Способ производства листов толщиной 2-20 мм из высокопрочной износостойкой стали (варианты)
METHOD FOR PRODUCING SHEETS WITH THICKNESS OF 2-20 mm OF HIGH-STRENGTH WEAR-RESISTANT STEEL (OPTIONS)

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.
В
0,2
5
-40
Известен способ производства сверхвысокопрочной листовой стали, включающий получение непрерывнолитого сляба из стали, содержащей, углерод 0,40-0,47%, кремний 0,20-0,50%, марганец 0,50-0,90%, хром 0,40-0,80%, никель 1,80-2,30%, молибден 0,30-0,50%, ванадий 0,02-0,06%, алюминий 0,02-0,08%, азот 0,001-0,010%, медь 0,10-0,20%, ниобий 0,002-0,020%, титан 0,002-0,015%, бор 0,001-0,005%, сера не более 0,005%, фосфор не более 0,010%, железо – остальное, его нагрев, горячую прокатку, закалку при температуре 930-980°C и отпуск листов при температуре 170-200°C. Листы, изготовленные известным способом, имеют временное сопротивление разрыву у=1900-2200 Н/ммI, условный предел текучести у≥1500 Н/ммI, твердость 560-640 HBW, относительное удлинение д≥8%, ударную вязкость KCV≥15 Дж/смI при толщине листа 8 мм (RU 2583229, МПК C21D 8/02, C21D 9/42, C22C 38/54, F41H 5/02, 10.05.2016 г.).
К недостаткам данного способа производства можно отнести низкое гарантируемое значение ударной вязкости KCV-40, ограничения по производимому сортаменту, весьма высокое содержание углерода, которое приводит к повышенному углеродному эквиваленту, что не только негативно сказывается на свариваемости, но и повышает риск образования термических трещин при закалке от таких высоких температур.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам является высококачественный низколегированный износостойкий стальной лист с твердостью по Бринеллю более 550HB, изготовленный из стали, содержащей углерод 0,33-0,41%, кремний 0,50-0,60%, марганец 0,30-0,80%, фосфор не более 0,012%, серу не более 0,003%, хром 0,30-1,00%, молибден 0,20-0,60%, никель 0,80-1,20%, титан 0,008-0,030%, ниобий 0,015-0,050%, ванадий 0,080-0,150%, бор 0,0008-0,0025%, азот не более 0,0040%, кислород не более 0,0025%, железо и неизбежные примеси – остальное. Содержание мартенсита в микроструктуре стального листа составляет более 95%. Способ изготовления листа из высокосортной низколегированной износостойкой стали с твердостью по Бринеллю более 550HB включает выплавку стали заданного химического состава, разливку слябов толщиной 150-300 мм, их нагрев до температуры 1180-1220°С, черновую прокатку с обжатием не менее 12% с температурой конца черновой прокатки не менее 980°C, чистовую прокатку с общим обжатием не менее 50% при температуре 950-800°C контролируемое охлаждение или охлаждение на воздухе до комнатной температуры, последующую термическую обработку путем закалки при температуре 820-930°C и отпуска при температуре 100-250°C. Высококачественный низколегированный износостойкий стальной лист имеет предел прочности при растяжении более 1900 МПа, твердость более 570HBW, низкотемпературную работу удара при -20°C не менее 20 Дж при толщине листа 12-40 мм (CN 108018492, МПК C22C 38/46, C22C 38/54, C21D 8/02, C21D 1/18, C21D 6/00, 11.05.2018 г.).
К недостаткам данного метода можно отнести гарантию работы удара только при температуре -20°С, а также достаточно низкое гарантируемое значение данного параметра, информация по результатам испытаний металлопроката при более низкой температуре отсутствует.
Технический результат – получение металлопроката толщиной от 2,0 до 20,0 мм с твердостью по Бринеллю от 480 до 610 НВ и гарантированной ударной вязкостью не менее 30 Дж.
