СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ С ИЗНОСОСТОЙКИМ НАПЛАВЛЕННЫМ СЛОЕМ
PRODUCTION OF BIMETALLIC INGOTS WITH WEAR PROOF DEPOSITED LAYER

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению биметаллических листов с наплавленным (плакирующим) слоем из износостойкой стали и основным слоем из легированной стали. Основные требования, предъявляемые к таким полосам и листам, определяющие их эксплуатационные характеристики: высокие характеристики прочности соединения слоев, высокая вязкость стали основного слоя, удовлетворительное качество поверхности после прокатки, определенный химический состав и структура стали плакирующего слоя, обеспечивающие технологичность двухслойного листа или полосы при изготовлении изделий, высокую твердость и износостойкость плакирующего (рабочего) слоя после термической обработки изделия.
Известен способ получения биметаллических износостойких листов прокаткой биметаллических заготовок, полученных литейным способом. Трехслойные литые заготовки из стали 60 + сталь 15 + сталь 60, а также литые заготовки из стали У9 + сталь 10 + сталь У9 прокатывают на лист толщиной 7 мм. Такой способ не обеспечивает высокой прочности сцепления слоев в биметаллическом листе и при изготовлении из него изделий возможно появление расслоений.
(Кобелев А.Г., Лысак В.И., Чернышев В.Н., Быков А.А., Востриков В.П. Производство металлических слоистых композиционных материалов С.99 103 2002 - г.Москва Издательство «Интермет Инжиниринг»)
Известен способ получения биметаллической заготовки наплавкой заготовки основного слоя плакирующим слоем и дальнейшую ее горячую прокатку. При этом не обеспечиваются стабильный химический состав и структура плакирующего слоя, а, следовательно, его технологические и эксплуатационные свойства. Кроме того, при недостаточной глубине проплавления заготовки основного слоя прочность сцепления слоев может быть недостаточной для сохранения надежного соединения при изготовлении изделий и их термической обработке.
(Кобелев А.Г., Лысак В.И., Чернышев В.Н., Быков А.А., Востриков В.П. Производство металлических слоистых композиционных материалов С.82-89 2002 - г.Москва Издательство «Интермет Инжиниринг»)
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллических листов и полос, включающий получение биметаллической заготовки наплавкой заготовки основного слоя плакирующим слоем и ее последующую прокатку, отличающийся тем, что наплавку заготовки основного слоя из углеродистой или низколегированной стали осуществляют плакирующим слоем из инструментальной или конструкционной стали, содержащей, мас.%: углерод 0,50-2,20, марганец 0,10-2,00, кремний 0,10-2,00, хром 0,01-18,00, вольфрам до 2,00, молибден до 2,00,ванадий до 2,50,железо остальное, отношение толщины плакирующего слоя к глубине проплавления заготовки основного слоя поддерживают в пределах 2-200, глубину проплавления заготовки основного слоя в пределах 1-20 мм, прокатку двухслойной заготовки проводят в интервале температур 1200-800°C, а охлаждение проката проводят замедленно, обеспечивая время пребывания в интервале температур 800-500°C 1-10 ч.
Известный способ направлен на повышение прочности сцепления слоев в биметаллическом листе или полосе, повышение технологичности двухслойной стали при изготовлении изделий путем создания оптимальной структуры плакирующего слоя в процессе горячей прокатки и охлаждения, обеспечение высокой твердости и износостойкости плакирующего слоя после термической обработки изделий за счет стабилизации его химического состава, а также обеспечение удовлетворительного качества поверхности листов и полос после горячей прокатки.
(Патент RU 2076793, МПК B23K 20/24, опубликован 10.04.1997 - прототип)
Недостаток способа - прототипа заключается в том, что при содержании хрома более 2% (в сочетании с вольфрамом) не обеспечивается низкая твердость в состоянии поставки (соответственно, недостаточная технологичность), а при содержании хрома не более 2% (при содержании вольфрама менее 0,01%) не достигается высокая твердость изделия после закалки.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении арсенала технических средств для получения биметаллических листов с износостойким наплавленным слоем с высокими показателями прочности и сплошности сцепления слоев, повышенных показателях технологичности при изготовлении изделий и высоких показателях прочности, твердости и износостойкости готового изделия.
