UA75501C2 - Легована вуглецева сталь і спосіб виготовлення високоміцної, корозійностійкої, пластичної легованої вуглецевої сталі - Google Patents

Abstract

Винахід стосується вуглецевих сталей з високими робочими характеристиками, що мають дислоковану рейкову структуру, в котрій рейки мартенситу чергуються з тонкими плівками аустеніту, але в котрій кожне зерно з дислокованою рейковою структурою має лише один мікроструктурний варіант орієнтації всіх аустенітних тонких плівок в одному напрямку. Це досягається шляхом ретельного контролю величини зерна з утримуванням його на рівні не більше 10 мікрон. Інше поліпшення характеристик сталі досягається шляхом обробки сталі таким чином, що уникається утворення бейнітних, перлітних і міжфазових виділень.

Description

них сталей для створення мікроструктур, що на- док так званого "самовідпуску". У цитованому ви- дають сталі особливих фізичних і хімічних власти- ще патенті США Моеб,273,968 зазначається, що востей. самовідпуску можна уникнути, якщо обмежувати

Леговані сталі високої міцності, ударної в'язко- вибір легувальних елементів так, щоб температу- сті і здатності до холодного формування, мікро- ра Ме початку утворення мартенситу була на рівні структури яких являють собою суміші мартенсит- не нижче 350"С. У деяких сплавах карбіди, утво- ної й аустенітної фаз, описані в перелічених нижче рені внаслідок самовідпуску, додають матеріалу патентах США, включених тут в усій їхній повноті ударної в'язкості, у той час як в інших сталях кар- шляхом посилання: біди цю в'язкість обмежують. 4,170,497 (Сагеш Тпотавз, Вапдаги М.М. Вао), Дислокована рейкова структура дає високомі- виданий 9 жовтня 1979 р. за заявкою від 24 серпня цну сталь, що є як в'язкою, так і ковкою - якості, що 1977р.; необхідна для забезпечення стійкості до розтріс- 4,170,499 (Сагеш Тпотавз, Вапдаги М.М. Вао), кування і достатньої здатності до формування, а виданий 9 жовтня 1979р. за заявкою від 14 верес- отже й успішного виготовлення елементів механі- ня 1978р., що частково продовжує вищезазначену чних конструкцій із цієї сталі. Одним із найбільш заявку, подану 24 серпня 1977р.; ефективних засобів одержання потрібних рівнів 4,619,714 (Сагейш Тпотав5, дає-Нжап АнНп, міцності і ударної в'язкості є регулювання мартен-

Маск-уооп Кіт), виданий 28 жовтня 1986р. за зая- ситної фази таким чином, щоб створювати дисло- вкою від 29 листопада 1984р., що частково продо- ковану рейкову, а не двійникову структуру зі збе- вжує заяку від 6 серпня 1984р.; реженими в ній тонкими плівками аустеніту, що 4,671,827 (Сагєй Тпотав5, Маск 3. Кіт, надають матеріалу ковкості і здатності до форму-

Кататоопйпу Катезі), виданий 9 червня 1987р. вання. Для того щоб отримати таку дислоковану за заявкою, поданою 11 жовтня 1985р.; рейкову мікроструктуру, а не менш бажану двійни- 6,273,968 ВІ (Саге(п Тпотав), виданий 14 сер- кову структуру, потрібно ретельно підібрати склад пня 2001р. за заявкою, поданою 28 березня 2000р. сталі, що, в свою чергу, впливає на величину М:5.

