Патент на изобретение №2296810

(54) КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к легированным сталям для корпусов бронебойных снарядов. Предложена конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,46-0,60, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,80, хром 0,80-2,00, молибден 0,15-0,30, алюминий более 0,1-0,15, титан 0,05-0,10, бор 0,001 – менее 0,003 или более 0,005-0,006, железо – остальное. Предложенное техническое решение позволило упрочнить сталь до уровня показателей, обусловленных техническими требованиями эксплуатации по бронепробиванию, при этом обеспечено повышение технологичности изготовления корпусов снарядов. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а более конкретно к легированным сталям, которые предназначены для изготовления бронебойных снарядов.

Уровень данной области техники характеризует конструкционная сталь марки 53ХМЮ по ГОСТ 10230-75, которая содержит в мас.%: 0,49-0,55 углерода, 0,17-0,37 кремния, 0,50-0,80 марганца, 1,0-1,4 хрома, 0,15-0,30 молибдена, 0,07-0,15 алюминия, остальное – железо.

Корпуса бронебойных снарядов, изготовленные резанием из прутка, после термообработки закалкой имеют предел прочности _в до 2000 МПа и предел текучести ₀₂ в пределах 1700-1800 МПа.

Недостатком указанной стали являются ограниченные возможности структуры и состава для повышения прочностных характеристик корпусов бронебойных снарядов, изготовленных из нее, то есть показателей назначения боеприпасов.

Известна конструкционная сталь, описанная в JP 59-123716, С21D 9/08, 8/10, 1984 г., которая по большинству совпадающих признаков выбрана в качестве наиболее близкого аналога предложенной.

Известная конструкционная сталь, предназначенная для изготовления труб, характеризуется улучшением механических свойств за счет пластической деформации в сочетании с термобработкой и содержит следующие компоненты (мас.%): 0,15-0,80 углерод, 0,1-1,0 кремний, 0,3-2,0 марганец, 0,1-3,0 хром, 0,1-1,0 молибден, 0,001-0,100 алюминий, 0,0003-0,0050 бор, 0,01-0,15 титан и железо – остальное (при наличии легирующих добавок ванадия, ниобия и циркония).

Недостатком известной конструкционной стали является то, что не представляется возможным серийное изготовление из нее корпусов бронебойных снарядов из-за низких прочностных свойств на нижнем пределе содержания углерода (0,15-0,46 мас.%), когда сталь имеет неудовлетворительную твердость после закалки, при которой происходит трещинообразование, если содержание углерода находится в диапазоне 0,60-0,80 мас.%.

Количественное содержание компонентов этой стали обеспечивает максимальную твердость материала 52-53 HRC, что ниже технических требований технических по условиям эксплуатации снаряда, имеющего повышенное бронепробивание.

Кроме того, дополнительное содержание в составе стали дорогостоящих ванадия, ниобия и циркония, которые улучшают структуру и измельчают зерно, усложняет промышленную технологию ее изготовления, но при этом бронепробивание снарядов не повышается.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является улучшение, за счет оптимизации количественного состава, технологичности стали в переработке для серийного изготовления корпусов бронебойных снарядов, имеющих повышенные показатели назначения.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известной конструкционной стали, содержащей железо, углерод, кремний, марганец, хром, молибден, алюминий, титан и бор, компоненты содержатся в следующем соотношении (мас.%):

Отличительные признаки обеспечили повышение прочностных характеристик корпусов бронебойных снарядов из предложенной стали до требований чертежа и технических условий Заказчика после упрочняющей термообработки (закалки и отпуска), гарантированно во всем диапазоне количественного содержания ее структурных компонентов, а также улучшена технологичность ее серийного производства и механической обработки резанием.

При содержании углерода ниже 0,46 мас.% не достигается заданный уровень прочности материала после закалки, что снижает бронепробивание снарядов из новой стали.

При содержании углерода выше 0,60 мас.% в материале образуются закалочные трещины, снижающие механические характеристики стали.

Уменьшение доли содержания кремния обеспечило снижение твердости и прочности феррита в сплаве, что в итоге улучшает ее обрабатываемость резанием.

Максимальное содержание марганца в стали ограничено 0,80 мас.%, потому что при более высоком содержании (в диапазоне 0,80-1,50 мас.%) резко ухудшаются условия резания, вызывая повышенный расход дорогостоящего инструмента.

Минимальное содержание марганца 0,50 мас.% обеспечивает полное раскисление стали при выплавке.

Хром введен в оптимальном для промышленной технологии выплавки стали диапазоне содержания.

При этом содержание хрома ниже 0,80 мас.% не обеспечивает сквозного прокаливания монолитных корпусов снарядов, а при содержании хрома более 2,00 мас.% образуются трудно растворимые карбиды, охрупчивающие сталь.

