ДВУХСЛОЙНЫЙ СТАЛЬНОЙ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
TWO-LAYERED STEEL FLAT ROLLED STOCK AND ITEM MADE FROM IT

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству двухслойного износостойкого листового проката толщиной 10-50 мм и изделиям, выполненным из него, и может быть использовано в машиностроении, горнодобывающей, металлургической, сельскохозяйственной промышленности для изготовления сварных конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу и работающих при температуре до -40°C, а также в других отраслях. Изделия из него могут быть использованы для оборудования с особо строгими требованиями к износостойкости, такого как облицовка поверхности ковшей карьерной техники, кузова большегрузных самосвалов, быстро изнашиваемые детали дробилок, конвейеры, навесные детали сельскохозяйственной техники и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к двухслойному прокату, являются высокая износостойкость при требуемой толщине износостойкого слоя, хорошая свариваемость, ударная вязкость на остром надрезе при температуре до -40°C, качественное соединение слоев: высокое сопротивление срезу (высокая прочность) и гарантированная сплошность сцепления слоев, что определяет как технологичность стали при изготовлении изделий, так и их надежность при эксплуатации и экономичность.
Известна двухслойная коррозионно-стойкая сталь с основным слоем, содержащим углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, алюминий, ниобий и железо при определенном соотношении компонентов с толщиной плакирующего слоя 5,7-16,7% от общей толщины (патент РФ 2016912, МПК C22C 38/48, опубл. 30.07.1994). Толстолистовой прокат из такой стали отличается высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и свариваемостью.
Однако износостойкость проката из такой стали недостаточна, а из-за высокого содержания легирующих элементов высока его стоимость. Кроме того, толщина плакирующего слоя - не более 16,7% от общей толщины может быть недостаточной для элементов конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу.
Известны двухслойная коррозионно-стойкая листовая сталь и изделия, выполненные из нее, с основным слоем, содержащим углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, железо при определенном соотношении компонентов (патент РФ 2201469, МПК С22С 38/22, B32B 15/18, опубл. 27.03.2003). Толстолистовой прокат из такой стали отличается повышенной прочностью при нормальной и повышенной температурах, коррозионной стойкостью, технологичностью и надежностью при сохранении вязкости и свариваемости.
Однако он не хладостоек, износостойкость рабочего слоя недостаточна. Толщина плакирующего слоя может быть недостаточной для элементов конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу. Из-за высокого содержания легирующих элементов стоимость ее высока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ получения биметаллических листов и полос, включающий получение биметаллической заготовки наплавкой заготовки основного слоя (из углеродистой или низколегированной стали) плакирующим слоем из инструментальной или конструкционной стали (патент РФ 2076793, МПК B23K 20/04, опубл. 10.04.1997).
Недостатком способа является то, что он распространяется на тонколистовой рулонный нехладостойкий прокат, требует замедленного охлаждения проката в интервале температур 800-500°C на протяжении 1-10 ч, которое невозможно обеспечить при охлаждении листов на воздухе. Данный способ невозможно применить для толстолистового проката. Толщина слоя из износостойкой стали недостаточна для элементов конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу.
2
2
Техническим результатом изобретения является получение двухслойного листового проката толщиной 10-50 мм и изделий из него, обладающего после термической обработки высоким комплексом потребительских свойств при оптимальном расходе легирующих элементов: высокой износостойкостью (твердостью не менее 500 HBW), прочностью слоя из свариваемой стали широкого назначения (в т.ч. с пределом текучести не менее 500 МПа), в сочетании с хорошей свариваемостью (при углеродном эквиваленте CEV не более 0,45) и ударной вязкостью на остром надрезе при температуре до -40°C (не менее 30 Дж/см), качественное соединение слоев (сопротивление срезу не менее 450 Н/мм).
