Способ производства высокопрочного износостойкого металлопроката
METHOD FOR PRODUCTION OF HIGH-STRENGTH WEAR-RESISTANT ROLLED METAL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочного износостойкого металлопроката, который может использоваться для горно-шахтного оборудования, ковшей экскаваторов, рыхлителей, футеровки кузовов самосвалов.
Известен способ производства толстолистового высокопрочного износостойкого проката, включающий выплавку стали, содержащей углерод 0,18-0,28%, кремний 0,20-0,70%, марганец 0,50-1,60%, фосфор не более 0,025%, сера не более 0,010%, никель 0,03-1,50%, хром 0,03-1,00%, медь 0,03-0,50%, молибден 0,03-0,60%, ниобий 0,01-0,08%, титан 0,005-0,05%, алюминий 0,035-0,08%, кальций 0,001-0,01%, азот не более 0,008%, бор 0,001-0,005%, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом при отношении Ti/N<3,42 минимально допустимое содержание алюминия определяют из соотношение Al=0,035+(3,42×N-Ti)×1,93, где N, Ti - содержание азота и титана в стали, углеродные эквиваленты СЕТ и CEV составляют не более 0,43% и 0,60% соответственно, внепечную обработку, непрерывную разливку в слябы, нагрев слябов, многопроходную черновую прокатку в температурном интервале 900-1150°С до толщины раската 2,5-5 толщин готового листа, подстуживание, многопроходную чистовую прокатку в температурном интервале от 900°С до температуры не менее Ar3+20°С, ускоренное охлаждение до температуры 20-550°С со скоростью 9-40°С/с, закалку водой от температуры 870-950°С и отпуск при температуре 150-400°С (RU 2691809, МПК C21D 8/02, C22C 38/54, 2019).
К недостаткам известного способа производства можно отнести химический состав, не позволяющий обеспечить стабильный комплекс свойств (твердость по Бринеллю 500 НВ и более) для металлопроката в толщинах от 8 до 50 мм, повышенное легирование молибденом и никелем, что влечет за собой увеличение себестоимости готового продукта.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам является износостойкая стальная пластина марки 500HB, характеризующаяся тем, что ее массовое процентное соотношение химических элементов составляет: углерод 0,25-0,31%; кремний 0,13-0,42%; марганец 0,75-1,33%; хром не более 1,12%; молибден не более 0,51%; алюминий 0,025-0,063%; титан 0,013-0,041%; бор 0,0008-0,0025%; РЗМ 0,02-0,07%; кальций 0,002-0,008%; никель не более 0,87%; P не более 0,032%; сера не более ≤0,015%; Fe и другие неизбежные примеси - остальное. Способ изготовления износостойкого стального листа марки 500НВ указанного химического состава включает выплавку, разливку заготовок, нагрев заготовок до температуры 1000-1300°, горячую прокатку, последующее охлаждение на воздухе, закалку при температуре Ac3-(Ac3+100 °) с охлаждением водой после выхода из печи, и отпуск при температуре 150-350°, с последующем охлаждением на воздухе (CN 102260829, МПК C22C 38/54, 2013).
К недостаткам известного способ можно отнести отсутствие гарантий по работе удара KV при -40°С (в данном способе гарантия свойств только при -20°С).
Технический результат - получение листового проката толщиной от 8 до 50 мм для изготовления износостойкого оборудования с твердостью 475-580 НВ и гарантированной работой удара KV-40 не менее 30 Дж.
Технический результат достигается тем, что в способе производства высокопрочного износостойкого металлопроката, включающем выплавку стали, разливку непрерывнолитых заготовок, их нагрев, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, чистовую прокатку раската в листы конечной толщины, термическую обработку и последующее охлаждение на спокойном воздухе, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую, мас.%:
углерод 0,25-0,40
кремний 0,20-0,40
марганец 0,70-1,00
хром 0,60-1,10
никель не более 0,10
медь не более 0,20
титан 0,01-0,05
ванадий не более 0,03
ниобий не более 0,03
молибден 0,10-0,50
азот не более 0,010
алюминий 0,01-0,06
бор 0,001-0,005
сера не более 0,005
фосфор не более 0,01
железо и неизбежные примеси - остальное,
углеродный эквивалент Сэкв не более 0,76,
черновую прокатку ведут до толщины раската, кратной 2,0-2,5 толщин готового листа, чистовую прокатку начинают при температуре не более 990°С и завершают при температуре не более 880°С, термическую обработку проводят в виде закалки и отпуска, причем температура закалки составляет 880-960°С, температура отпуска 290-340°С, при этом после чистовой прокатки размер аустенитного зерна составляет не более 60 мкм, а структура листа после закалки и отпуска состоит из мартенсита.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Высокая прочность стали достигается путем формирования мартенситной структуры, процессам твердорастворного упрочнения за счет добавок микролегирующих элементов и при формировании оптимального размера аустенитных зерен перед мартенситным превращением. Основное упрочнение и высокий уровень твердости обеспечиваются главным образом за счет содержания углерода в стали.