Технический результат достигается тем, что в способе производства листов толщиной 2-20 мм из высокопрочной износостойкой стали, по варианту 1, включающем выплавку стали, разливку непрерывнолитых заготовок, их нагрев, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, чистовую прокатку раската в лист конечной толщины, термическую обработку в виде закалки и отпуска и последующее охлаждение на спокойном воздухе, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую, мас.%:
углерод
0,25-0,40
кремний
не более 1,40
марганец
0,40-1,00
хром
0,80-1,40
никель
не более 2,0
медь
не более 0,20
титан
0,02-0,08
ванадий
не более 0,03
ниобий
не более 0,10
молибден
0,10-0,50
азот
не более 0,010
алюминий
0,01-0,08
бор
0,001-0,005
сера
не более 0,005
фосфор
не более 0,015
железо и неизбежные примеси
остальное
причем углеродный эквивалент Сэкв стали составляет не более 0,84,
черновую прокатку ведут до толщины раската, кратной не менее 2,5 толщин готового листа, чистовую прокатку начинают при температуре не более 980°С и завершают при температуре 820-880°С, закалку проводят при температуре 910-950°С, а отпуск проводят при температуре 150-260°С, при этом после чистовой прокатки размер аустенитного зерна составляет не более 40 мкм, а структура листа после закалки и отпуска состоит из мартенсита.
Технический результат достигается также тем, что в способе производства листов толщиной 2-20 мм из высокопрочной износостойкой стали по варианту 2, включающем выплавку стали, разливку непрерывнолитых заготовок, их нагрев, черновую прокатку в раскат промежуточной толщины, чистовую прокатку раската в лист конечной толщины, смотку и последующее охлаждение на спокойном воздухе, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую, мас.%:
углерод
0,25-0,40
кремний
не более 1,40
марганец
0,40-1,00
хром
0,80-1,40
никель
не более 2,0
медь
не более 0,20
титан
0,02-0,08
ванадий
не более 0,03
ниобий
не более 0,10
молибден
0,10-0,50
азот
не более 0,010
алюминий
0,01-0,08
бор
0,001-0,005
сера
не более 0,005
фосфор
не более 0,015
железо и неизбежные примеси
остальное
причем углеродный эквивалент Сэкв стали составляет не более 0,84,
черновую прокатку ведут до толщины раската, кратной не менее 2,5 толщин готового листа, чистовую прокатку заканчивают при температуре не более 980°С, а смотку проводят при температуре 640-720°С.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Высокие показатели твердости и прочности стали при заявленном уровне энергии удара достигаются путем формирования мартенситной структуры 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 480-610 НВ и более является 0,25-0,40%. В случае пониженных концентраций углерода обеспечивается более низкая твердость, а повышение содержания углерода приводит к снижению пластических свойств проката, ухудшает свариваемость и увеличивает риск образования трещин при термической обработке, а также горячих трещин в слябе.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее прочность без образования карбидов и нитридов, способствует повышению устойчивости мартенсита. Содержание кремния более 1,4% нежелательно ввиду ухудшения пластичности стали.
Марганец повышает прокаливаемость, приводит к снижению переходной температуры вязко-хрупкого перехода, что актуально 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 0,40% снижается прокаливаемость, что приводит к снижению твердости проката. Также марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает серу.
С целью обеспечения мартенситной структуры и равномерной прокаливаемости проката сталь в своем составе содержит легирующие элементы, которые обеспечивают повышение прокаливаемости (хром, молибден, бор).
Содержание хрома более 1,4% приводит к снижению пластичности стали и ухудшению свариваемости. При содержании хрома менее 0,8% не обеспечивается требуемая прокаливаемость проката.
Для формирования мартенситной структуры, а также для предотвращения процесса отпускной хрупкости необходим молибден. Также молибден благоприятно изменяет распределение вредных примесей, уменьшая их концентрацию по границам зерен. 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 0,015%, 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 0,08% при кристаллизации стали формируются крупные нитридные и карбонитридные титансодержащие неметаллические включения, что оказывает отрицательное влияние на вязкость стали. При содержании титана менее 0,02% эффект ограничения роста зерна не наблюдается.
