RU2555306C1 - High-strength cold-resistant beinite steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: steel contains in wt %: carbon 0.10-0.15, silicon from 0.2 to below 0.3, manganese 0.9-1.5, chrome 1.0-1.4, nickel 0.1-0.5, molybdenum from 0.5 to 0.6, copper 0.1-0.5, niobium 0.02-0.06, aluminium 0.01-0.06, boron 0.0015-0.005, nitrogen from over 0.01 to max. 0.012, phosphorus max. 0.015, sulphur max. 0.005, iron and inevitable admixture - rest.

EFFECT: steel has increased impact toughness at negative temperatures, high strength and weldability upon plasticity keeping.

2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к высокопрочным конструкционным сталям повышенной хладостойкости, используемым при производстве элементов подъмно-транспортной техники.The invention relates to metallurgy, in particular to high-strength structural steels of high cold resistance, used in the production of elements of the lifting equipment.

Высокопрочная сталь, используемая для изготовления конструкций и деталей тяжелого машинного оборудования и несущих конструкций подъемных кранов, должна сочетать высокие прочностные характеристики (не менее 700 МПа), пластические и вязкостные свойства при низких температурах (-70°C), не обладать склонностью к трещинообразованию.High-strength steel used for the manufacture of structures and parts of heavy machinery and supporting structures of cranes must combine high strength characteristics (at least 700 MPa), plastic and toughness at low temperatures (-70 ° C), and not be prone to cracking.

Известен состав низколегированной стали [1], имеющей следующий химический состав, мас.%:The known composition of low alloy steel [1] having the following chemical composition, wt.%:

УглеродCarbon 0,08-0,160.08-0.16 МарганецManganese 1,40-1,701.40-1.70 КремнийSilicon 0,17-0,370.17-0.37 ВанадийVanadium 0,06-0,120.06-0.12 НиобийNiobium 0,06-0,120.06-0.12 АлюминийAluminum 0,015-0,040.015-0.04 СераSulfur 0,015-0,0350.015-0.035 ФосфорPhosphorus 0,010-0,0300.010-0.030 БорBoron 0,0008-0,0040,0008-0,004 ЦерийCerium 0,005-0,010.005-0.01 ЖелезоIron ОстальноеRest

Данная сталь имеет недостаточную пластичность и ударную вязкость на образцах Шарли при -70°C, толстые листы из нее не выдерживают холодный изгиб на 180 град без образования трещин.This steel has insufficient ductility and toughness on Charlie samples at -70 ° C, thick sheets of it do not withstand cold bending of 180 degrees without cracking.

Известна также низколегированная сталь [2], имеющая следующий химический состав, мас.%:Also known low alloy steel [2], having the following chemical composition, wt.%:

УглеродCarbon 0,10-0,180.10-0.18 МарганецManganese 1,2-1,71.2-1.7 КремнийSilicon 0,4-0,70.4-0.7 ХромChromium 0,5-1,00.5-1.0 АлюминийAluminum 0,04-0,100.04-0.10 ВанадийVanadium 0,05-0,150.05-0.15 ТитанTitanium 0,02-0,060.02-0.06 АзотNitrogen 0,010-0,0220.010-0.022 МедьCopper 0,2-0,50.2-0.5 ЦирконийZirconium 0,005-0,100.005-0.10 ЖелезоIron ОстальноеRest

Недостатки известной стали состоят в ее низкой пластичности и ударной вязкости при -70°C на образцах Шарпи. Кроме того, сталь склонна к трещиноообразованию как горячей прокатке толстых листов, так и при испытании на холодный загиб на 180 град.The disadvantages of the known steel are its low ductility and toughness at -70 ° C on Charpy samples. In addition, steel is prone to crack formation as hot rolling of thick sheets, and when tested for cold bending at 180 degrees.

Наиболее близкой по своему составу и свойствам к предлагаемой стали является низколегированная сталь [3], содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:The closest in composition and properties to the proposed steel is low alloy steel [3], containing components in the following ratio, wt.%:

УглеродCarbon 0,08-0,150.08-0.15 КремнийSilicon 0,1-0,60.1-0.6 МарганецManganese 1,0-1,81.0-1.8 ХромChromium 0,3-0,90.3-0.9 МедьCopper 0,1-0,50.1-0.5 ВанадийVanadium 0,02-0,10.02-0.1 АлюминийAluminum 0,01-0,060.01-0.06 НикельNickel 0,7-1,50.7-1.5 АзотNitrogen 0,002-0,0150.002-0.015 КальцийCalcium 0,002-0,0300.002-0.030 НиобийNiobium 0,01-0,050.01-0.05 ТитанTitanium 0,004-0,0350.004-0.035 СераSulfur не более 0,010no more than 0,010 ФосфорPhosphorus не более 0,020no more than 0,020 ЖелезоIron ОстальноеRest

Недостаток стали известного состава состоит в том, что она имеет недостаточную прочность и ударную вязкость при -70°C на образцах Шарпи.A disadvantage of steel of known composition is that it has insufficient strength and toughness at -70 ° C on Charpy samples.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении прочности, ударной вязкости при отрицательных температурах при сохранении свариваемости.The technical problem solved by the invention is to increase strength, toughness at low temperatures while maintaining weldability.