Оптимальным содержанием углерода для стали с твердостью 475-580 НВ является 0,25-0,40%. В случае пониженных концентраций углерода обеспечивается более низкая твердость, а повышение содержания углерода приводит к снижению пластических свойств проката и увеличивает риск образования трещин при термической обработке.
Кремний способствует повышению устойчивости стали против отпуска. Содержание кремния более 0,4% нежелательно ввиду ухудшения пластичности стали. Кремний также необходим для раскисления стали, поэтому его минимальное содержание в стали ограничено 0,2%.
Марганец повышает прокаливаемость, приводит к снижению переходной температуры вязко-хрупкого перехода, что актуально для обеспечения высокого уровня работы удара в случае эксплуатации материала в условиях ударно-абразивного изнашивания, а также при эксплуатации изделий при отрицательных температурах. Повышение содержания марганца в стали более 1,0% при высоком содержании углерода приводит к ухудшению свариваемости стали. При содержании марганца ниже 0,70% снижается прокаливаемость, что приводит к снижению твердости проката.
С целью обеспечения мартенситной структуры и равномерной прокаливаемости толстолистового проката в толщинах до 50 мм сталь в своем составе содержит легирующие элементы, которые обеспечивают повышение прокаливаемости (хром, молибден, бор).
Содержание хрома более 1,10% приводит к снижению пластичности стали. При содержании хрома менее 0,6% не обеспечивается требуемая прокаливаемость проката на больших толщинах. Также хром оказывает положительное влияние на износостойкость проката.
Для формирования мартенситной структуры, а также для предотвращения процесса отпускной хрупкости необходим молибден. При содержании молибдена менее 0,10% существенных изменений свойств высокопрочной стали не выявлено. Содержание молибдена более 0,50% приводит к повышению себестоимости готового проката.
Для получения мартенситной структуры и повышения прокаливаемости применяется бор. Данный эффект наблюдается только при нахождении свободного бора в твердом растворе. При содержании бора более 0,005% наблюдается ухудшение вязкости и свариваемости стали. При содержании бора менее 0,001% повышения прокаливаемости не наблюдается. Легирование стали бором эффективно и не приводит к дефектам при совместном легировании с титаном, т.к. титан эффективно препятствует связыванию B в нитриды, так как нитрид титана образуется в диапазоне температур как минимум на 200°С выше, чем BN.
Фосфор и сера оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали, поэтому содержание фосфора ограничено в количестве не более 0,01%, а серы не более 0,005%.
Микролегирование стали титаном применяется для обеспечения мелкозернистой структуры проката путем ограничения роста зерна при нагреве под прокатку. При содержании титана более 0,05% при кристаллизации стали формируются крупные нитридные и карбонитридные титансодержащие неметаллические включения, что оказывает отрицательное влияние на вязкость стали. При содержании титана менее 0,01% эффект ограничения роста зерна не наблюдается.
Добавка алюминия необходима для раскисления стали. Концентрация алюминия более 0,06% приводит к образованию корундовых включений, которые являются концентраторами напряжений и негативно влияют на процесс непрерывной разливки. Снижение содержания алюминия менее 0,01% может привести к ухудшению ударной вязкости стали. Если при раскислении в жидкий металл введено алюминия меньше того количества, которое необходимо для связывания всего кислорода (минимум 0,01%), то сталь будет крупнозернистой, что в свою очередь окажет отрицательное влияние на ударную вязкость.
Никель и медь повышают устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке, однако значительное содержание данных легирующих элементов приводит к высокой себестоимости готового проката. Для стали заявленной композиции легирования содержание никеля ограничено 0,10%, меди - 0,20%, что тем не менее обеспечивает требуемые свойства проката.
Микролегирование стали ванадием и ниобием эффективно тормозит рекристаллизацию и рост зерна при нагреве, что в свою очередь позволяет сохранять требуемый уровень механических свойств, однако при содержании ванадия и ниобия более 0,03% при легировании титаном происходит значительное удорожание процесса производства стали и себестоимости готового металлопроката.
Азот отрицательно влияет на свойства стали, если он находится в твердом растворе, т.к. свободный азот ухудшает пластичность и вязкость стали. Повышение содержание азота в стали способствует образованию нежелательного нитрида бора, поэтому его концентрация должна составлять не более 0,01%.