2
Технический результат достигается тем, что в двухслойном стальном листовом прокате толщиной 10-50 мм, содержащем слой износостойкой стали и слой свариваемой стали, согласно изобретению прочность сцепления слоев составляет не менее 450 H/мм, при этом износостойкая сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель один или несколько элементов из группы: молибден, вольфрам, медь, ниобий и ванадий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,25-1,2
кремний
0,2-1,8
марганец
0,3-2,0
фосфор
не более 0,025
сера
не более 0,025
хром
0,3-6,5
никель
0,03-2,0
один или несколько элементов из группы:
молибден
0,2-1,5
вольфрам
0,5-1,5
медь
0,05-0,4
ниобий
0,01-0,1
ванадий
0,02-0,7
железо и неизбежные примеси - остальное,
свариваемая сталь содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, один или несколько элементов из группы: молибден, медь, ниобий и ванадий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,002-0,3
кремний
0,1-0,6
марганец
0,4-1,8
фосфор
не более 0,02
сера
не более 0,01
хром
0,01-0,4
никель
0,01-0,5
один или несколько элементов из группы:
молибден
0,01-0,1
медь
0,01-0,4
ниобий
0,01-0,1
ванадий
0,02-0,1
железо и неизбежные примеси - остальное,
причем свариваемая сталь имеет значение углеродного эквивалента CEV, составляющее не более 0,45, где CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15, а C, Mn, Cr, Mo, V, Cu, Ni представляют содержания в мас.% в слое из свариваемой стали углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, мели и никеля, а толщина слоя износостойкой стали составляет 10-40% или 60-90% от общей толщины проката. Изделие выполняют из указанного двухслойного листового проката толщиной 10-50 мм.
Суть изобретения состоит в следующем.
Определенный химический состав слоев из износостойкой и свариваемой стали играет решающую роль в обеспечении заданного комплекса потребительских свойств двухслойной проката и изделий, выполненных из него, в т.ч. высокой износостойкости, прочности слоя из свариваемой стали широкого назначения (в т.ч. для сталей с пределом текучести не менее 500 МПа), в сочетании с хорошей свариваемостью и ударной вязкостью на остром надрезе при температуре до -40°C, качественного соединения слоев на прокате толщиной 10-50 мм.
Слой из свариваемой стали.
Одним из важнейших технологических показателей свариваемости является углеродный эквивалент, необходимый для того, чтобы оценить совместное влияние на свариваемость совокупности химических элементов, содержащихся в стали. Содержание углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, хрома, никеля и одного или нескольких элементов из группы: меди, молибдена, ванадия, ниобия, - в предлагаемых пределах в свариваемом слое позволяет получить необходимый уровень прочностных, пластических, вязких свойств и хорошую свариваемость стали и изделий из нее, при углеродном эквиваленте.
CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 не более 0,45.
Углерод - один из основных элементов, влияющих на свариваемость и упрочнение металла. Ограничение содержания углерода в свариваемом слое стали в пределах 0,002-0,30 позволяет получить требуемый уровень прочности в широком диапазоне свойств в зависимости от назначения. Содержание в стали углерода менее 0,002 снижает прочность и экономически нецелесообразно. Увеличение содержания углерода более 0,30 приводит к недопустимому снижению свариваемости и ударной вязкости стали.
Кремний в стали применен как раскислитель и легирующий элемент. При содержании в стали кремния менее 0,10 ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства, что экономически нецелесообразно. Увеличение содержания в стали кремния более 0,60 приводит к резкому снижению свариваемости и ударной вязкости стали.
Марганец способствуют твердорастворному упрочнению металла. При содержании марганца менее 0,40 прочность стали ниже допустимой. Увеличение содержания марганца более 1,8 чрезмерно упрочняет сталь, снижает ее вязкость и приводит к недопустимому снижению свариваемости.
Ограничение содержания фосфора не более 0,02 и серы не более 0,01 связано с необходимостью обеспечить определенный уровень вязкости стали. Содержание хрома в количестве 0,01-0,40 способствует повышению прочности и не оказывает вредного влияния на свариваемость стали, однако расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что удешевляет производство проката. Увеличение содержания хрома более 0,4 приводит к снижению свариваемости.
Содержание никеля в количестве 0,01-0,5 способствует повышению прочности, ударной вязкости стали, а также положительно влияет на прокаливаемость и не оказывает заметного влияния на свариваемость. При содержании в стали никеля менее 0,01 эффект незначителен. Увеличение содержания никеля более 0,5 приводит к заметному росту расходов на легирование и снижению свариваемости.
Дополнительное легирование медью и микролегирование карбидо- и карбонитридообразующими - ниобием, ванадием, молибденом, - позволяют снизить уровень основных легирующих элементов - углерода, кремния, марганца, хрома, никеля, - при сохранении требуемого уровня прочности, вязкости и свариваемости стали.
Содержание меди в количестве 0,01-0,4 выбрано, исходя из увеличения прочности, положительного влияния на прокаливаемость стали и обеспечения хорошей свариваемости изделий, а также экономической целесообразности, в т.ч. расширения возможности использования металлического лома. При уменьшении содержания в стали меди менее 0,01 эффект незначителен. Повышение содержания меди более 0,4 приводит к снижению свариваемости.