Добавка алюминия необходима для раскисления стали. Концентрация алюминия более 0,08% приводит к образованию корундовых включений, которые являются концентраторами напряжений и негативно влияют на процесс непрерывной разливки. Снижение содержания алюминия менее 0,08% 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.
Медь повышают устойчивость аустенита, что особенно важно при завершающей термообработке, однако значительное ее содержание приводит к высокой себестоимости готового проката. Для стали заявленной композиции легирования содержание меди ограничено 0,20%, что тем не менее обеспечивает требуемые свойства проката.
Никель способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, его содержание ограничено 2,0%, т.к. содержание данного элемента более 2,0% приводит к повышению себестоимости 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 более 0,03% и ниобия более 0,1% 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 0,84% для обеспечения требуемой физической свариваемости стали.
Вариант 1.
Для обеспечения проработки структуры листов по толщине и обеспечения оптимальных условий измельчения зерна аустенита в процессе деформации чистовую прокатку проводят от толщины раската, кратной не менее 2,5 толщин готового листа. При меньшей толщине раската  прокат получается с крупным зерном аустенита, что негативно сказывается на ударной вязкости проката.
Температура начала чистовой прокатки не более 980°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, при температуре прокатки ниже 820°С происходит подстуживание раската, что приводит к неравномерной микроструктуре проката после горячей прокатки и снижению производительности стана.
Закалка проката после нагрева до температуры 910-950°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.
Отпуск закаленных листов в диапазоне 150-260°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 40 мкм.
Вариант 2.
Для обеспечения проработки структуры проката по толщине и обеспечения оптимальных условий измельчения зерна аустенита в процессе деформации чистовую прокатку проводят от толщины раската, кратной не менее 2,5 толщин готового проката. При меньшей толщине раската прокат получается с крупным зерном аустенита, что негативно сказывается на ударной вязкости проката.
Температура конца чистовой прокатки не более 980°C необходима для более интенсивного измельчения зерна аустенита.
Температура смотки более 720°С приводит к снижению работы удара после окончательной термической обработки, при температуре смотки ниже 640°С происходит подстуживание проката, что приводит к неравномерной микроструктуре проката после горячей прокатки, что негативно влияет на комплекс механических свойств при последующей термической обработке.
Примеры реализации.
Вариант 1. Плавка стали, химический состав которой приведен в таблице 1, проводилась в кислородном конвертере. Разливка стали проводилась на машине непрерывного литья в слябы сечением 250Ч1570 мм. Данные слябы нагревались под прокатку в методической нагревательной печи, прокатка слябов осуществлялась на реверсивном стане 2800 в раскаты толщиной 8,0-20,0 мм (таблица 2). 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 (таблица 2).
Результаты испытаний проката, произведенного по приведенным в таблице 2 технологическим режимам, представлены в таблице 3.