экв
Углеродный эквивалент С ограничен величиной 0,76% для обеспечения требуемой физической свариваемости стали.
Для обеспечения удовлетворительной проработки структуры листов по толщине и обеспечения оптимальных условий измельчения зерна аустенита в процессе деформации чистовую прокатку проводят от толщины раската, кратной 2,0-2,5 толщин готового листа. При меньшей толщине раската (менее 2 толщин готового листа) прокат получается с крупным зерном аустенита, что негативно сказывается на ударной вязкости проката.
Температура начала чистовой прокатки не более 990°C необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита.
При температуре конца чистовой прокатки более 880°С происходит последеформационный рост аустенитных зерен, что снижает комплекс механических свойств.
Закалка проката после нагрева до температуры 880-960°С обеспечивает получение мартенситной структуры по всей толщине проката, а, следовательно, позволяет добиться высокой твердости по всему сечению листа. Равномерная микроструктура и равномерное распределение твердости по сечению проката положительно влияют на износостойкость проката.
Отпуск закаленных листов в диапазоне 290-340°С позволяет снизить остаточные напряжения в металле и избежать риска образования трещин; позволяет обеспечить требуемую ударную вязкость при сохранении высокой твердости и прочности.
Структура проката после термообработки представляет собой мартенсит, размер аустенитного зерна не более 60 мкм.
Примеры реализации.
Плавка стали, химический состав которой приведен в таблице 1, проводилась в кислородном конвертере. Разливка стали проводилась на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1570 мм. Данные слябы нагревались под прокатку в методической нагревательной печи, прокатка слябов осуществлялась на реверсивном стане 2800 в раскаты толщиной 8,0-50,0 мм. После завершения прокатки проводилась правка раскатов и охлаждение раскатов на спокойном воздухе. После охлаждения раскаты подвергались механической резке на листы. После порезки листы подвергались закалке и отпуску.
Варианты реализации способа и механические свойства высокопрочного проката представлены в таблицах 2 и 3, соответственно.
0,2
в
5
Из таблицы 3 следует, что при реализации заявленного способа производства по заданным режимам листовой прокат обладает необходимым комплексом прочностных и пластических свойств во всем диапазоне толщин от 8 до 50 мм: условный предел текучести σболее 1200 МПа, предел прочности σ более 1400 МПа, относительное удлинение δ 8% и более, твердость 485-563 НВ и работа удара (KV-40) 35 Дж и более.
Таким образом, применение заявленного способа обеспечивает достижение требуемого технического результата. Высокая работа удара и высокая твердость проката обеспечивают повышенную стойкость к абразивному и ударно-абразивному износу.
Таблица 1
Химический состав стали
Содержание химических элементов, масс.%
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
Mo
Ti
Nb
V
B
N
С<sub>экв</sub>
0,32
0,39
0,97
0,008
0,001
0,83
0,06
0,03
0,046
0,22
0,026
0,003
0,005
0,0031
0,007
0,70
Таблица 2
Режимы производства
Толщина раската после черновой прокатки, мм
Толщина листа, мм
Температура начала чистовой прокатки, °С
Температура конца чистовой прокатки, °С
Температура нагрева под закалку, °С
Температура нагрева под отпуск, °С
20
8
980
815
902
290
25
10
990
838
920
300
30
15
985
825
943
330
36
16
961
849
920
300
40
20
986
836
940
300
50
25
986
854
940
292
70
30
983
852
940
270
80
40
913
826
941
293
100
50
931
861
942
296
Таблица 3
Механические свойства и структура готова листа
Толщина листа, мм
Условный предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Предел прочности σ<sub>в</sub>, Мпа
Относительное удлинение δ<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ
Работа удара (KV-40), Дж
Микроструктура
Размер зерна аустенита, мкм
8
1510
1820
10
529
45
Мартенсит отпуска, 100%
~30
10
1510
1920
11
518
38
Мартенсит отпуска, 100%
~30
15
1510
1790
12
524
45
Мартенсит отпуска, 100%
~40
16
1580
1880
9
527
38
Мартенсит отпуска, 100%
~40
20
1451
1770
9
514
51
Мартенсит отпуска, 100%
~40
25
1410
1850
10
514
41
Мартенсит отпуска, 100%
~52
30
1580
1715
8
518
40
Мартенсит отпуска, 100%
~52
40
1470
1910
8
563
41
Мартенсит отпуска, 100%
~60
50
1370
1640
8
566
44
Мартенсит отпуска, 100%
~60