Мікроструктура відіграє ключову роль у визна- Стабільність аустеніту в дислокованій рейковій ченні властивостей легованої сталі, міцність і уда- мікроструктурі є одним із чинників, що визначають рна в'язкість якої залежить, таким чином, не тільки здатність сплаву зберігати свою ударну в'язкість, від вибору і кількості легувальних елементів, але особливо коли цей сплав працює у важких механі- також від наявних у ній кристалічних фаз та їх упо- чних і навколишніх умовах. У певних умовах аус- рядкування. Сталі, призначені для застосування у теніт є нестабільним при температурах вище при- певних навколишніх умовах експлуатації, потре- близно 300"С, схиляючись до перетворення на бують більшої міцності і пластичності, а в загаль- карбідні виділення, що роблять сплав відносно ному випадку - об'єднання в собі властивостей, крихким і знижують його здатність протистояти часто взаємносуперечливих, оскільки одні легува- механічним напругам. Ця нестабільність є однією з льні елементи, що сприяють одній властивості, проблем, що вирішуються даним винаходом. можуть погіршувати іншу властивість. Авторами було виявлено, що зерна структури

У перелічених вище патентах описані вугле- вуглецевої легованої сталі з описаною вище дис- цеві леговані сталі, мікроструктури яких склада- локованою рейковою мікроструктурою схильні ються із рейок мартенситу, що чергуються з тон- утворювати декілька ділянок в межах структури кими плівками аустеніту. У деяких випадках одного зерна, що за своєю орієнтацією відрізня- мартенсит містить дисперговані в ньому зерна ються від плівок аустеніту. Під час деформування карбідів, утворених внаслідок самовідпуску. Струк- внаслідок перетворення, що супроводжує утво- тура, в котрій рейки однієї фази розділяються тон- рення дислокованої рейкової структури, у криста- кими плівками іншої фази, зветься "дислокованою лічній структурі аустеніту на різних ділянках відбу- рейковою" структурою й утворюється процесом вається зсув у різних площинах характеристичної обробки, першою стадією якого є нагрів сплаву до для аустеніту гранецетрованої кубічної (г.ц.к.) ре- області аустеніту, за чим йде охолодження сплаву шітки. Не обмежуючись цим лише поясненням, до рівня нижче температури Ме початку утворення автори вважають, що це зумовлює утворення мар- мартенситу, тобто температури, при котрій уперше тенситної фази внаслідок зсуву в різних напрямках починає утворюватися мартенситна фаза, у тем- по зерну і утворення в результаті цього ділянок, де пературний діапазон, у котрому аустеніт перетво- аустенітні плівки орієнтовані під загальним кутом у рюється на пакети, що містять мартенситні рейки, межах кожної ділянки, але під різними кутами на розділені тонкими плівками неперетвореного, ста- різних ділянках. Кристалічна структура аустеніту білізованого аустеніту. Цей процес супроводжу- дозволяє утворюватися чотирьом таким ділянкам ється стандартною металургійною обробкою, та- з різними кутами. Внаслідок такого зосередження кою як лиття, термообробка, вальцювання і ділянок утворюються кристалічні структури, в кот- куванням, для надання виробу бажаної форми і рих аустенітні плівки мають обмежену стабіль- поліпшення структури із рейок і плівок, що чергу- ність. Слід зауважити, що самі зерна при цьому є ються між собою. Така мікроструктура є кращою за замкнутими в аустенітних оболонках по їхніх між- альтернативну їй двійникову мартенситну структу- зернинних межах, а внутрішньозернові ділянки з ру, оскільки рейкова структура має більшу ударну різними орієнтаціями аустенітних плівок не є за- в'язкість. У перелічених вище патентах також за- мкнутими в аустеніті. значається, що надлишок вуглецю на рейкових Крім того, було встановлено, що мартенситно- ділянках у процесі охолодження виділяється, аустенітні зерна з дислокованою рейковою струк- утворюючи цементит (карбід заліза РезсС) внаслі- турою, де аустенітні плівки мають єдину орієнта-

