Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству высокотвердого износостойкого листового проката для тяжелой подъемно-транспортной техники.

Горячекатаные листы, используемые при изготовлении сварных металлоконструкций транспортных и горнодобывающих машин, должны обладать высокой прочностью и твердостью, чтобы выдерживать интенсивный износ в течение длительного ударного и абразивного воздействия, и достаточной вязкостью, чтобы подвергаться гибке без растрескивания. Требуемый комплекс свойств горячекатаных листов в состоянии поставки приведен в табл. 1.

Известна износостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, ванадий, кальций, алюминий, ниобий, титан, редкоземельные металлы (РЗМ), железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,25-0,60; кремний 0,10-1,50; марганец 0,20-1,30; хром 0,30-1,90; никель 0,70-2,0; медь не более 0,45; молибден 0,10-0,90; ванадий 0,001-0,40; кальций 0,0001-0,01; алюминий 0,005-0,10; ниобий 0,001-0,20; титан 0,001-0,20; РЗМ 0,0001-0,005; железо и неизбежные примеси остальное (Патент РФ №2546262, C22C 38/50, опубл. 10.04.2015, Бюл. №10).

Изделия, изготовленные из данной стали, имеют предел прочности σ_в не менее 1300 Н/мм², относительное удлинение δ₅ не менее 12%, ударную вязкость KCU не менее 105 Дж/см² и твердость по Бринеллю в пределах 380-422 НВ.

Известна низкоуглеродистая легированная сталь высокой обрабатываемости резанием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, олово и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,13-0,21; кремний 0,17-0,37; марганец 0,70-1,10; хром 0,80-1,10; никель 0,80-1,10; олово 0,05-0,30; железо основа. Дополнительно ограничено содержание вредных примесей, мас. %: серы - не более 0,025, фосфора - не более 0,025, меди - не более 0,20. Отношение содержания олова к содержанию меди находится в пределах от 0,3 до 6, а суммарное содержание серы и олова не превышает 0,31 мас. % (Патент РФ №2507293, C22C 38/40, опубл. 20.02.2014, Бюл. №5).

Изделия, изготовленные из данной стали, имеют предел текучести σ_т не менее 1290 Н/мм², предел прочности σ_в не менее 1318 Н/мм², относительное удлинение δ₅ не менее 6,2%, ударную вязкость KCU не менее 61 Дж/см², производительность обработки давлением не менее 0,93 и обрабатываемость резанием не менее 0,94.

Недостаток известных изобретений состоит в том, что разливка стали с содержанием как РЗМ, так и олова приводит к зарастанию и быстрому износу погружных стаканов МНЛЗ, а изделия, изготовленные из указанных сталей, имеют низкие вязкостные свойства и недостаточную твердость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства листовой стали с высокой износостойкостью, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск. Сталь содержит мас.%: углерод 0,14-0,19; кремний 0,17-0,37; марганец 1,1-1,6; ванадий 0,06-0,12; хром 0,7-1,1; никель 0,5-1,0; молибден 0,20-0,35; алюминий 0,02-0,06; титан 0,02-0,05; бор 0,001-0,005; кальций 0,002-0,030; сера не более 0,008; фосфор не более 0,015; железо остальное. Нагрев слябов производят до температуры 1280°C, температуру конца чистовой прокатки устанавливают не выше 800°C, закалку водой осуществляют за два этапа, причем вначале от температуры 940-970°C, после чего листы повторно нагревают и закаливают от температуры 840-870°C, а отпуск осуществляют при температуре 500-560°C (Патент РФ №2533469, МПК C21D 8/02, C22C 38/54, C22C 38/58, опубл: 20.11.2014, Бюл. №32).

Недостаток прототипа состоит в том, что двойная закалка приводит к повышенному расходу энергоносителей и высоким затратам на термообработку, что увеличивает себестоимости производства стали.

Технический результат изобретения состоит в достижении необходимых прочностных свойств и твердости низколегированной толстолистовой стали при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости при помощи однократной закалки и отпуска.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе производства листовой стали с высокой износостойкостью, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов и их закалку водой в отличие от ближайшего аналога непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас .%:

При этом нагрев слябов производят в интервале температур 1180-1250°C, температуру конца чистовой прокатки устанавливают не выше 960°C, закалку, в том числе с прокатного нагрева, осуществляют при температуре 920-970°C. Для снятия внутренних напряжений после закалки проводят отпуск при температуре 150-250°C.

Сущность изобретения состоит в том, что конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются ее химическим составом, температурными режимами прокатки, а также температурными режимами закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых факторов, добиваясь стабильного получения заданного уровня твердости толстолистовой стали при сохранении достаточно высоких показателей пластичности и вязкости.

Содержание углерода в стали предложенного состава определяет ее прочность. При концентрации углерода менее 0,17% не достигается требуемая прочность и твердость стали. Увеличение содержания углерода более 0,28% ухудшает пластические и вязкостные свойства листовой стали.

При содержании кремния менее 0,10% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность листового проката. Увеличение содержания кремния более 0,30% приводит к возрастанию количества силикатных включений, что снижает ударную вязкость металла.

Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 0,75% прочность и твердость стали недостаточны. Увеличение содержания марганца более 1,50% приводит к снижению ударной вязкости предлагаемой стали.

Хром повышает прочность стали. При его концентрации менее 0,60% прочностные свойства не достигают требуемых значений. Увеличение содержания хрома более 1,20% приводит к потере пластичности.