Для решения поставленной технической задачи применяют высокопрочную хладостойкую бейнитную сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, азот, алюминий, бор, молибден, ниобий, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:To solve this technical problem, high-strength cold-resistant bainitic steel is used, containing carbon, manganese, silicon, chromium, nickel, copper, nitrogen, aluminum, boron, molybdenum, niobium, sulfur, phosphorus, iron and inevitable impurities in the following ratio of components, wt.% :

УглеродCarbon 0,10-0,150.10-0.15 МарганецManganese 0,9-1,50.9-1.5 КремнийSilicon от 0,2 до менее 0,30.2 to less than 0.3 ХромChromium 1,0-1,41.0-1.4 НикельNickel 0,1-0,50.1-0.5 МедьCopper 0,1-0,50.1-0.5 АзотNitrogen от более 0,01 до не более 0,012from more than 0.01 to not more than 0.012 АлюминийAluminum 0,01-0,060.01-0.06 БорBoron 0,0015-0,0050.0015-0.005 МолибденMolybdenum от более 0,5 до 0,6from more than 0.5 to 0.6 НиобийNiobium 0,02-0,060.02-0.06 СераSulfur не более 0,005no more than 0,005 ФосфорPhosphorus не более 0,015no more than 0.015 Железо и неизбежные примесиIron and inevitable impurities ОстальноеRest

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что комплексное легирование при указанном соотношении концентраций элементов позволяет измельчить структуру и повысить дисперсность стали. В результате возрастает прокаливаемость, прочность и ударная вязкость стали при минусовых температурах.The essence of the invention lies in the fact that complex alloying with the specified ratio of element concentrations allows you to grind the structure and increase the dispersion of steel. As a result, hardenability, strength and toughness of steel at low temperatures increase.

Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,10% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,15% ухудшается свариваемость и пластичность стали.Carbon reinforces steel. With a carbon content of less than 0.10%, the required strength of the steel is not achieved, and with its content of more than 0.15%, the weldability and ductility of the steel is deteriorated.

Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочностные характеристики. При концентрации кремния менее 0,2% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации 0,3% или более снижается пластичность.Silicon deoxidizes steel, increases its strength characteristics. At a silicon concentration of less than 0.2%, the strength of the steel is lower than acceptable, and at a concentration of 0.3% or more, ductility decreases.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,9% прочность стали недостаточна. Совместное легирование марганцем и хромом способствует увеличению прочности. Превышение указанных пределов нецелесообразно, т.к. с увеличением прочностных характеристик происходит снижение пластичности, вязкости, хладостойкости и увеличивается склонность стали к трещинообразованию.Manganese deoxidizes and strengthens steel, binds sulfur. When the manganese content is less than 0.9%, the strength of the steel is insufficient. Joint alloying with manganese and chromium increases strength. Exceeding the specified limits is impractical, because with an increase in strength characteristics, there is a decrease in ductility, toughness, cold resistance and the tendency of steel to crack formation increases.

При содержании никеля менее 0,1% снижается прочность и ударная вязкость стали. Увеличение содержания никеля более 0,5% не ведет к дальнейшему увеличению требуемых свойств, а лишь увеличивает себестоимость стали.When the nickel content is less than 0.1%, the strength and toughness of the steel decreases. An increase in the nickel content of more than 0.5% does not lead to a further increase in the required properties, but only increases the cost of steel.

Медь способствует повышению прочностных свойств. Но если содержание этого элемента для данного состава превышает 0,5%, то может иметь место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.Copper helps to increase strength properties. But if the content of this element for a given composition exceeds 0.5%, then there may be a decrease in the toughness of steel at freezing temperatures.

Азот в стали является карбонитридообразующим элементом, обеспечивающим ее упрочнение. Содержание азота 0,010% или менее не позволяет обеспечить требуемый уровень прочности. Содержание азота более 0,012% приводит к снижению вязкостных и пластических свойств, что недопустимо.Nitrogen in steel is a carbon-nitride-forming element that provides its hardening. A nitrogen content of 0.010% or less does not provide the required level of strength. A nitrogen content of more than 0.012% leads to a decrease in the viscosity and plastic properties, which is unacceptable.

Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. Он связывает азот и нитриды. Карбонитриды алюминия являются мелкодисперсными упрочняющими частицами. При содержании алюминия менее 0,01% снижается прочность стали. Увеличение содержания этого элемента более 0,05% приводит к снижению пластических и вязкостных свойств и загрязняет сталь неметаллическими включениями, которые приводят к снижению прочностных характеристик, хладостойкости и ударной вязкости.Aluminum deoxidizes steel and grinds grain. It binds nitrogen and nitrides. Aluminum carbonitrides are finely divided reinforcing particles. When the aluminum content is less than 0.01%, the strength of the steel decreases. An increase in the content of this element by more than 0.05% leads to a decrease in the plastic and viscosity properties and contaminates the steel with non-metallic inclusions, which lead to a decrease in the strength characteristics, cold resistance, and impact strength.

Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прокаливаемость, прочность и износостойкость стали, измельчает микроструктуру. При содержании бора менее 0,0015% его влияние незначительно. Увеличение влияния бора более 0,005% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.Boron strengthens the solid solution by the introduction mechanism, increases hardenability, strength and wear resistance of steel, grinds the microstructure. With a boron content of less than 0.0015%, its effect is negligible. An increase in the influence of boron of more than 0.005% leads to the appearance of excess phases (borides) at the grain boundaries, which reduces the toughness of steel at low temperatures.

Молибден повышает прочность и вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании молибдена 0,5% или менее прочность стали ниже требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,6% ухудшает пластичность и вязкость и приводит к перерасходу легирующих элементов.Molybdenum increases the strength and toughness of steel, grinding grain microstructure. When the molybdenum content is 0.5% or less, the strength of the steel is lower than the required level, and an increase in its content of more than 0.6% affects the ductility and toughness and leads to an excessive consumption of alloying elements.

Введение в состав ниобия способствует получению ячеистой дислокационной микроструктуры, обеспечивающей сочетание высоких прочностных свойств металла и высокой ударной вязкости при пониженных температурах. Ниобий применяют не только для дисперсионного упрочнения стали, но и для эффективного повышения ее вязкости за счет измельчения зерен.Introduction to the composition of niobium contributes to the production of a cellular dislocation microstructure, providing a combination of high strength properties of the metal and high impact strength at low temperatures. Niobium is used not only for dispersion hardening of steel, but also for effective increase of its viscosity due to grinding of grains.

Ниобий повышает прочность и ударную вязкость стали, измельчая зерно микроструктуры. При содержании ниобия менее 0,02% прочность и ударная вязкость стали ниже требуемого уровня, а увеличение содержания ниобия более 0,06% нецелесообразно, т.к. не ведет к дальнейшему улучшению свойств, а лишь увеличивает расход легирующих элементов.Niobium increases the strength and toughness of steel, grinding grain microstructure. When the niobium content is less than 0.02%, the strength and toughness of the steel are lower than the required level, and an increase in the niobium content of more than 0.06% is impractical, because does not lead to further improvement of properties, but only increases the consumption of alloying elements.

Ограничение серы и фосфора обусловлено их негативным влиянием на прочностные характеристики, снижение пластичности и ударной вязкости. Сера скапливается в стали в виде сульфидов, которые являются концентраторами напряжений, вокруг которых возникают и развиваются трещины. При увеличении содержания фосфора происходит снижение ударной вязкости при отрицательных температурах иуменьшение доли волокна в изломе.The restriction of sulfur and phosphorus is due to their negative effect on the strength characteristics, reduction in ductility and toughness. Sulfur accumulates in steel in the form of sulfides, which are stress concentrators around which cracks arise and develop. With an increase in the phosphorus content, a decrease in toughness occurs at negative temperatures and a decrease in the proportion of fiber in the fracture.

Бейнитная структура гарантирует хладостойкость при -70°C и обеспечивает прочностные характеристики термоулучшенной стали, соответствующие классу прочности не менее 700 МПа.The bainitic structure guarantees cold resistance at -70 ° C and provides the strength characteristics of thermally improved steel corresponding to a strength class of at least 700 MPa.

Пример реализации.Implementation example.

