Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ С ПОВЫШЕННОЙ ДЕФОРМИРУЕМОСТЬЮ ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным комплекснолегированным сталям, закаливающимся на воздухе, и может быть использовано при производстве осесимметричных деталей, работающих под давлением.

Высокопрочная сталь с повышенной деформируемостью после закалки может применяться для осуществления термомеханической обработки на прочность 170-180 кгс/мм² путем деформации после закалки и отпуска.

Известна комплекснолегированная сталь марки 28Х3СНМ1ФА ТУ АД И 543-2002, содержащая, мас.%: углерод 0,26-0,31; марганец 0,50-0,80; кремний 0,90-1,20; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром 2,80-3,20; никель 0,90-1,20; молибден 0,75-0,85; ванадий 0,05-0,15; медь не более 0,15.

Данная композиция не обеспечивает требуемые параметры деформируемости после закалки, так как даже после отпуска 700°С характеристика пластичности ее по относительному удлинению δ₅ не превышает 12% (см. фиг.1). Поэтому она не может использоваться для изготовления деталей термомеханическим упрочнением как с точки зрения пластичности, так и с точки зрения накопления при холодной деформации внутренних напряжений, которые могут приводить материал к разрушению непосредственно при деформации.

Известна также сталь 18Х2Н4МА ГОСТ 4543-71, имеющая химический состав, мас.%: углерод 0,14-0,20; марганец 0,25-0,55; кремний 0,17-0,37; хром 1,35-1,65; никель 4,00-4,40; молибден 0,30-0,40; сера не более 0,025; фосфор не более 0,025; медь не более 0,030.

Указанная сталь применяется для изготовления ответственных деталей, к которым предъявляются требования высокой вязкости и износостойкости однако относительное удлинение δ₅ в диапазоне отпуска при температурах 200-500°С не поднимается выше 12%, при отпуске 600°С - выше 19%, но при этом временное сопротивление разрыву σ_в становится равным 94 кгс/мм², что не позволяет обеспечить требуемую прочность после деформации на уровне 170 кгс/мм².

Наиболее близкой по характеристикам является сталь марки 12Х3ГНМФБА по патенту РФ №2104325, С22С 38/48, опубл. 10.02.1998 г.), принятая авторами за прототип, имеющая следующий химический состав, мас.%: углерод 0,12-0,24; марганец 0,80-1,20; кремний 0,20-0,50; хром 2,90-3,40; никель 0,9-2,0; молибден 0,25-0,90; ванадий 0,03-0,15; ниобий 0,02-0,05; кальций 0,005-0,030; железо - остальное.

Указанный состав высокопрочной стали обеспечивает при всех температурах отпуска высокое относительное удлинение δ₅=16…20% и свидетельствует о высокой ее деформируемости после закалки и отпуска.

Недостатком данной стали является уменьшенное значение временного сопротивления разрыву при пониженном содержании легирующих элементов в рамках широкого интервала значений.

Общими признаками с предлагаемой авторами сталью являются содержание в ней углерода, кремния, хрома, марганца, никеля, молибдена, ванадия, остальное - железо.

В отличие от прототипа предлагаемая авторами высокопрочная сталь с повышенной деформируемостью после закалки содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,18-0,24; марганец 1,00-1,30; кремний 0,20-0,40; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; хром 2,90-3,20; медь не более 0,25; никель 2,20-2,50; молибден 0,70-0,90; ванадий 0,15-0,20, при этом остаток составляет железо и неизбежные примеси.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны во всех случаях, достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокопрочной стали с повышенной деформируемостью после закалки, закаливаемой на воздухе с последующей термомеханической обработкой и получением готовой детали с временным сопротивлением разрыву σ_в не ниже 170 кгс/мм² при сохранении δ₅ не ниже 6%.

Новая совокупность признаков изобретения позволяет получить сталь с повышенной деформируемостью после закалки и термомеханической обработки при температуре 450-600°C с улучшенной структурой и повышенной способностью к деформируемости.

Составы, режимы термической обработки, свойства стали после термической обработки и различных степеней деформации ротационной вытяжкой представлены в табл.1, 2, 3.

Как видно из табл.3, в результате термомеханической обработки известного технического решения (прототип) при исходной прочности стали 129 кгс/мм² (температура отпуска 450-500°С, степень деформации 60-80%) достигается прочность выше 170 кгс/мм², однако, при этом относительное удлинение δ₅ не превышает 6%, что приводит к охрупчиванию материала и разрушению детали с фрагментацией, что является не допустимым.

В предлагаемом техническом решении (сталь 22Х3ГН2М1ФА) при исходной прочности 142 кгс/мм² (температура отпуска 550°С) требуемую прочность достигают при степени деформации 60% и пластичности δ₅ на уровне 10,2%.

Таким образом, вышеуказанные признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизны».

Пример.

Заявляемую сталь 22Х3ГН2М1ФА производили на металлургическом заводе в 12-тонной дуговой электропечи, при этом было выплавлено 2 плавки с химическим составом 2 и 3, указанными в табл.1.

Сталь разливали в изложницы для получения слитка массой 13,5 т. Далее слитки выдерживали в изложницах и направляли в кузнечный цех.

Перед ковкой слиток нагревали в печи. Ковку слитка проводили на гидравлическом прессе в 3 этапа с подогревом поковки после каждого этапа.

Заготовки охлаждали на воздухе, затем подвергали высокому отпуску 720-740°С.

Оценка качества трубной заготовки по механическим свойствам показала на образцах, подвергнутых термической обработке (закалка с температуры 880°С, отпуск 400-550°С), значения, указанные в табл.4.

Из результатов табл.4 видно, что временное сопротивление разрыву σ_в соответствует 143-150 кгс/мм² при получении относительного удлинения δ₅, равного 12,0-13,1%, при хорошем запасе ресурса деформируемости стали после закалки, исходя из соотношения σ₀₂/σ_в, равного 0,83-0,87.

Затем трубную заготовку из стали 22Х3ГН2М1ФА диаметром 440 мм и длиной 5810 мм отправили для изготовления тонкостенной трубы на трубопрокатный агрегат ТПА "159-426" Волжского трубного завода.

Результаты контроля качества полученных труб по механическим свойствам после закалки и отпуска при 550°С представлены в табл.5.

Из полученной трубы методом ротационной вытяжки изготовили осесимметричные тонкостенные детали. Термомеханическую обработку вели по схеме: калибровка, предварительная механическая обработка, закалка + отпуск, механическая обработка под ротационную вытяжку, I ротационная вытяжка + II ротационная вытяжка + отжиг, уменьшающий напряжения. Партию деталей испытали на прочность до разрушения, при этом давление разрушения составило 316-331,4 кгс/см², вместо 270 кгс/см² (см. фиг.1). Проведенный контроль механических свойств показал, что временное сопротивление разрыву σ_в составило 175-185 кгс/мм², а относительное удлинение δ₅ - 8-10%.

Таким образом, полученные данные по изготовлению опытной партии осесимметричных деталей подтверждают возможность их изготовления из заявленной стали с повышенной деформируемостью после закалки термомеханическими методами обработки.