Легирование ниобием в количестве 0,01-0,1 и/или ванадием в количестве 0,02-0,1 обеспечивает мелкозернистую структуру свариваемого слоя. Мелкозернистая структура и равномерное распределение карбидной фазы, образующейся в процессе отпуска, одновременно с повышением прочностных свойств, обеспечивают требуемую ударную вязкость. При уменьшении содержания в стали ниобия менее 0,01 и/или ванадия менее 0,02 эффект незначителен. Увеличение содержания ниобия и/или ванадия более 0,1 экономически неэффективно.
Легирование стали молибденом положительно влияет на прокаливаемость и стойкость против разупрочнения при отпуске. При уменьшении содержания менее 0,01 эффект незначителен. Увеличение содержания молибдена выше 0,1 ухудшает ее свариваемость.
Слой из износостойкой стали.
В целом предложенное содержание основных элементов износостойкого слоя обеспечивает требуемую твердость и износостойкость слоя.
Углерод является одним из основных элементов, определяющих твердость и износостойкость слоя. Нижний предел содержания углерода 0,25 определен необходимостью образования карбидов в достаточном количестве и для достижения необходимого уровня твердости. Верхний предел содержания углерода 1,2 определен предупреждением слишком большой охрупчивости стали и снижением технологичности биметаллического проката при изготовлении изделий.
Предложенное содержание кремния и марганца в стали способствуют упрочнению металла и достижению высокой твердости. При повышении содержания кремния и марганца значительно повышается прокаливаемость стали, что важно при закалке толстых листов для формирования мартенситной структуры и получения высокой твердости. При содержании кремния менее 0,2 и марганца менее 0,3 ухудшается раскисленность стали, снижаются прочностные свойства. Повышение содержания кремния более 1,8 и марганца более 2,0 приводит к чрезмерной охрупчивости износостойкого слоя, что снижает технологичность биметалла.
Ограничение содержания фосфора и серы не более 0,025% способствует повышению сопротивляемости хрупким разрушениям.
Хром является элементом, формирующим карбиды Cr, повышает износостойкость, прокаливаемость стали и стойкость против разупрочнения при отпуске. Уменьшение содержания хрома ниже 0,3 приводит к снижению твердости и износостойкости. Увеличение содержания хрома выше 6,5 не приводит к повышению износостойкости и экономически неэффективно.
Содержание никеля способствует упрочнению металла, повышению сопротивляемости хрупким разрушениям и повышает прокаливаемость стали. При содержании в стали никеля менее 0,03 эффект незначителен. Увеличение содержания никеля более 2,0 повышает охрупчивание при отпуске.
Дополнительное легирование молибденом и/или вольфрамом в предлагаемых пределах способствует достижению существенного дисперсионного твердения, повышению износостойкости и стойкости против понижения твердости при нагреве. При содержании молибдена в количестве менее 0,2 и вольфрама в количестве менее 0,5 эффект незначителен. Увеличение содержания молибдена выше 1,5 и вольфрама выше 1,5 не приводит к дополнительному повышению износостойкости слоя, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы и, следовательно, нецелесообразно.
Содержание меди в количестве 0,05-0,40 выбрано исходя из увеличения прочности, положительного влияния на прокаливаемость стали и экономической целесообразности, в т.ч. расширения возможности использования металлического лома. При уменьшении содержания меди в стали менее 0,05 эффект незначителен. Повышение содержания меди свыше 0,4 не приводит к дополнительному повышению износостойкости слоя, а лишь увеличивает затраты на легирование и, следовательно, нецелесообразно.
Дополнительное введение ванадия и/или ниобия в предлагаемых пределах способствует стойкости против понижения твердости благодаря выделению карбидов.
При содержании ванадия в количестве менее 0,02 и ниобия в количестве менее 0,01 эффект незначителен. Увеличение содержания ванадия выше 0,7 и ниобия выше 0,1 не приводит к дополнительному повышению износостойкости слоя, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы и, следовательно, нецелесообразно.
Толщина слоя из износостойкой стали составляет 10-40% или 60-90% от общей толщины двухслойного проката, она определяется требованием заказчика и особенностью процесса электрошлаковой наплавки (возможностью механических и технологических уточнений, размером промежуточного слоя перемешивания, а также обеспечением в двухслойном прокате интегральной прочности и экономичности). В зависимости от толщины слоя износостойкой стали при электрошлаковой наплавке наплавленным слоем (электродами для наплавки) может быть либо слой из износостойкой стали, либо слой из свариваемой стали.
