СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ
PRODUCTION OF STEEL SHEETS OF HIGHER WEAR RESISTANCE

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении толстолистовой стали для изготовления деталей транспортных и горнодобывающих машин, обладающих высокой стойкостью против абразивного износа (истирания) и эксплуатируемых в районах Крайнего Севера.
При изготовлении сварных металлоконструкций транспортных и горнодобывающих машин, работающих при отрицательных температурах, используют термоулучшенный горячекатаный листовой прокат. Горячекатаные листы после термического улучшения должны сочетать высокую прочность, вязкость при отрицательных температурах и стойкость против абразивного износа. Требуемый комплекс свойств горячекатаных листов в состоянии поставки приведен в табл.1.
Известен способ производства листовой стали, включающий выплавку и непрерывную разливку в слябы низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,04-0,10
Кремний
0,01-0,50
Марганец
0,4-1,5
Хром
0,05-1,0
Молибден
0,05-1,0
Ванадий
0,01-0,1
Бор
0,0005-0,005
Алюминий
0,001-0,1
Железо и примеси
Остальное
Отлитые слябы нагревают до температуры 1250°C и прокатывают с суммарным обжатием не менее 75%. Прокатанные листы подвергают закалке из аустенитной области и высокотемпературному отпуску [Заявка Японии №61163210, МПК C21D 8/00, 1986 г.].
Недостатки известного способа состоят в том, что листовая сталь имеет низкий комплекс механических свойств и низкую износостойкость.
Известен также способ производства высокопрочных листов из стали марки 17ГС (ГОСТ 19281-89) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,14-0,20
Марганец
1,0-1,4
Кремний
0,4-0,6
Хром
не более 0,30
Никель
не более 0,30
Медь
не более 0,30
Фосфор
не более 0,035
Сера
не более 0,040
Мышьяк
не более 0,08
Азот
не более 0,008
Железо
Остальное
Слябы нагревают в методической печи до температуры 1220-1280°C, подвергают черновой прокатке в температурном интервале 1050-1180°C до промежуточной толщины 30-40 мм и чистовой прокатке в регламентированном температурном интервале 900-1050°C. Для повышения механических свойств горячекатаные листы подвергают термическому улучшению (закалке и высокому отпуску) [Матросов Ю.И. и др. Сталь для магистральных газопроводов. М. Металлургия, 1989 г., с.242-244, 268].
Недостаток известного способа состоит в том, что он не обеспечивает получения стабильных высоких механических свойств и износостойкости листовой стали.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ производства высокопрочной листовой стали, включающий изготовление слябов из стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,07-0,12
Марганец
1,4-1,7
Кремний
0,15-0,50
Ванадий
0,06-0,12
Ниобий
0,03-0,05
Титан
0,010-0,030
Алюминий
0,02-0,05
Хром
не более 0,3
Никель
не более 0,3
Медь
не более 0,3
Сера
не более 0,005
Фосфор
не более 0,015
Азот
не более 0,010
Железо
Остальное
Слябы нагревают до температуры 1160-1190°C, подвергают черновой прокатке, чистовой прокатке с суммарным относительным обжатием не менее 70% и температурой конца прокатки не выше 820°C, после чего листы закаливают водой от температуры 900-950°C и подвергают высокотемпературному отпуску при 600-730°C [Патент РФ №2255123, МПК C21D 8/02, C22C 38/58].
Недостатки данного способа состоят в том, что листовая сталь известного химического состава после закалки и высокотемпературного отпуска имеет низкую износостойкость и нестабильные механические свойства, что, в свою очередь, приводит к снижению выхода годного.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стабильности комплекса механических свойств и износостойкости листов, следовательно, к повышению выхода годного.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства листовой стали с высокой износостойкостью, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск, в отличие от ближайшего аналога непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, 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: 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.
Сущность изобретения состоит в следующем. Конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются одновременно ее химическим составом, температурными режимами прокатки, закалки и отпуска. В процессе проведения экспериментальных исследований осуществляли варьирование всех значимых факторов, добиваясь получения заданных и стабильных механических свойств при обеспечении максимальной износостойкости листовой стали.
