СТАЛЬ
STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для производства мелющих шаров.
Известна сталь [1], содержащая (в мас.%):
углерод
0,50-0,85
марганец
0,70-1,50
кремний
0,80-1,50
алюминий
0,002-0,06
один из элементов
группы содержащей
ниобий и церий
0,0002-0,05
железо
остальное
Существенным недостатком этой стали является низкая эксплуатационная стойкость шаров, изготовленных из данной стали из-за недостаточно высокой твердости по сечению.
Известны также стали, имеющие следующее содержание элементов (в мас.%):
0,35-0,7 С; 0,1-0,8 Si; 0,1-1,5 Mn; ≤0,03 P; ≤0,010 S; 0,01-0,50 С; ≤0,005 Al; ≤0,0005 Ca; ≤0,02 O; ≤0,02 N и Fe с примесями, а также любой или оба из ≤0,3 V; 0,1 Nb; ≤0,005 B; ≤0,05 Ti [2];
0,30-0,60 С; 0,01-1,0 Si; 0,60-2,0 Mn; 0,010-0,005 Al; 0,0030-0,02 N; до <0,015 один или более элементов группы Pb, Bi, Те, Са, In, S, Р; до <0,002 О, и один или более элементов группы Мо, Ni, Cr, В; и один или более элементов группы Nb, Ti, V [3];
0,30-1,10 С; 0,1-1,8 Si; 0,5-2,0 Mn; 0,05-0,1 Al; 0,005-0,03 N; 0,1-1,0 один или более элементов группы Ti, Zr, Nb, V; и один из элементов группы 0,1-1,0 Ni; 0,1-1,5 Cr; 0,05-0,5 Mo; 0,0005-0,0050 В; и один или более элементов группы S, Pb, Bi, Se, Те, Са [4].
Существенным недостатком этих сталей является широкие концентрационные границы химических элементов, приводящие с одной стороны к низкой твердости и износостойкости шаров, с другой стороны способствуют повышению склонности их к раскалыванию при закалке в воде и эксплуатации.
Известна выбранная в качестве прототипа сталь [5], содержащая (мас.%): 0,01-0,80 С; ≤2,0 Si; 0,10-2,00 Mn; ≤0,1 P; 0,004-0,1 S; ≤0,1 Al; 0,0005-0,02 один или более из элементов группы Те, Se, Zr, Mg, С; и один или более из элементов группы Cu, Ni, Cr, Мо, Nb, B,W, V.
Недостатком этой стали являются низкие эксплуатационные свойства шаров, обусловленные нестабильной твердостью и пониженной трещиностойкостью.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение эксплуатационной стойкости и твердости на поверхности и по сечению мелющих шаров.
Для достижения этого сталь для производства мелющих шаров, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, алюминий, ниобий, азот, кальций, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод
от более 0,60 до 0,78
марганец
0,75-0,85
кремний
0,20-0,35
хром
0,30-0,60
ванадий
0,03-0,18
алюминий
от более 0,005 до 0,025
ниобий
0,001-0,015
азот
от более 0,01 до 0,025
кальций
от 0,0005 до менее 0,0010
железо и примеси
остальное,
при этом в качестве примесей она содержит серу - не более 0,030%, фосфор - не более 0,030% и медь - не более 0,30%.
Заявляемый химический состав стали для производства мелющих шаров подобран исходя из следующих предпосылок.
Содержание углерода выбрано исходя из обеспечения достаточной твердости и прокаливаемости стали. При концентрации его в стали менее 0,60% твердость шаров снижается, а при увеличении концентрации углерода более 0,78% повышается склонность их к трещинообразованию.
Соотношение марганца выбрано исходя из того, что при содержании марганца до 0,85% обеспечивается повышение твердости, прокаливаемости и сопротивляемости к трещинообразованию. Нижний предел выбран исходя из того, что марганец при содержании менее 0,75% не оказывает влияние на прокаливаемость.
Кремний в заявляемых пределах исключает раскол шаров при ударных нагрузках. При концентрации кремния менее 0,20% значительно увеличивается склонность шаров к раскалыванию при ударных нагрузках. При изготовлении шаров из стали выше верхнего заявляемого предела содержания кремния (0,35%) увеличивается склонность шаров к трещинообразованию при закалке.
При увеличении содержания хрома до 0,60% повышается твердость и прокаливаемость стали, что в свою очередь приводит к увеличению износостойкости мелющих шаров. При содержании хрома менее 0,30% наблюдается уменьшение прокаливаемости стали и, следовательно, износостойкости шаров.
Ванадий связывает азот в прочные химические соединения (нитриды, карбонитриды) и измельчает аустенитное зерно и тем самым обеспечивает износостойкость и высокую сопротивляемость расколу мелющих шаров. Исходя из этого оптимальными значениями для ванадия являются его содержание 0,03-0,18%. Верхний предел концентрации ванадия выбран исходя из экономических соображений.
Содержание алюминия (от более 0,005 до 0,025%) и кальция (от 0,0005 до менее 0,0010%) выбрано исходя, с одной стороны, из получения мелкого действительного зерна, с другой - получения благоприятной формы неметаллических включений и исключения недопустимых глиноземистых неметаллических включений, увеличивающих склонность шаров к раскалыванию при ударных нагрузках.
При содержании ниобия в количестве 0,001% образуются сложнолегированные карбиды, воздействующие положительно на измельчение аустенитного зерна и очищающие их границы от вредных примесей, а также увеличивающие ударную прочность и прокаливаемость. Увеличение содержания ниобия свыше 0,015% экономически невыгодно и нецелесообразно из-за его отрицательного влияния на жидкотекучесть.
Концентрация азота менее 0,01% не приводит к образованию нитридов, обеспечивающих измельчение действительного зерна, и, как следствие, снижению склонности шаров к раскалыванию при ударных нагрузках. При повышении азота более 0,025% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и образованию пузырей в стали в результате «азотного кипения».
Ограничение содержания серы, фосфора и меди выбрано исходя из качества поверхности готовых мелющих шаров.
Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100Н 10. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ осуществляли прокатку и термообработку шаров с прокатного нагрева по технологии двухстадийного охлаждения с самоотпуском. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение твердости и износостойкости шаров.
Список источников, принятых во внимание при экспертизе
1. А.с. CCCP №1733495, С22С 38/12.
2. JP 2009-041046 A, C22C 38/18, 26.02.2009.
3 JP 07-090379 A, C22C 38/60, 04.04.1995.
4 JP 06-287638 A, C22C 38/14, 11.10.1994.
5. JP 2004-052099 A, C22C 38/00, 19.02.2004.
Таблица 2
Механические свойства стали
Состав
Твердость, МПа
Износ, г
Раскалываемость шаров, %
Величина мартенситной и полумартенситной зоны, мм
на поверхности
на глубине <sup>1</sup>/<sub>2 </sub>R (25 мм)
1
477
388
0,36
0
16
2
555
495
0,22
0,3
35
3
578
524
0,21
1,5
50
4
566
514
0,22
2,0
50
5
589
524
0,20
2,3
50
6
601
534
0,19
3,5
50
прототип
496-524
-
0,19-0,41
2,2-3,7
19-28