из этой стали штанг в условиях знакопеременных нагрузок и увеличивается среднее количество циклов до 6 млн, количество обрывов снижается до 1.2 на 10000 штук. The simultaneous introduction of aluminum and boron provides an increase in the strength and toughness characteristics of steel. As a result, the resistance of rods made of this steel increases under conditions of alternating loads and the average number of cycles increases to 6 million, the number of breaks decreases to 1.2 per 10,000 pieces.

Введение алюминия в сталь в заявляемых пределах обеспечивает ее мелкозернистость и дисперсное (равномерное) распределение нитридов алюминия, что повышает вязкостные свойства металла, а также уменьшает склонность к разрушению путем обрыва (Э. Гудремон "Специальные стали" том II, М. 1960, с.с. 1318-1319). The introduction of aluminum into the steel within the claimed limits ensures its fine-grained and dispersed (uniform) distribution of aluminum nitrides, which increases the viscosity properties of the metal and also reduces the tendency to fracture by breaking (E. Goodremont "Special steels" volume II, M. 1960, p. p. 1318-1319).

Введение бора в сталь в заявляемых пределах тормозит перлитное превращение при закалке (задерживает распад аустенита), тем самым повышает прокаливаемость стали (высокая прокаливаемость стали обеспечивается только растворенным бором, предел растворимости которого ≈0,006%), что является одной из важнейших предпосылок, обеспечивающих высокие прочностные свойства самозакаливающихся штанг. Увеличение содержания бора выше 0,006% не приводит к увеличению прокаливаемости (Э.Гудремон "Специальные стали", том II, М. 1960, с. с.1578-1579, т.к. из-за сродства его к азоту и кислороду (ред.С.М.Винаров "Бор, кальций, ниобий и цирконий в чугуне и стали", 1961, с.20), бор является активным раскислителем и нитродообразующим, в металле может быть связан в оксиды и нитриды и присутствовать в стали в пассивной форме, не оказывая влияния на ее прокаливаемость. The introduction of boron into steel within the claimed limits inhibits pearlite transformation during quenching (delays the decomposition of austenite), thereby increasing the hardenability of steel (high hardenability of steel is ensured only by dissolved boron, the solubility limit of which is ≈0.006%), which is one of the most important prerequisites for high strength properties of self-hardening rods. An increase in boron content above 0.006% does not lead to an increase in hardenability (E. Goodremont "Special Steels", Volume II, M. 1960, pp. 1578-1579, because due to its affinity for nitrogen and oxygen (ed. .S.M. Vinarov "Boron, calcium, niobium and zirconium in cast iron and steel", 1961, p.20), boron is an active deoxidizer and nitro-forming, in the metal it can be bound to oxides and nitrides and be present in steel in a passive form without affecting its hardenability.

Для устранения этого недостатка азот и кислород в стали предварительно связывают другими раскислителями и нитридообразующими, например алюминием и ванадием. To eliminate this drawback, nitrogen and oxygen in the steel are preliminarily bound by other deoxidizers and nitride-forming ones, for example, aluminum and vanadium.

При этом, как показали проведенные эксперименты, содержание бора, алюминия и ванадия в заявляемой стали отвечают следующему соотношению:
[B] ≥ 7˙10^-5/([Al] + 0,2[V]), где [B] [Al] [V] процентное содержание бора, алюминия и ванадия в стали; 7 10^-5 коэффициент пропорциональности; 0,2 коэффициент способности к нитридообразованию ванадия по отношению к алюминию, приблизительно равен отношению энергий Гиббса (изобарного потенциала) образования нитридов алюминия и ванадия при 1600^оС (А.А.Крестовников и др; "Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций", М. 1963).Moreover, as shown by experiments, the content of boron, aluminum and vanadium in the inventive steel correspond to the following ratio:
[B] ≥ 7˙10 ^-5 / ([Al] + 0.2 [V]), where [B] [Al] [V] is the percentage of boron, aluminum and vanadium in steel; 7 10 ^-5 coefficient of proportionality; 0.2 ability nitridoobrazovaniyu coefficient of vanadium to aluminum is approximately equal relative Gibbs energy (Gibbs energy) forming aluminum nitride and vanadium at 1600 ^{° C} (A.A.Krestovnikov et al; "Handbook of equilibrium calculations metallurgical reactions", M . 1963).