а
кп
Было установлено, что нагрев слябов из стали предложенного химического состава перед началом прокатки до температуры Т≤1280°C обеспечивает ее аустенитизацию, полное растворение в аустенитной матрице сульфидов, фосфидов, легирующих и примесных соединений, карбидных упрочняющих частиц. Поскольку в процессе прокатки происходит непрерывное падение температуры металла, к моменту окончания прокатки листов их температура снижается до значения Т≥800°C (температура конца прокатки), что способствует интенсификации выделения упрочняющих карбидных частиц и измельчению микроструктуры стали. После термического улучшения, одновременно с упрочнением, сталь приобретает ячеистую структуру, увеличивающую вязкость листов при отрицательных температурах, а также повышение износостойкости
Закалка водой и отпуск при температуре 500-560°C обеспечивает повышение уровня и стабильности прочностных, вязкостных и пластических свойств горячекатаных листов, а также повышение их износостойкости. Благодаря термическому улучшению неизбежно существующие в практике промышленного производства колебания содержаний химических элементов в стали, а также температурная нестабильность процесса прокатки нивелируются, что благоприятно сказывается на стабильности свойств листов и способствует увеличению выхода годного.
Экспериментально установлено, что при температуре начала горячей прокатки выше 1280°C не достигается измельчение зерен аустенита, что ведет к снижению прочностных свойств и износостойкости листов.
1
Закалка водой горячекатаных листов из стали предложенного состава за два этапа позволяет дополнительно повысить прочностные и вязкостные свойства стали при отрицательных температурах. Закалка на первом этапе от температуры 940-970°C приводит к тому, что в процессе нагрева достигается полное растворение в твердом растворе аустенита карбидных частиц, таких как TiC, VC, которые на первом этапе закалки способствуют диспергированию микроструктуры и упрочнению стали листовой в состоянии поставки. Повторный нагрев предварительно закаленных листов до температуры 840-870°C под закалку на втором этапе приводит к формированию сверхмелкого аустенитного зерна за счет перекристаллизации аустенита в процессе перехода температуры через критическую для данной стали точку Ac с образованием множества центров кристаллизации. Благодаря этому при втором этапе закалки формируется гомогенная мелкозернистая мартенситная структура, чем обеспечивается одновременное повышение прочностных и вязкостных свойств листов.
При температуре закалки на первом этапе выше 970°C и на втором этапе выше 870°C возрастает скорость износа листов, листы не выдерживают испытания на холодный загиб на 90°. Уменьшение температуры закалки на первом этапе ниже 940°C и на втором этапе ниже 840°C приводит к одновременному снижению прочности и ударной вязкости листовой стали при температуре - 40°C, что недопустимо.
Отпуск закаленных листов при температуре выше 560°C снижает их прочностные свойства и износостойкость ниже допустимого уровня. Уменьшение температуры отпуска ниже 500°C приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств закаленных листов, что уменьшает выход годного.
Углерод упрочняет сталь. При содержании углерода менее 0,14% не достигается требуемая прочность стали, а при его содержании более 0,19% ухудшается ударная вязкость и износостойкость стали.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность. При концентрации кремния менее 0,17% прочность стали ниже допустимой, а при концентрации более 0,37% снижается пластичность, сталь не выдерживает испытания на холодный загиб.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу. При содержании марганца менее 1,1% резко снижается износостойкость листовой стали. Увеличение содержания марганца более 1,6% приводит к снижению вязкости при отрицательных температурах, ухудшению пластичности, снижению выхода годного.
Ванадий способствуют измельчению микроструктуры стали по толщине листа, повышению хладостойкости и прочности. Мелкие карбиды ванадия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. Однако если содержание ванадия будет более 0,12% произойдет ухудшение свариваемости стали, снижение выхода годного. При снижении содержания ванадия менее 0,06% не достигается высокая ударная вязкость при отрицательных температурах и износостойкость листовой стали.
Хром повышает прочность, вязкость и износостойкость стали. При его концентрации менее 0,7% прочность, вязкость и износостойкость ниже допустимых значений. Увеличение содержания хрома более 1,1% приводит к потере пластичности из-за роста карбидов, снижению выхода годного листового термоулучшенного проката.
Никель способствует повышению пластических и вязкостных свойств листовой стали при пониженных температурах эксплуатации. При содержании никеля менее 0,5% показатели пластичности и ударной вязкости снижаются, уменьшается выход годного. Увеличение содержания никеля более 1,0% приводит к возрастанию в фазовом составе листовой стали после закалки остаточного аустенита, что является причиной снижения износостойкости.
Молибден играет существенную роль в обеспечении одновременно высокой прочности, вязкости термоулучшенных листов. Благодаря наличию молибдена в стали, при закалке формируется фаза мелкодиспергированного дислокационного (реечного) мартенсита, достигается упрочнение листового проката. При уменьшении содержания молибдена менее 0,20% не исключено снижение прочностных свойства листов ниже допустимого уровня, что приводит к уменьшению выхода годного. Увеличение содержания молибдена более 0,35% снижает износостойкость термоулучшенного листового проката.