цію, можна одержувати шляхом обмеження розмі- лецю (можливо вже включеного до складу, як за- ру зерна величиною 10 мікронів і що вуглецеві значено вище), азоту, марганцю, нікелю, міді і цин- леговані сталі з такими зернами мають більшу ку. Особливо кращими серед цих аустеніт- стабільність після обробки їх високими температу- стабілізуючих елементів є марганець і нікель. При рами і механічним деформуванням. Таким чином, наявності ніселю концентрація його в кращому об'єккгом даного винаходу є вуглецеві леговані варіанті лежить у межах, приблизно, від сталі, що містять зерна з дислокованою рейковою 0,25905(мас.) до 59о(мас), а при наявності марганцю мікроструктурою, кожна з яких має свою, відмінну концентрація останнього лежить у межах, прибли- від інших орієнтацію аустенітних плівок, тобто ко- зно, від 0,2590(мас.) до б9о(мас). У багатьох випад- жне зерно являє собою один єдиний варіант дис- ках здійснення даного винаходу як легувальний локованої рейкової мікроструктури. елемент використовують також хром, концентра-

Об'єктом даного винаходу є також спосіб оде- цію якого бажано витримувати в межах, приблиз- ржання таких мікроструктур шляхом витримування но, від 0,595(мас.) до 1296(мас). Отже наявність і (аустенізації) композиції сплаву при температурі, вміст кожного з легувальних елементів може що цілком переводить залізо в аустенітну фазу, а впливати на температуру початку мартенситного всі легувальні елементи - в розчин, з наступною за перетворення сплаву і, як зазначено вище, прида- цим деформацією аустенітної фази при витриму- тними для застосування згідно з даним винаходом ванні цієї фази при температурі, трохи вищій тем- є сплави, температура початку мартенситного пе- ператури рекристалізації її аустеніту, для утво- ретворення яких складає принаймні 350"7С. Відпо- рення дрібних зерен розміром до 10 мікронів. відно до цього, добір легувальних елементів та їх

Слідом за цим йде швидке охолодження аустеніт- кількостей потрібно робити, враховуючи це обме- ної фази до температури початку мартенситного ження. Легувальним елементом, що в найбільшо- перетворювання на дислоковану рейкову мікро- му ступені впливає на температуру початку мар- структуру. При цьому останню стадію охолоджен- тенситного перетворення, є вуглець, і обмеження ня у кращому варіанті проводять зі швидкістю, вмісту вуглецю максимальним рівнем 0,3595(мабс.) достатньо великою для того, щоб уникнути утво- у загальному випадку забезпечує обмеження тем- рення бейніту і перліту, а також будь-яких виділень ператури початку мартенситного перетворення уздовж меж між фазами. Утворювана в результаті бажаним діапазоном. До складу сталі можуть бути мікроструктура складається із індивідуальних зе- включені також інші легувальні елементи, такі як рен, обмежених оболонками аустеніту, де кожне молібден, титан, ніобій та алюміній, у кількостях, зерно має одноваріантну орієнтацію дислокованих достатніх для того, щоб служити як центри зарод- рейок, а не багатоваріантну орієнтацію, що обме- коутворення і одержання дрібнозернистої структу- жує стабільність аустеніту. Підходящими для ви- ри, але в достатньо малих концентраціях, щоб не користання в даному винаході композиціями спла- впливати негативно на властивості виробленого за вів Є такі що дозволяють утворюватися їх участі сплаву. дислокованій рейковій структурі при обробці опи- Кращі сплави згідно з даним винаходом, крім саного типу. Легувальні елементи та їх кількості в того, практично не містять карбідів. Вираз "практи- цих композиціях вибираються в розрахунку на чно не містять карбідів" тут означає, що в разі фа- одержання температури Ме початку мартенситного ктичної наявності в сталі певного вмісту карбідів перетворення на рівні принаймні З00"С, і краще, розподіл і кількість цих виділень є такими, що кар- якщо принаймні 35070. біди чинять зневажливо малий вплив на робочі

Фіг.1. Мікроструктура відомих сплавів. характеристики і, особливо, на корозійні характе-

Фіг.2. Мікроструктура сплавів за даним вина- ристики виробленого сплаву. В разі їх наявності ходом. карбіди існують у формі виділень, включених у

