СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОТВЕРДОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
METHOD FOR PRODUCTION OF HIGH-HARDNESS WEAR-RESISTANT SHEET PRODUCTS

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству нового высокоэффективного вида металлопродукции - толстолистового износостойкого листового проката из низколегированной стали 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.
Известен способ производства высокопрочной толстолистовой стали, включающий непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск, согласно которому непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас. %: углерод 0,13-0,18, кремний 0,40-0,60, марганец 0,70-0,90, хром 1,3-1,6, алюминий 0,02-0,07, ниобий 0,03-0,06, титан 0,01-0,06, кальций 0,002-0,030, никель не более 0,30, медь не более 0,30, азот не более 0,010, железо и примеси - остальное, при этом отлитые слябы перед нагревом подвергают отжигу при температуре 640-660°С, нагрев слябов производят до температуры 1200-1260°С и подвергают горячей прокатке в температурном интервале до 870-950°С (Патент РФ №2533244, МПК C21D 8/02, С22С 38/50, 2013).
в
т
5
2
2
-40
2
Изделия, изготовленные из данной стали, имеют предел прочности σ не менее 690Н/мм, предел текучести σ не менее 590Н/мм, относительное удлинение δ не менее 14%, ударную вязкость KCV не менее 30 Дж/см и твердость по Бринеллю в пределах 340-400 НВ.
Недостаток известного способа состоит в том, что горячекатаные листы после термического улучшения (закалки с отпуском) имеют низкие вязкостные свойства и недостаточную твердость.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ производства листовой стали с высокой износостойкостью, включающий изготовление слябов из стали, содержащей, мас. %: 0,14-0,19 С; 0,17-0,37 Si; 1,10-1,60 Μn; 0,70-1,10 Cr; 0,50-1,00 Ni; 0,10-0,35 Mo; 0,06-0,12 V; 0,02-0,06 Al; 0,02-0,05 Ti;0,001-0,005 В; 0,002-0,030 Ca; не более 0,015 Ρ; не более 0,008 S; железо - остальное, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов в регламентированном температурном интервале, закалку водой и отпуск. Горячую прокатку ведут в температурном интервале от 1280°С до 800°С, закалку водой осуществляют в два этапа, вначале от температуры 940-970°С, после чего листы повторно нагревают и закаливают от температуры 840-870°С, отпуск осуществляют при температуре 500-560°С (Патент РФ №2533469, МПК C21D 8/02, С22С 38/54, С22С 38/58, 2013).
в
т
2
2
-40
2
Изделия, изготовленные из данной стали, имеют предел прочности σ не менее 1050 Н/мм, предел текучести σ не менее 950 Н/мм, относительное удлинение не менее 11%, ударную вязкость KCV не менее 30 Дж/см, твердость по Бринеллю в пределах 340-400 НВ.
Недостаток прототипа состоит в том, что он не обеспечивает получения требуемого уровня механических свойств, а именно листовая сталь не обладает достаточной твердостью и вязкостью.
Технический результат изобретения состоит в повышении прочностных свойств и твердости экономнолегированной толстолистовой стали при сохранении достаточной пластичности и ударной вязкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе производства высокотвердого износостойкого листового проката, включающем непрерывную разливку стали в слябы, их нагрев, многопроходную горячую прокатку листов, закалку водой и отпуск, в отличие от ближайшего аналога непрерывной разливке подвергают сталь следующего химического состава, мас. %:
углерод
0,20-0,28
кремний
0,15-0,30
марганец
0,75-1,30
хром
0,30-0,65
никель
0,85-1,55
молибден
0,25-0,40
ванадий
0,02-0,06
алюминий
0,02-0,05
азот
0,001-0,010
медь
0,10-0,20
ниобий
0,002-0,060
титан
0,002-0,010
бор
0,001-0,005
сера
не более 0,005
фосфор
не более 0,010
железо
остальное,
при этом закалку осуществляют при температуре 930-980°С, отпуск проводят при температуре 150-250°С.
Сущность изобретения состоит в том, что конечные механические и функциональные свойства листовой стали определяются как ее химическим составом, так и 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 0,20% не достигается требуемая прочность и твердость стали. Увеличение содержания углерода более 0,28% ухудшает пластические и вязкостные свойства закаленной и отпущенной листовой стали.
При содержании кремния менее 0,15% ухудшается раскисленность стали, снижается прочность листового проката. Увеличение содержания кремния более 0,30% приводит к возрастанию количества силикатных включений, 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 1,30% приводит к снижению ударной вязкости закаленной стали.
Хром повышает прочность стали. При его концентрации менее 0,30% прочностные свойства не достигают оптимальных значений. Увеличение содержания хрома более 0,65% приводит к потере пластичности.
Никель способствует повышению пластических и вязкостных свойств листовой стали при пониженных температурах эксплуатации. При содержании никеля менее 0,85% показатели пластичности и ударной вязкости снижаются, уменьшается выход годного. При содержании никеля более 1,55% 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 0,25% прочностные свойства стали не достигают требуемого уровня, а увеличение его содержания более 0,40% ухудшает свариваемость и пластичность закаленной стали.
Содержание ванадия более 0,06% приводит к ухудшению свариваемости стали и экономически нецелесообразно ввиду повышения расходов на легирование. При содержании ванадия менее 0,02% 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 0,05% 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 0,10-0,20% 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 0,002% не обеспечивается достаточное упрочнение. Увеличение содержания ниобия более 0,060% приводит к ухудшению свариваемости стали и 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 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств металла.
23
6
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 Fe(C, В) (форма борокарбида железа). Для получения максимального влияния на закаливаемость желательна концентрация бора не менее 0,001%.
Сера и фосфор в данной стали являются вредными примесями, увеличение их содержания приводит к ухудшению пластических и вязкостных свойств. Однако при концентрации серы не более 0,005% и фосфора не более 0,010% их отрицательное влияние на свойства стали незначительно. В то же время более глубокая десульфурация и дефосфорация стали существенно удорожат ее производство, что нецелесообразно.
Нагрев горячекатаных листов под закалку до температуры выше 980°С приводит к недопустимому снижению ударной вязкости листовой стали. Снижение этой температуры менее 930°С не обеспечивает стабильного получения заданных прочностных свойств, что снижает выход годного.
Отпуск закаленных листов при температуре выше 250°С 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 данного химического состава, обеспечивается режимами термообработки толстолистового проката.
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 1200°С. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 (моделирование черновой прокатки) и на одноклетьевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО» (чистовая прокатка). Температура окончания обжатия составляла от 850 до 950°С. Слитки прокатывали до толщины 6, 10, 20, 30 мм. Полученные раскаты охлаждали на воздухе.
Термическая обработка образцов проката заключалась в закалке при температуре 900-1000°С и последующем отпуске при температуре 150-300°С (табл. 3), после чего произвели раскрой полученных раскатов 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°С;
- 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 наиболее высоких прочностных, пластических и вязкостных свойств.
В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №6), а также при использовании способа-прототипа не обеспечивается заданный комплекс механических свойств.
0,2
в
5
2
2,
-40
2
Таким образом, применение заявленного способа обеспечивает достижение требуемого результата - получение высокотвердого износостойкого листового проката со сложным комплексом механических свойств: условный предел текучести σ не менее 1100 Н/мм, временное сопротивление разрыву σ не менее 1400 Н/мм твердость 420-480 HBW, относительное удлинение δ не менее 9%, ударная вязкость KCV не менее 45 Дж/см.