Исходя из вышеуказанного соотношения, при введении в сталь алюминия и ванадия на верхних заявляемых пределах для обеспечения высокой прокаливаемости бора должно быть равно 0,0005% а при введении этих элементов на нижних пределах содержания бора в стали должно быть не менее 0,0023% При содержании бора в первом случае меньше 0,0005% а во втором меньше 0,0023% не обеспечит необходимой прокаливаемости, т. к. весь введенный бор окажется связанным в оксиды и нитриды, а для активной (растворенной) формы его не останется. Введение алюминия в сталь менее 0,01% не приводит к стабильному измельчению зерна и является недостаточным для связывания азота в нитриды (для защиты бора).Это приводит к снижению прочностных и вязкостных характеристик стали. Based on the above ratio, when aluminum and vanadium are introduced into the steel at the upper declared limits, to ensure high hardenability of boron, it must be equal to 0.0005% and when these elements are introduced at the lower limits of boron content in steel, it should be at least 0.0023%. boron in the first case is less than 0.0005% and in the second less than 0.0023% does not provide the necessary hardenability, since all the introduced boron will be bound to oxides and nitrides, but it will not remain for the active (dissolved) form. The introduction of aluminum into steel of less than 0.01% does not lead to stable grain refinement and is insufficient to bind nitrogen to nitrides (to protect boron). This leads to a decrease in the strength and viscosity characteristics of steel.

Введение алюминия в сталь более 0,1% снижает вязкие характеристики стали по причине образования интерметаллидных пленок по границам зерен, а также более крупных и неравномерно расположенных по объему металла неметаллических включений. The introduction of aluminum into steel by more than 0.1% reduces the viscous characteristics of steel due to the formation of intermetallic films along grain boundaries, as well as larger non-metallic inclusions that are unevenly distributed over the volume of the metal.

Введение бора в сталь ниже 0,0005% не приводит к заметному увеличению прокаливаемости, а присадка бора в количестве, превышающем заявляемый предел, приводит к красноломкости из-за наличия легкоплавкой эвтектики в системе "Железо-бор". The introduction of boron into steel below 0.0005% does not lead to a noticeable increase in hardenability, and the addition of boron in an amount exceeding the declared limit leads to red breaking due to the presence of low-melting eutectic in the Iron-Boron system.

Исследование совместного влияния бора и алюминия на свойства заявляемой стали производили следующим образом: в лабораторной индукционной печи емкостью 50 кг произвели 2 плавки заявляемой стали с разливкой металла в слитки размерами ⌀ 90/ ⌀ 80 х 150 мм массой 5,1 кг, при этом алюминий и бор присаживали в каждый слиток отдельно в различных количествах и соотношениях (алюминий вводили в виде проволоки в струю металла при заливке изложницы, бор давали в виде ферробора на дно изложницы). Кроме того, в качестве контрольных, произведены плавки известных сталей. От прибыльных частей слитков отрезались пробы на химический анализ, после чего из слитков свободной ковкой получали заготовки ⌀ 25х900 мм. Заготовки отжигали, затем из них изготавливали образцы для механических испытаний (по 2 ударных и по 2 разрывных образца из каждого прутка). Химический состав и усредненные результаты механических испытаний по каждому прутку (слитку) приведены в нижеследующих таблицах. The study of the joint effect of boron and aluminum on the properties of the inventive steel was carried out as follows: in a laboratory induction furnace with a capacity of 50 kg, 2 melts of the inventive steel were performed with casting metal into ingots of dimensions ⌀ 90 / ⌀ 80 x 150 mm weighing 5.1 kg, while aluminum and boron was seated in each ingot separately in various amounts and ratios (aluminum was introduced in the form of a wire into a metal stream when pouring the mold, boron was given in the form of a ferroboron to the bottom of the mold). In addition, as a control, produced smelting of well-known steels. Samples for chemical analysis were cut off from the profitable parts of the ingots, after which blanks ⌀ 25x900 mm were obtained from the ingots by free forging. The billets were annealed, then samples were made from them for mechanical tests (2 percussion and 2 explosive samples from each bar). The chemical composition and average results of mechanical tests for each bar (ingot) are given in the following tables.

По результатам проведенных исследований определен заявляемый химический состав стали и проведена опытно-промышленная плавка. Сталь выплавляли в 7, -ти тонной мартеновской печи совмещенным скрап-процессом. При этом в мартеновской печи приготовляли стальную заготовку с определенным содержанием углерода, кремния, никеля, молибдена и фосфора, а раскисление и легирование кремнием, хромом, ванадием и рафинирование металла производили при выпуске плавки в ковш жидкими лигатурами и синтетическим шлаком. Бор давали в ковш в виде ферробора, а алюминий в струю металла при выпуске заготовки из мартеновской печи. Темпеpатуpа металла в ковше после выпуска составила 1610^оС.According to the results of the studies, the claimed chemical composition of steel was determined and pilot-industrial melting was carried out. Steel was smelted in a 7-ton open-hearth furnace using a combined scrap process. At the same time, a steel billet with a certain content of carbon, silicon, nickel, molybdenum and phosphorus was prepared in the open-hearth furnace, and metal was deoxidized and alloyed with silicon, chromium, vanadium and refined when melting was released into the ladle with liquid ligatures and synthetic slag. Boron was fed into the bucket in the form of a ferroboron, and aluminum was injected into the metal stream when the billet was released from the open-hearth furnace. Temperature of the metal in the ladle after the release amounted to 1610 ^° C