Для забезпечення можливості утворення дис- кристалічну структуру, і негативний вплив їх на локованої рейкової мікроструктури композиція робочі характеристики сплаву буде зведений до сплаву повинна бути такою, щоб її температура Ме мінімуму, якщо розмір цих виділень не буде пере- складала приблизно 300"С і вище, а в кращому вищувати 500А. Особливо бажаним є уникнути варіанті - приблизно 350" і вище. Серед легува- виділень уздовж міжфазових меж. льних елементів, які в загальному випадку всі Як зазначалося вище, мартенситно-аустенітні впливають на М»5, найсильніше на М:5 діє вуглець, і зерна з одноваріантною дислокованою рейковою для обмеження Мо бажаним рівнем можна просто мікроструктурою, тобто з рейками мартенситу і обмежити вміст вуглецю в сплаві максимальним плівками аустеніту, орієнтованими в межах одного рівнем 0,3595(мас). У кращих варіантах здійснення зерна в єдиному напрямку, утворюються шляхом винаходу вміст вуглецю лежить у межах, приблиз- зменшення розміру зерна до 10 мікронів і менше. но, від 0,0395(мас.) до 0,3595(мас), а в ще кращих - У кращому варіанті розмір зерна лежить у межах, приблизно від 0,0595(мас.) до 0,33905(мас). приблизно, від 1 мікрона до 10 мікронів, а в най-

Бажано також, щоб композиція сплаву виби- кращому - в межах, приблизно, від 5 мікронів до 9 ралася в розрахунку на уникнення утворення фе- мікронів. риту під час початкового охолодження сплаву від Хоча даний винахід поширюється на сплави з аустенітної фази, тобто уникнення утворення зе- описаною вище мікроструктурою незалежно від рен фериту перед подальшим охолодженням аус- металургійної обробки, застосовуваної для одер- теніту для утворення дислокованої рейкової мікро- жання такої мікроструктури, все ж певні способи структури. Бажано також до композиції сплаву обробки є згідно з даним винаходом кращими. До включати один і більше легувальних елементів із числа кращих способів обробки належить, переду- групи стабілізації аустеніту, що складається із вуг- сім, комбінування підходящих компонентів, потріб-

них для виготовлення сплаву бажаного складу, параграфі, потім знов нагрівають до температури слідом за чим стоїть гомогенізація (томління) сталі поблизу або трохи нижче температури рекристалі- протягом часу і при температурі, достатніх для зації аустеніту, після чого ще раз гартують для одержання однорідної аустенітної структури з усі- одержання або повернення до дислокованої рей- ма елементами і компонентами у стані твердого кової мікроструктури. Температура повторного розчину. При цьому використовувана температура нагріву лежить у межах, переважно, 507С від тем- повинна бути вищою температури рекристалізації ператури рекристалізації аустеніту і складає, на- аустеніту, яка може залежати від складу вихідного приклад, приблизно 8707С. матеріалу і, в загальному випадку, легко визнача- У кращих варіантах здійснення винаходу ста- тися фахівцями в даній галузі. Кращі результати дію гартування в усіх описаних вище процесах більшою частиною досягаються, якщо томління проводять зі швидкістю охолодження, достатньо проводять при температурах у межах від 105070 великою для того, щоб уникнути утворення карбід- до 120070. У разі потреби вироблюваний сплав них виділень, таких як бейніт і перліт, а також ніт- може при цій температурі піддаватися обробці ридних і карбонітридних виділень, залежно від вальцюванням, куванням або тій та іншій. складу сталі, як і утворення будь-яких виділень