2
Высокая прочность сцепления слоев (не ниже 450 H/мм) обеспечивается использованием для получения двухслойной заготовки способа электрошлаковой наплавки (при глубине проплавления основы не менее 3 мм) на заготовку слоя из свариваемой стали слоя из износостойкой стали (или наоборот), которая определяется при испытаниях на срез наплавленного слоя (по ГОСТ 10885-85) и сплошности сцепления слоев по ГОСТ 22727 (соответствие 1 классу), что позволяет производить с двухслойной листовой сталью при изготовлении изделий необходимые технологические операции: резку, сварку и др., не опасаясь расслоений. Кроме того, высокая прочность сцепления исключает вероятность расслоений в процессе эксплуатации изделий.
Пример.
Для подтверждения достижения поставленной цели были изготовлены как серия заготовок из слябов свариваемой стали и электроды из износостойкой стали различного химсостава (состав №№1, 2, 3, 5), так и серия заготовок из слябов износостойкого слоя и электроды из свариваемой стали различного химсостава (состав №№4, 6-9). Химический состав слоев приведен в таблице 1.
Двухслойные заготовки были получены электрошлаковой наплавкой заготовок электродами из износостойкой или свариваемой стали различного химсостава (в зависимости от требования заказчика по толщине слоя из износостойкой стали) и с толщиной наплавляемого слоя 10-40% от общей толщины с учетом необходимости обеспечения в двухслойной стали требуемого комплекса потребительских свойств, экономичности и качественного соединения слоев. Качество поверхности наплавленного слоя для всех исследованных вариантов удовлетворительное.
Полученные заготовки из биметалла размером 180-230×1300-1640×2000-2500 мм нагревали для горячей прокатки до температур 1150-1250°C и прокатывали на листы толщиной 10-50 мм на стане 2800 с температурой конца прокатки 880-950°C и охлаждением на воздухе, которые были подвергнуты термической обработке, состоящей из закалки (от 920-950°C, удельное время нагрева 2-3 мин/мм, выдержка 30 мин) и возможного отпуска (590°C, 8 мин). Всего было опробовано 12 вариантов двухслойной износостойкой свариваемой листовой стали, отличающихся толщиной листов, химическим составом сталей износостойкого и свариваемого слоев и их толщиной.
На полученных заготовках и листах химический состав наплавленного слоя определяли спектральным анализом.
О технологичности двухслойного листа толщиной от 10 мм до 50 мм судили по результатам измерения твердости износостойкого слоя (износостойкость) после его термической обработки (закалки и возможного отпуска), предела текучести (прочность) и ударной вязкости на остром надрезе при температуре -40°C (хладостойкость) свариваемого слоя, прочности сцепления слоев (сопротивление срезу определяли в соответствии с ГОСТ 10885, сплошность сцепления слоев соответствует 1 классу по ГОСТ 22727).
Качество поверхности двухслойного листа оценивали визуально. Удовлетворительной считали поверхность листа, на которой отсутствуют трещины и другие поверхностные дефекты. Неудовлетворительной считали поверхность листа, на которой в процессе прокатки и термической обработки образуются дефекты.
Свариваемость оценивали по углеродному эквиваленту:
CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15.
Хорошо свариваемой получена сталь с CEV не более 0,45.
2
2
Значения указанных выше характеристик качества двухслойного металла представлены в таблице 2. Как следует из данных таблицы 2, двухслойная износостойкая свариваемая листовая сталь толщиной от 10 мм до 50 мм заявленного состава, состоящая из свариваемого слоя и слоя из износостойкой стали толщиной 10-40% или 60-90% от общей толщины биметалла, обеспечивает: твердость износостойкого слоя после его термической обработки (закалки и возможного отпуска) не ниже 500 HBW, прочность слоя из свариваемой стали с пределом текучести не менее 500 МПа, в сочетании с хорошей свариваемостью (углеродный эквивалент CEV не более 0,45) и ударной вязкостью на остром надрезе при температуре -40°C не менее 30 Дж/см, прочность сцепления слоев (сопротивление срезу в соответствии с ГОСТ 10885 не ниже 450 H/мм, сплошность сцепления слоев соответствует 1 классу по ГОСТ 22727).
2
Примеры, соответствующие формуле изобретения, представлены вариантами 1-11 таблицы 2, вариант 12 не соответствует формуле изобретения по углеродному эквиваленту (CEV более 0,45) и ударной вязкости (KCV-40 менее 30 Дж/см), прототип - варианты 13-15.
Изделия из предложенной стали при экономном легировании обладают оптимальным комплексом свойств: высокой износостойкостью, прочностью широкого назначения слоя из свариваемой стали, в сочетании с хорошей свариваемостью и ударной вязкостью, качественным соединением слоев.