Выплавленную сталь разливали в непрерывные заготовки сечением 270х370 мм с отгрузкой в прокатный цех в горячем виде и последующей прокаткой на штанги⌀ 22 мм. The smelted steel was poured into continuous billets with a cross section of 270x370 mm with shipment to the rolling shop in hot form and subsequent rolling to rods of 22 mm.

Из таблицы видно, что применение заявляемой стали (варианты 1, 2, 3, 4 и 10, 11, 12, 13) обеспечивает по сравнению с известными сталями (варианты NN 19, 20) повышение механических свойств металла, в особенности, его вязкостных характеристик. Опробование показало также, что стали с выходящими за заявляемые пределы содержания алюминия и бора (варианты 6, 7, 8, 9 и 15, 16, 17, 18) приводит либо к снижению ударной вязкости или относительного сужения (варианты 7, 8, 9, и 16, 17, 18), либо к уменьшению прокаливаемости и прочностных свойств (варианты 8, 17), либо к красноломкости (варианты 6, 15). The table shows that the use of the inventive steel (options 1, 2, 3, 4 and 10, 11, 12, 13) provides, in comparison with known steels (options NN 19, 20), an increase in the mechanical properties of the metal, in particular, its viscosity characteristics . Testing also showed that steels beyond the declared limits of the aluminum and boron content (options 6, 7, 8, 9 and 15, 16, 17, 18) either lead to a decrease in toughness or relative narrowing (options 7, 8, 9, and 16, 17, 18), either to a decrease in hardenability and strength properties (options 8, 17), or to red breaking (options 6, 15).

Кроме того, при опробовании выявлено, что стали с содержанием алюминия и бора, находящемся в заявляемых пределах, но не удовлетворяющем соотношению [B] ≥

(варианты 5, 14) имеют пониженный уровень механических свойств.In addition, when testing revealed that the steel with an aluminum and boron content that is within the claimed limits, but does not satisfy the ratio [B] ≥

(options 5, 14) have a reduced level of mechanical properties.

Применение заявляемой стали позволяет по сравнению со сталью-прототипом увеличить ударную вязкость с 22 Дж/см² до 35-43 Дж/см², относительное удлинение с 18% до 22-26% относительное сужение с 51% до 65-70% и прочность с 700 Н/мм² до 710-790 Н/мм².The use of the inventive steel allows, in comparison with the prototype steel, to increase the impact strength from 22 J / cm ² to 35-43 J / cm ² , the relative elongation from 18% to 22-26%, the relative narrowing from 51% to 65-70% and the strength from 700 N / mm ² to 710-790 N / mm ² .

Применение предлагаемой стали увеличивает стойкость изготовленных из нее штанг (количество обрывов снижается до 1-2 на 10000 шт). The use of the proposed steel increases the durability of the rods made from it (the number of breaks is reduced to 1-2 per 10000 pcs).

Claims (1)

КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий и бор при следующем соотношении ингредиентов, мас. STRUCTURAL STEEL containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, vanadium and iron, characterized in that it additionally contains aluminum and boron in the following ratio of ingredients, wt. Углерод 0,13 0,23
Кремний 0,17 0,37
Марганец 0,7 1,3
Хром 1,8 2,6
Никель 0,1 0,7
Молибден 0,15 0,30
Ванадий 0,1 0,2
Алюминий 0,01 0,1
Бор 0,0005 0,005
Железо Остальное
при этом содержание бора и алюминия с ванадием находятся в следующем соотношении: бор ≥ 7 · 10^{- 5} / (алюминий + 0,2 ванадий).Carbon 0.13 0.23
Silicon 0.17 0.37
Manganese 0.7 1.3
Chrome 1.8 2.6
Nickel 0.1 0.7
Molybdenum 0.15 0.30
Vanadium 0.1 0.2
Aluminum 0.01 0.1
Boron 0.0005 0.005
Iron Else
the content of boron and aluminum with vanadium are in the following ratio: boron ≥ 7 · 10 ^{- 5} / (aluminum + 0.2 vanadium).

Images