По завершенню гомогенізації сплав піддають уздовж міжфазових меж. Використовувані тут тер- комбінованій обробці охолодженням і зменшенням міни "міжфазове виділення" і "міжфазові виділен- зерна до бажаного розміру, який згідно із зазначе- ня" означають виділення уздовж меж фаз і стосу- ним вище становить 10 мікронів або менше, при- ються утворення дрібних включень сполук у місцях чому кращими є якомога вужчі діапазони розміру між мартенситною й аустенітною фазами, тобто зерна. Зменшення розміру зерна може проводити- між рейками і тонкими плівками, що розділяють ці ся постадійно, але завершальне зменшення зерна рейки. Термін "міжфазові виділення" до самих аус- звичайно досягається при проміжній температурі, тенітних плівок відношення не мають. Утворення що є вищою, але при цьому близькою до темпера- всіх цих різноманітних типів виділень, включаючи тури рекристалізації аустеніту. У кращому варіанті бейнітні, перлітні, нітридні і карбонітридні виділен- здійснення цього процесу сплав спочатку піддають ня, а також міжфазові виділення, узагальнені тут вальцюванню (тобто динамічній рекристалізації) під назвою "самовідпуск". при температурі гомогенізації, після чого його охо- Мінімальні швидкості охолодження, потрібні лоджують до проміжної температури і знов валь- для уникнення явища самовідпуску, легко визна- цюють для подальшої динамічної рекристалізації. чаються за діаграмою "температура перетворення

Для вуглецевих легованих сталей за даним вина- - час" для даної сталі. Уздовж вертикальної осі цієї ходом ця проміжна температура в загальному ви- діаграми відкладена температура, а уздовж гори- падку лежить між температурою рекристалізації зонтальної осі - час. Криві такої діаграми окрес- аустеніту і температурою на 50"С вище темпера- люють області, де кожна з фаз існує сама по собі тури рекристалізації аустеніту. Для зазначених або у сполученні з іншою фазою або фазами. Діа- вище кращих складів вихідного матеріалу темпе- грами такого типу показані в цитованому вище ратура рекристалізації аустеніту становить, приб- патенті США Моб,273,968 ВІ (Тпотав5). На таких лизно, 900"С, а температура, до котрої сталь охо- діаграмах мінімальна швидкість охолодження лоджується на цій стадії лежить у межах, окреслює діагональну лінію зниження температури приблизно, від 9007С до 950"С, а в найкращому в часі, яка прилягає до лівої сторони С-подібної варіанті - в межах, приблизно, від 9007С до 92576. кривої. Справа від цієї кривої лежить область ная-

Динамічна рекристалізація при цьому здійснюєть- вності карбідів. Отже прийнятні швидкості охоло- ся за допомогою таких звичайних засобів, як конт- дження проходять по лініях, що залишаються злі- рольоване вальцювання, кування або те й інше. ва від кривої, причому лінія найнижчої швидкості

Зменшення зерна при вальцюванні досягає 1095 і має найменшу крутизну і прилягає до кривої. більше і в більшості випадків складає, приблизно, Залежно від композиції сплаву швидкість охо- від 3095 до 60905. лодження, достатньо велика для задоволення

Після того, як досягається бажаний розмір зе- зазначеної вимоги, може потребувати для її досяг- рна, сплав піддають гартуванню від температури нення охолодження водою або досягатися при вище температури рекристалізації аустеніту до М5 охолодженні повітрям. У загальному випадку якщо через область мартенситного перетворення крис- вміст певних легувальних елементів у складі сталі, талів аустеніту на дислоковану пакетну рейкову що охолоджується повітрям і має достатньо висо- мікроструктуру. Утворювані при цьому пакети є ку швидкість охолодження, є зниженим, то для приблизно такого самого малого розміру, що й утримання здатності сталі до охолодження повіт- зерна аустеніту, утворені на стадіях вальцювання, рям потрібно піднімати рівні інших легувальних але аустеніт, що залишився в цих зернах, має фо- елементів. Наприклад, зниження вмісту одного з рму тонких плівок, що подібно оболонці охоплю- таких легувальних елементів, як вуглець, хром або ють кожне зерно. Як зазначалося вище, малий кремній, може компенсуватися підвищенням рівня розмір зерна дозволяє лише на один варіант оріє- такого елементу, як марганець. Проте, які б регу- нтації тонкоплівкового аустеніту. лювання тих чи інших легувальних елементів не