Алюминий раскисляет сталь и измельчает зерно. При содержании алюминия менее 0,02% его влияние мало, вязкостные свойства стали ухудшаются. Увеличение содержания этого элемента более 0,06% ведет к нестабильности вязкостных свойств и снижению выхода годного листового проката.
Титан, являясь сильным карбидообразующим элементом, способствует повышению прочностных свойств полос при одновременном повышении ударной вязкости при отрицательных температурах. Снижение содержания титана менее 0,02% приводит к снижению прочностных и вязкостных свойств листов, ухудшению износостойкости. Увеличение содержания титана более 0,05% приводит к снижению механических свойств и выхода годной листовой стали.
Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прочность и вязкость стали, измельчает микроструктуру. При концентрации бора менее 0,001% его положительное влияние на свойства листовой стали не проявляется. Увеличение содержание бора более 0,005% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает механические свойства и выход годного.
Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,002% его действие проявляется слабо. Увеличение концентрации кальция более 0,030% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшается ударная вязкость при отрицательных температурах и снижается выход годного листового проката.
Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, их концентрация должна быть как можно меньшей. Однако при концентрации серы не более 0,008% и фосфора не более 0,015% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время, более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Пример реализации способа
Стали различного химического состава выплавляют в кислородном конвертере. В ковше сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррохромом, феррованадием, ферротитаном, ферробором, вводят металлические алюминий, никель и ниобий. С помощью синтетических шлаков удаляют избыток серы и фосфора. Кальций вводят в расплав в виде силикокальция. Химический состав выплавляемых сталей приведен в табл.2.
нп
кп
Сталь с составом №3 подвергают непрерывной разливке в слябы толщиной 200 мм. Затем слябы нагревают до температуры начала прокатки Т=1270°C и прокатывают за 12 проходов на толстолистовом реверсивном стане 5000 в листы толщиной Н=20 мм. Во время прокатки (в проходах и паузах между проходами) происходит снижение температуры (остывание) листов. Прокатку в последнем проходе ведут при температуре Т=830°C.
з1
з2
от
Горячекатаные листы транспортируют к роликовой закалочной машине. После горячей прокатки листы из стали с составом №3 нагревают до температуры Т=955°C и подвергают первому этапу закалки водой. Предварительно закаленные листы вновь нагревают до температуры Т=855°C и подвергают повторной закалке водой. После повторной закалки листы отпускают при Т=530°C.
После термического улучшения от листов отбирают пробы и производят испытания механических свойств и износостойкости с использованием машины трения.
Варианты реализации способа производства листовой стали с высокой износостойкостью и показатели их эффективности приведены в табл.3.
Из таблиц 2 и 3 следует, что предложенные режимы производства высокопрочной листовой стали (варианты №2-4) обеспечивают повышение износостойкости и выхода годного.
В случаях запредельных значений концентраций химических элементов в стали, температурных режимов горячей прокатки, закалки и высокого отпуска (варианты №1 и №5), а также использования известного способа [прототипа] (вариант №6) имеет место снижение износостойкости I готовых листов и выхода годного Q. В этих случаях листовую сталь используют для менее ответственного назначения.
з1
з2
Из данных, приведенных в табл.3, следует, что закалка водой за два этапа вначале от температуры Т=940-970°C и затем от температуры Т=840-870°C (варианты №2-4) обеспечивает формирование более высоких прочностных и пластических свойств листовой стали. Скорость износа при этом минимальная и составляет: I=0,17-0,18 мм/год. Повышение комплекса механических свойств листовой стали обеспечивает увеличение выхода годного до Q=99,8-99,9%. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1, №5 и №6) имеет место увеличение скорости износа и снижение выхода годного.
Следует отметить, что хотя двукратная закалка горячекатаных листов и приводит к увеличению затрат на производство, однако получение стабильного комплекса механических свойств и повышение износостойкости листовой стали, следовательно, увеличение выхода годного, перекрывает издержки на ее реализацию.
Технико-экономические преимущества данного изобретения состоят в том, что горячая прокатка листов из стали предложенного состава в температурном интервале от 1280°C до 800°C, последующая закалка водой и отпуск при температуре 500-560°C обеспечивают получение стабильного комплекса механических свойств и повышение износостойкости термоупрочненных листов для конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера, а также выхода годной металлопродукции.
В качестве базового объекта при определении технико-экономических преимуществ предложенного способа принят известный способ [прототип]. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства листовой стали с высокой износостойкостью в среднем на 12-15%.