Таблица 1
Химический состав стали
Варианты химического состава
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
Mo
Ti
Nb
V
B
N
С<sub>экв</sub>
1
0,35
1,04
0,54
0,0089
0,0027
0,99
1,65
0,18
0,015
0,35
0,0039
0,051
0,0049
0,0036
0,008
0,83
2
0,35
0,34
0,97
0,008
0,001
0,86
0,06
0,03
0,041
0,22
0,03
0,003
0,005
0,003
0,007
0,73
Таблица 2
Технологические режимы производства проката
Вариант химического состава
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
1
20
8
965
835
930
200
1
25
10
971
842
930
200
1
30
12
954
855
930
200
1
35
14
973
863
930
200
1
40
20
978
871
930
200
2
20
8
954
842
940
250
2
25
10
960
848
940
250
2
30
12
965
851
940
250
2
35
14
977
868
940
250
2
40
20
972
874
940
250
Таблица 3
Результаты по механическим испытаниям и микроструктуре готового проката
Толщина листа, мм
Вариант химического состава
Условный предел текучести у<sub>0,2</sub>, МПа
Предел прочности у<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение д<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ
Работа удара (KV-40), Дж
Микроструктура
Размер зерна аустенита, мкм
10
1
1620
1970
13
555
49
Мартенсит
~30
12
1
1560
1960
9
555
31
Мартенсит
~30
14
1
1620
1940
8
534
46
Мартенсит
~40
16
1
1620
2000
8
514
40
Мартенсит
~40
20
1
1790
1860
9
590
38
Мартенсит
~40
8
1
1780
1940
8
601
36
Мартенсит
~30
10
2
1470
1890
10
514
40
Мартенсит
~30
12
2
1600
1930
8
603
34
Мартенсит
~30
14
2
1460
1700
9
604
33
Мартенсит
~40
16
2
1430
1950
10
563
40
Мартенсит
~40
20
2
1560
1810
8
581
30
Мартенсит
~40
0,2
в
5
Таким образом, применение заявленного способа по варианту 1 обеспечивает достижение требуемого результата, заключающегося в получении высокопрочного металлопроката в указанном диапазоне толщин с требуемым уровнем механических свойств: условный предел текучести уне менее 1200 МПа, временное сопротивление разрыву у не менее 1400 МПа; твердости по Бринеллю 480-610 HB; относительное удлинение д не менее 8%; работа удара KV-40 не менее 30 Дж.
Вариант 2. Плавка стали, химический состав которой приведен в таблице 4, проводилась в кислородном конвертере. Разливка стали проводилась на машине непрерывного литья в слябы сечением 250Ч1570 мм. Данные слябы нагревались под прокатку в нагревательной печи с шагающими балками, прокатка слябов осуществлялась на непрерывном широкополосном стане 2000 с последующей смоткой в рулоны толщиной 2,4-6,0 мм (таблица 5). После завершения прокатки проводилось термостатирование полученных рулонов в течение не менее 19 часов. После термостатирования рулоны подвергались механической резке на листы.
Результаты испытаний у потребителя представлены в таблице 6.
Таким образом, применение заявленного способа по варианту 2 обеспечивает достижение требуемого результата, заключающегося в получении высокопрочного металлопроката в указанном диапазоне толщин с требуемым уровнем механических свойств: условный предел текучести у0,2 не менее 1200 МПа, временное сопротивление разрыву ув не менее 1400 МПа; твердости по Бринеллю 480-610 HB; относительное удлинение д5 не менее 8%; работа удара KV-40 не менее 30 Дж.
Таблица 4
Химический состав стали
Варианты химического состава
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
Al
Mo
Ti
Nb
V
B
N
С<sub>экв</sub>
1
0,35
1,04
0,54
0,0089
0,0027
0,99
1,65
0,18
0,02
0,35
0,0039
0,051
0,0049
0,0036
0,008
0,83
3
0,35
0,34
0,97
0,008
0,001
0,86
0,06
0,03
0,04
0,22
0,03
0,003
0,005
0,003
0,007
0,73
Таблица 5
Технологические режимы производства проката
Вариант химического состава
Толщина раската после черновой прокатки, мм
Толщина проката, мм
Температура конца чистовой прокатки, °С
Температура смотки, °С
1
29,6
2,4
950
647
1
32,0
6,3
975
713
2
33,8
2,4
927
653
2
33,7
6,0
932
719
Таблица 6
Толщина проката, мм
Вариант химического состава
Условный предел текучести у<sub>0,2</sub>, МПа
Предел прочности у<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение д<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ
Работа удара (KV-40), Дж
Микроструктура
Размер зерна аустенита, мкм
2,4
1
1550
1740
8
580
35
Мартенсит
~30
6,0
1
1520
1700
8
560
32
Мартенсит
~30
2,4
2
1570
1760
8
600
37
Мартенсит
~30
6,0
2
1550
1730
8
570
36
Мартенсит
~30