Никель способствует повышению пластических и вязкостных свойств листовой стали при пониженных температурах эксплуатации. При содержании никеля менее 0,60% показатели пластичности и ударной вязкости снижаются, уменьшается выход годного. При содержании никеля более 1,20% происходит интенсивная коалесценция карбидов и их рост до размеров, снижающих положительное влияние никеля на пластичность. Кроме того, в микроструктуре реечного мартенсита повышается содержание остаточного аустенита, что дополнительно снижает пластичность и повышает склонность стали к хрупкому разрушению.

Добавление молибдена в указанном диапазоне способствует получению требуемых прочностных характеристик стали, а также улучшает ее прокаливаемость. При содержании молибдена менее 0,20% прочностные свойства стали не достигают требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.

Содержание ванадия более 0,10% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование. При содержании ванадия менее 0,04% прочностные свойства стали ниже требуемого уровня.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,02% снижается комплекс механических свойств листового проката. Увеличение его концентрации более 0,08% приводит к ухудшению вязкостных свойств горячекатаных листов.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0,001% - вопросами технологичности производства.

Добавление меди в пределах 0,01-0,10% повышает прочность и коррозионную стойкость стали. Большее содержание меди экономически нецелесообразно.

Добавки ниобия в указанных пределах служат целям дисперсионного упрочнения, а также препятствуют росту аустенитного зерна и способствуют появлению при охлаждении субзеренной структуры, закрепляемой и стабилизируемой дисперсными карбидными частицами. При содержании ниобия менее 0,001% не обеспечивается достаточное упрочнение. Увеличение содержания ниобия более 0,020% экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,002% не обеспечивается достаточное упрочнение. Повышение содержания титана сверх 0,040% приводит к снижению вязкостных свойств металла.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор, добавляемый в пределах 0,001-0,005%, значительно повышает прокаливаемость стали, способствуя образованию потенциально упрочняющих компонентов - бейнита или мартенсита, и одновременно замедляя образование более мягких ферритных и перлитных компонентов во время охлаждения стали от высоких температур до температур окружающей среды. Бор в количестве более 0,005% может способствовать образованию охрупчивающих частиц - карбидов железа. Для получения максимального влияния на закаливаемость желательна концентрация бора не менее 0,001%.

Сера и фосфор для сталей являются вредными примесями, увеличение их содержания приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств. Однако при концентрации серы не более 0,010% и фосфора не более 0,015% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожают ее производство.

Нагрев слябов из стали предложенного химического состава в интервале температур 1180-1250°C обеспечивает гомогенную аустенитизацию и полное растворение сульфидов, фосфидов, легирующих и примесных соединений, карбидных упрочняющих частиц. При температуре нагрева ниже 1180°C полного растворения не наблюдается, микроструктура сляба негомогенна. При температуре нагрева выше 1250°C происходит перегрев стали, сопровождающий экспоненциальным ростом аустенитного зерна, что крайне неблагоприятно сказывается на механических и эксплуатационных свойствах.

Температура конца прокатки (Ткп) должна быть не более 960°C. При Ткп более 960°C не происходит выделение наноразмерных частиц карбонитридов ванадия и титана в необходимом количестве, и требуемый уровень пределов текучести и прочности не обеспечивается. Закалка горячекатаных листов регламентирована интервалом температур 920-970°C. Температура закалки выше 970°C приводит к недопустимому снижению ударной вязкости листовой стали. Снижение этой температуры менее 920°C не обеспечивает стабильного получения механических свойств, что снижает выход годного.

Для снятия внутренних напряжений после закалки может быть проведен отпуск при температуре 150-250°C. Отпуск закаленных листов при температуре выше 250°C снижает их прочностные свойства ниже допустимого уровня. Уменьшение температуры отпуска ниже 150°С приводит к потере пластических и вязкостных свойств высокопрочных листов.

Таким образом, полное использование ресурса свойств, соответствующего низколегированной стали предложенного химического состава, обеспечивается температурными режимами прокатки, а также температурными режимами закалки и отпуска.

Пример осуществления способа

С применением индукционной плавильной печи ИСТ 0,03/0,05 И1 произвели выплавку сталей различного химического состава (табл. 2).

Полученные слитки нагревали в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1210°C. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 (моделирование черновой стадии прокатки) и на одноклетьевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО» (моделирование чистовой стадии прокатки). Температура окончания обжатия составляла от 800°C до 970°C. Слитки прокатывали до толщины 6, 8 и 10 мм. Полученные раскаты охлаждали на воздухе. Закалка и отпуск образцов проката проводились по различным режимам (табл. 3).

Далее полученные раскаты «раскроили» для проведения испытаний.

Механические свойства определяли на поперечных образцах в соответствии с общепринятыми условиями:

- испытания на растяжение проводили на плоских образцах по ГОСТ 1497;

- испытания на твердость по методу Бринелля проводили в соответствии с ГОСТ 9012;

- испытания на ударный изгиб проводили в соответствии с ГОСТ 9454 на образцах с V-образным надрезом при температуре -40°C;

- испытание на изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 14019. Результаты испытаний показали, что в листовой стали, полученной по предложенному способу (варианты №2-5, табл. 4), достигается сочетание необходимых прочностных, пластических и вязкостных свойств. В случаях отклонений от заявленных параметров (варианты №1 и №6), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заявленный комплекс механических свойств.

Таким образом, применение заявленного способа обеспечивает достижение требуемого технического результата - получение листовой стали с высокой износостойкостью и сложным комплексом механических свойств: условный предел текучести σ_0,2 не менее 1100 Н/мм², временное сопротивление разрыву σ_в не менее 1400 Н/мм²; твердость 420-480 HBW, относительное удлинение δ₅ не менее 9%, ударная вязкость KCV^-40 не менее 40 Дж/см².