Технический результат изобретения - расширение арсенала технических средств за счет изменения составов стали основного и плакирующих слоев и проведения отжига горячекатаных листов с получением высоких показателей прочности и сплошности сцепления слоев, с повышенной технологичностью при изготовлении изделий и высокими показателями прочности, твердости и износостойкости готового изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллических листов, включающим получение биметаллического слитка наплавкой заготовки основного слоя плакирующим износостойким слоем, выполненным из высокоуглеродистой легированной стали, горячую прокатку, согласно изобретению, заготовку основного слоя изготавливают из стали, содержащей, мас.%:
углерод 0,10-0,50,
кремний 0,5-1,5,
марганец 0,5-1,5,
хром 0.5-1,5,
фосфор не более 0,025,
сера не более 0,025, железо и неизбежные примеси - остальное,
сталь плакирующего слоя содержит, мас.%:
углерод 0,7-1,2,
кремний 0,1-1,7,
марганец 0,15-0,80,
хром 0.6-2,0,
вольфрам 0,02-1,0
ванадий 0,02-0,2,
молибден до 0,3,
фосфор не более 0,025,
сера не более 0,025,
железо и неизбежные примеси - остальное,
после горячей прокатки проводят отжиг при температуре 680-820°С.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Использование в качестве основного слоя биметаллических листов легированной стали указанного состава с ограниченным содержанием серы и фосфора способствует обеспечению высоких показателей прочности и вязкости, необходимых для обеспечения высокого ресурса эксплуатации износостойкого биметаллического материала, подвергающегося ударным нагрузкам.
Плакирующий слой биметаллических листов, состоящий из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,7-1,2, кремний 0,1-1,7, марганец 0,15-0,80, хром 0,6-2,0, вольфрам 0,02-1,0, ванадий 0,02-0,2, молибден до 0,3, фосфор не более 0,025, сера не более 0,025, железо и неизбежные примеси - остальное, обеспечивает высокий уровень износостойкости.
Обязательным условием получения высоких показателей технологичности при изготовлении изделий, является обеспечение низкой твердости листов перед изготовлением изделия. Высокая твердость готового изделия после закалки является показателем его износостойкости. Низкая твердость проката достигается путем использование после горячей прокатки отжига при температуре 680-820°C. В результате выдержки при этих температурах, с одной стороны происходит отпуск мартенсита, что снижает твердость, с другой стороны, формируются твердые частицы карбидов, в том числе хрома и ванадия, которые вызывают дополнительное (+к мартенситу) упрочнение готового изделия.
Пример реализации изобретения.
Биметаллические слитки с основным слоем из легированной стали (состав стали приведен в таблице 1) и плакирующим слоем из высокоуглеродистой стали повышенной износостойкости (состав стали проведен в таблице 2) с толщиной плакирующего слоя 10-100 мм были получены электрошлаковой наплавкой. Слитки нагревали для горячей прокатки до температур 1150-1250°C и прокатывали на листы толщиной 10 мм.
Проводили ультразвуковой контроль листов для контроля сплошности соединения слоев в соответствии с требованиями ГОСТ 10885-85 «Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая. Технические условия» и ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля». Сплошность соединения слоев на всех листах соответствовала классам 1-0, что является показателем высокого качества.
Далее проводили порезку полученного раската на мерные листы и последующий отжиг (параметры отжига указаны в таблице 3) для снижения твердости плакирующего слоя и повышения его технологичности при получении изделий. Лист варианта 6 с основным и плакирующим слоем таким же, как и для варианта 5, отжигу не подвергали. Механические свойства и показатели твердости плакирующего слоя указанных листов приведены в таблице 3.
Для оценки служебных свойств биметалла от указанных листов были отобраны образцы, на которых определяли механические свойства и твердость плакирующего слоя после термической обработки, имитирующей термическую обработку готовых изделий: закалки от температуры 950°С с низкотемпературным отпуском при 200°C.