Окрім методу динамічної рекристалізації, зме- проводилися, кінцевий склад композиції сплаву ншення розміру зерна може здійснюватися шля- повинний бути таким, при якому температура Ме хом подвійної термообробки, при котрій бажаний була б вищою рівня 300"С, а в кращому варіанті - розмір зерна досягається за допомогою тільки вищою рівня 35070. термічної обробки. При застосуванні цього спосо- Способи й умови обробки, зазначені в цитова- бу сплав гартують, як описано у попередньому них вище патентах США, можуть використовува-

тися при практичному здійсненні даного винаходу технічних рішень. На Фіг.1 показане зерно 11, що на таких стадіях, як нагрів вихідного матеріалу до має дислоковану рейкову структуру згідно з попе- аустенітної фази, охолодження сплаву при конт- реднім рівнем техніки. Це зерно містить чотири рольованому вальцюванні або куванні, для досяг- внутрішні ділянки 12, 13, 14 і 15, кожна з яких нення бажаного обтиску і розміру зерна і на стадії складається із дислокованих рейок 16 мартенситу, гартування аустенітних зерен в області мартенси- розділених тонкими плівками 17 аустеніту, де аус- тного перетворення для одержання дислокованої тенітні плівки кожної з ділянок мають орієнтацію, рейкової структури. До числа цих процесів нале- відмінну від орієнтації аустенітних плівок інших жать лиття, термообробка і гаряча механічна об- ділянок (тобто є різноваріантними). Отже, в цій робка сплаву, наприклад, кування або вальцюван- дислокованій рейковій мікроструктурі суміжні діля- ня, і фінішна обробка при контрольованій нки мають розривність. Зовні зерно охоплюється температурі для оптимального зменшення розміру аустенітною оболонкою 18, а межі між ділянками зерна. Контрольоване вальцювання несе декілька 19 (показані штриховими лініями) не зайняті будь- функцій, включаючи сприяння дифузії легувальних якою дискретною кристалічною структурою виді- елементів для утворення гомогенної кристалічної лень і не дають картини чіткого переходу від одно- фази аустеніту і сприяння зберіганню енергії де- го варіанта до іншого. формації в зернах. На стадіях гартування контро- На Фіг.2 відображені два зерна, 21 і 22, за да- льоване вальцювання заводить заново створюва- ним винаходом, кожне з яких складається із дис- ну мартенситну фазу в дислоковане локованих рейок 23 мартенситу, розділених тон- упорядкування мартенситних рейок, розділених кими плівками 24 аустеніту лише в одному варіанті тонкими плівками залишкового аустеніту. Ступінь орієнтації останніх, і має також зовнішню аустеніт- обтиску при вальцюванні може бути різним і легко ну оболонку 25. Орієнтація одного зерна 21 відріз- визначається фахівцем. Гартування бажано про- няється від орієнтації іншого зерна 22, але в кож- водити за якомога вищої швидкості охолодження ному зерні вона має лише один варіант. для уникнення бейнітних, перлітних і міжфазових Все викладене вище має виключно ілюстрати- виділень. У дислокованих мартенситно- вне призначення і жодним чином не обмежує ін- аустенітних рейкових кристалах залишкові аусте- ших варіантів і модифікацій різноманітних параме- нітні плівки повинні складати, приблизно, від 0,590 трів вихідного матеріалу, а також способів і умов до 1595 об'єму мікроструктури, краще - від 395 до обробки, що можуть бути втілені фахівцями в да- 1095, і найкраще - максимум 595 об'єму мікрострук- ній галузі в рамках базової і нової концепцій дано- тури. го винаходу, окреслених наведеною нижче його

Порівняння Фіг.1 і 2 дозволяє наглядно ілюст- формулою. рувати відмінність даного винаходу від попередніх

Фіг, 1 19 х 14 що К Фіг. 2 2 ах 22 18 й ї Б 54 а Кл 23

Ї 23 4/ е---я 24 іш І т в, вка " /р 25

Комп'ютерна верстка 0. Гапоненко Підписне Тираж 26 прим.

Міністерство освіти і науки України

Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна

ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601