Сталь выплавляли в электродуговой печи, разливали в слябы. Слябы подвергали термической обработке при следующих технологических параметрах: скорость нагрева металла - 20-30°C/час; температура нагрева - 870°C; продолжительность выдержки 12 час; скорость охлаждения до температуры 200°C - не более 50°C/час. Затем слябы нагревали до температуры 1240-1260°C и прокатывали на толстолистовом стане 2800 в листы до конечной толщины при температуре конца прокатки 850-890°C (при толщине готового проката 10,0-20,0 мм) или при температуре конца прокатки не более 930°C (при толщине готового проката 20,1-40,0 мм). Для листов производили закалку с температуры 930°C. Затем прокат всех толщин подвергали отпуску при температуре нагрева 690-700°C и времени выдержки 1,1-2,2 мин/мм в зависимости от толщины проката.Steel was smelted in an electric arc furnace, cast into slabs. The slabs were subjected to heat treatment at the following process parameters: metal heating rate — 20-30 ° C / h; heating temperature - 870 ° C; exposure time 12 hours; cooling rate to a temperature of 200 ° C - not more than 50 ° C / hour. Then the slabs were heated to a temperature of 1240-1260 ° C and rolled on sheets 2800 into sheets to a final thickness at a temperature of the end of rolling of 850-890 ° C (with a thickness of finished rolled 10.0-20.0 mm) or at a temperature of the end of rolling more than 930 ° C (with a finished product thickness of 20.1-40.0 mm). The sheets were quenched at a temperature of 930 ° C. Then, the rolled products of all thicknesses were tempered at a heating temperature of 690–700 ° C and a holding time of 1.1–2.2 min / mm, depending on the thickness of the rolled products.

Из табл. 1 и 2 следует, что предложенная сталь (составы 2-3) имеет более высокие прочность и ударную вязкость при температуре -40°C и -70°C, что обеспечивается в том числе и бейнитной структурой. Кроме того, сталь характеризуется высокой пластичностью и свариваемостью. Свариваемость подтверждается значением коэффициента трещиностойкости не более 0,30%, рассчистанного по формуле (1).From the table. 1 and 2, it follows that the proposed steel (compositions 2-3) has higher strength and toughness at a temperature of -40 ° C and -70 ° C, which is ensured including the bainitic structure. In addition, steel is characterized by high ductility and weldability. Weldability is confirmed by the value of the coefficient of crack resistance not more than 0.30%, cleared according to the formula (1).

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5*ВPcm = C + Si / 30 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Ni / 60 + Mo / 15 + V / 10 + 5 * V (1) (one)

При запредельных концентрациях элементов (составы 1, 4-5) прочность и ударная вязкость стали ухудшаются, снижается пластичность. Также более низкие свойства по ударной вязкости имеет сталь прототип (состав 4).At extreme concentrations of elements (compositions 1, 4-5), the strength and toughness of steel deteriorate, and ductility decreases. Also lower properties in toughness is steel prototype (composition 4).

ЛитератураLiterature

1. Авторское свидетельство СССР 1523589, МПК С22С 38/12 1989 г.1. USSR author's certificate 1523589, IPC С22С 38/12 1989

2. Авторское свидетельство СССР 595416, МПК С22С 38/28, 1978 г.2. USSR author's certificate 595416, IPC C22C 38/28, 1978

3. Патент Российской Федерации №2255999, МПК С22С 38/50, С22С 38/58 2005 г., прототип.3. Patent of the Russian Federation No. 2255999, IPC C22C 38/50, C22C 38/58 2005, prototype.

Claims (1)

Высокопрочная хладостойкая бейнитная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, медь, ванадий, никель, алюминий, никель, азот, кальций, ниобий, титан, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,10-0,15 марганец 0,9-1,5 кремний от 0,2 до менее 0,3 хром 1,0-1,4 никель 0,1-0,5 медь 0,1-0,5 азот от более 0,01 до не более 0,012 алюминий 0,01-0,06 бор 0,0015-0,005 молибден от более 0,5 до 0,6 ниобий 0,02-0,06 сера не более 0,005 фосфор не более 0,015 железо и неизбежные примеси остальное High-strength cold-resistant bainitic steel containing carbon, manganese, silicon, chromium, copper, vanadium, nickel, aluminum, nickel, nitrogen, calcium, niobium, titanium, sulfur, phosphorus, iron and inevitable impurities, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
carbon 0.10-0.15 manganese 0.9-1.5 silicon 0.2 to less than 0.3 chromium 1.0-1.4 nickel 0.1-0.5 copper 0.1-0.5 nitrogen from more than 0.01 to not more than 0.012 aluminum 0.01-0.06 boron 0.0015-0.005 molybdenum from more than 0.5 to 0.6 niobium 0.02-0.06 sulfur no more than 0,005 phosphorus no more than 0.015 iron and inevitable impurities rest