Механические свойства конечной продукции и показатели твердости плакирующего слоя, полученные на образцах после закалки и отпуска, представлены в таблице 4.
В качестве показателя технологичности биметаллического проката следует принять значение твердости плакирующего слоя в состоянии поставки - после горячей прокатки или после горячей прокатки с последующим отжигом. При ее значении менее 300 НВ биметалл можно оценить как имеющий высокую технологичность при изготовлении изделий.
За показатели износостойкости приняты твердость плакирующего слоя и предел прочность биметаллического проката после закалки и отпуска. Экспериментально установлено, что износостойкость можно считать высокой, если значение твердости составляет не менее 62 HRC, а значение предела прочности - не менее 950 Н/мм.
Использование отжига для листов вариантов 1-5 привело к существенному снижению твердости плакирующего слоя по сравнению с вариантом 6 (без отжига): твердость снизилась от 350 НВ до 300 НВ и менее (см. таблицу 3). Из вариантов с отжигом наиболее высокое значение твердости 300 НВ получено после отжига при температуре 660°C (вариант 2 - недостаточная технологичность). Это свидетельствует о необходимости использования отжига при заявленных температурах для обеспечения высокой технологичности биметалла.
Из таблицы 4 следует, что отжиг при заявленных температурах является также обязательным условием обеспечения высокой твердости плакирующего слоя после закалки и отпуска.
Снижение содержания марганца в стали основного слоя (вариант 3) не обеспечивает требуемой прочности биметалла.
Таким образом, удовлетворительную технологичность в сочетании с высоким ресурсом эксплуатации имеют варианты 1,4 и 5, соответствующие формуле изобретения.
Таблица 1
Химический состав стали основного слоя
№ варианта
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
Р
S
Fe и примеси
1
0,3
0,96
0,91
0,86
0,012
0,004
остальное
2
0,33
1,01
0,98
0,93
0,011
0,003
остальное
3
0,12
1,42
0,4
1,2
0,010
0,003
остальное
4
0,35
0,97
0,95
0,91
0,010
0,004
остальное
5
0,29
0,93
0,87
0,84
0,012
0,003
остальное
6
0,29
0,93
0,87
0,84
0,012
0,003
остальное
Таблица 2
Химический состав плакирующего слоя
№ варианта
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
W
V
Мо
Р
S
Fe и примеси
1
0,70
1,38
0,54
0,78
0,02
0,02
0,005
0,013
0,003
остальное
2
0,79
0,30
0,30
1,73
0,098
0,039
0,02
0,012
0,005
остальное
3
0,97
0,52
0,23
1,8
0,09
0,031
0,011
0,009
0,003
остальное
4
0,795
1,04
0,47
1,30
0,085
0,039
0,018
0,014
0,003
остальное
5
0,85
0,29
0,37
1,58
0,078
0,035
0,016
0,010
0,002
остальное
6
0,85
0,29
0,37
1,58
0,078
0,035
0,016
0,010
0,002
остальное
Таблица 3
Механические свойства биметаллических листов перед изготовлением изделий
№ варианта
Температура отжига, °C
Предел текучести,Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
Твердость основного слоя НВ
Твердость плакирующего слоя НВ
Из-гиб
1
740
420
770
20,5
197
255
Уд
2
670
430
770
16,0
197
300
Уд
3
750
350
630
25,0
176
285
Уд
4
760
460
840
16,5
197
290
Уд
5
745
455
810
16,5
207
285
Уд
6
без отжига
480
850
14,0
220
350
Уд
Таблица 4
Механические свойства конечной продукции после закалки и отпуска
№ варианта
Предел текучести, Н/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение, %
HRC основного слоя
HRC плакирующего слоя
Изгиб
1
550
920
17
34
62
уд
2
590
960
15
33
61
уд
3
470
850
25
24
63
уд
4
590
980
13
34
64
уд
5
580
970
12
35
65
уд
6
530
920
12
34
60
уд