Минимальное содержание молибдена выбрано в виде нижнего технологического предела 0,15 мас.%, меньше которого в стали при закалке образуются продукты диффузионного распада аустенита (тростит и сорбит), прочность которых уступает прочности мартенсита, в результате чего не обеспечивается заданный уровень прочностных характеристик и требуемое бронепробивание снарядов.

Повышение содержания молибдена более 0,30 мас.% не целесообразно, так как не улучшает прочностных характеристик стали.

Содержание алюминия в пределах более 0,1-0,15 мас.% определено полным раскислением стали для повышения условного предела текучести и увеличения прочности бронебойных снарядов, что не обеспечивается в известном аналоге при содержании алюминия в диапазоне 0,001-0,1 мас.%.

Для расширения технологических возможностей термообработки стали содержание в ней бора оптимизировано в диапазоне менее 0,001-0,003 мас.% или более 0,005-0,006 мас.%, когда он полностью растворяется в твердом растворе без образования соединений, охрупчивающих сталь.

При содержании бора менее 0,001 мас.% не обеспечивается сквозная прокаливаемость стали, а при содержании бора более 0,006 мас.% образуются бориды железа, ухудшающие технологичность производства стали, которая охрупчивается после термообработки.

Содержание титана, необходимой технологической добавки для связывания азота, предотвращающей перевод бора в нитриды, расширено в диапазоне 0,05-0,10 мас.%.

При содержании титана менее нижнего предела оптимизированного для промышленной технологии диапазона не весь азот связывается, что снижает эффективность действия бора на прокаливаемость монолитных корпусов снарядов, уменьшая их прочность.

При введении в твердый раствор титана более 0,10 мас.% образуются крупные частицы нитридов титана, снижающие пластичность стали.

Содержание структурных компонентов в стали рассчитано по математической модели планирования эксперимента и проверено на опытных плавках при изготовлении опытной партии бронебойных снарядов, которые характеризуются следующими прочностными свойствами материала, полученными после закалки и отпуска полуфабрикатов: предел прочности (_в)=2200-2400 МПа, а предел текучести (₀₂)=1850-2000 МПа, что на 8-10% выше, чем у снарядов из известной стали в термообрабатываемом диапазоне содержания углерода. При этом соответственно увеличилась бронепробивание этих снарядов, твердость которых соответствует чертежным значениям 54-58 HRC.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть техническая задача в изобретении решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков. Изобретение иллюстрируется примерами выполнения стали для корпусов бронебойных снарядов, содержание компонентов которой варьировалось в пределах заявленных диапазонов и за граничными значениями.

Характерные составы стали приведены в таблице.

Таблица.
состав компонент	содержание, мас.%
	1	2	3	4	5	6
углерод	0,60	0,45	0,60	0,60	0,60	0,55
марганец	0,60	0,45	0,80	0,80	0,90	0,80
кремний	0,30	0,20	0,15	0,40	0,30	0,35
хром	0,78	2,00	0,80	2,00	2,10	1,00
молибден	0,15	0,30	0,20	0,30	0,20	0,20
алюминий	0,15	0,15	0,10	0,15	0,15	0,10
титан	0,08	0,01	0,10	0,12	0,10	0,05
бор	0,0008	0,002	0,006	0,003	0,005	0,006
железо	остальное
Прочностные характеристики
в, МПа	2150	2100	2180	2150	2200	2200
02, МПа	1750	1700	1650	1750	1650	1850

Из таблицы следует экспериментальное подтверждение, что сталь состава №6 с оптимизированным долевым содержанием компонентов имеет технологические свойства при изготовлении корпусов бронебойных снарядов с заданными механическими характеристиками, обеспечивающими эффективность применения по назначению.

Бронепробивание снарядов из стали по изобретению, сравнительно с прототипом, повысилась на 23%.

При выходе за установленные пределы диапазонов содержания одного или нескольких компонентов в стали выбранного качественного состава (№№1-5) не достигаются показатели назначения изделий и/или технологические свойства стали неприемлемы для практического использования в серийном производстве боеприпасов.

Технологические свойства составов.

Состав 1 – повышенный процент брака при закалке.

Состав 2 – недостаточные твердость и прочность.

Состав 3 – охрупчивание стали, снижается предел текучести.

Состав 4 – ухудшается механическая обрабатываемость.

Состав 5 – сталь охрупчивается после закалки, ухудшается механическая обрабатываемость резанием.

Состав 6 – соответствует требованиям чертежа и условиям эксплуатации бронебойных снарядов.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по боеприпасам, показал, что оно не известно, а с учетом возможности практической реализации стали в условиях серийного производства бронебойных малокалиберных снарядов можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Формула изобретения

Конструкционная сталь, содержащая железо, углерод, кремний, марганец, хром, молибден, алюминий, титан и бор, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

или более0,005-0,006