СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ, ОБЛАДАЮЩЕЙ АБРАЗИВНОЙ СТОЙКОСТЬЮ, И ПОЛУЧЕННЫЙ ЛИСТ Российский патент 2008 года по МПК C22C38/54 C22C38/42 C21D8/02 

Настоящее изобретение относится к стали, обладающей абразивной стойкостью, и к способу ее изготовления.

Известны стали, обладающие абразивной стойкостью, имеющие твердость по Бринеллю, близкую к 400, содержащие около 0,15% углерода, а также марганец, никель, хром и молибден с содержанием менее нескольких процентов для обеспечения их достаточной закаливаемости. Закалку этих сталей осуществляют таким образом, чтобы получить полностью мартенситную структуру. Их преимуществом является относительная простота в применении при сварке, резании или гибке. Однако их недостатком является ограниченная абразивная стойкость. Конечно, известно повышение абразивной стойкости путем увеличения содержания углерода, то есть повышения твердости. Но тогда применение этих сталей является сложным при обработке.

Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков путем создания листовой стали, обладающей абразивной стойкостью, которая при всех прочих равных параметрах обладает лучшей абразивной стойкостью по сравнению с известными сталями с твердостью 400 по Бринеллю и сохраняет при этом способность к обработке, сравнимую с этими сталями.

В этой связи объектом настоящего изобретения является способ изготовления детали и, в частности, листа из стали, обладающей абразивной стойкостью, при этом в химический состав такой стали входят, мас.%:

0,1≤С<0,23

0≤Si≤2

0≤Al≤2

0,5≤Si+Al≤2

0≤Mn≤2,5

0≤Ni≤5

0≤Cr≤5

0≤Mo≤1

0≤W≤2

0,05≤Мо+W/2≤1

0≤Cu≤1,5

0≤В≤0,02

0≤Ti≤0,67

0≤Zr≤1,34

0,05<Ti+Zr/2≤0,67

0≤S≤0,15

N<0,03

- при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, в которую входят Nb, Та и V, с таким содержанием, чтобы Nb/2+Та/4+V≤0,5%;

- в случае необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, в которую входят Se, Те, Са, Bi, Pb, с содержанием, меньшим или равным 0,1%,

при этом остальное составляет железо и примеси, образующиеся при изготовлении, при этом химический состав дополнительно отвечает следующим соотношениям:

С*=С-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0,095%

и:

Ti+Zr/2-7×N/2≥0,05%

и:

1,05×Mn+0,54×Ni+0,50×Cr+0,3×(Mo+W/2)^1/2+К>1,8 или лучше 2

при К=1, если В≥0,0005%, и К=0, если В<0,0005%,

при этом сталь имеет мартенситную или бейнитно-мартенситную структуру после самоотпуска, при этом упомянутая структура дополнительно содержит карбиды и от 5 до 20% аустенита.

В соответствии с этим способом деталь или лист подвергают термической обработке путем закалки, осуществляемой в нагревательной установке для горячего формования, такого как прокатка, или после аустенизации путем нагревания в печи, которая состоит в осуществлении следующих операций:

- лист охлаждают со скоростью охлаждения, превышающей 0,5°С/с, в диапазоне температур, превышающем АС₃, и температурой Т=800-270×С*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Мо+W/2) и примерно до Т-50°С, при этом температура выражена в °С, а содержание в С*, при этом Mn, Ni, Cr, Мо и W выражены в мас.%;

- затем лист охлаждают со средней скоростью сквозного охлаждения Vr<1150×толщина^-1,7 (°С) и превышающей 0,1°С/с от температуры Т до 100°С, при этом толщина является толщиной листа в мм;

- лист охлаждают до температуры окружающего воздуха и, в случае необходимости, осуществляют правку.

В случае необходимости после закалки осуществляют отпуск при температуре, меньшей 350°С, предпочтительно меньшей 250°С.

Настоящее изобретение касается также листа, изготовленного в соответствии с этим способом, плоскостность которого отличается прогибом, меньшим или равным 12 мм/м, предпочтительно меньшим 5 мм/м, при этом сталь имеет структуру, состоящую на 5-20% из остаточного аустенита, а остальная часть структуры является мартенситной или мартенситно-бейнитной и содержит карбиды. Толщина листа может находиться в пределах от 2 до 150 мм.

Предпочтительно твердость составляет от 280 до 450 по Бринеллю.

Далее следует более подробное описание настоящего изобретения, которое не является ограничительным и проиллюстрировано двумя примерами.

Для изготовления листа в соответствии с настоящим изобретением получают сталь следующего химического состава, мас.%:

- более 0,1 углерода, чтобы получить достаточную твердость и обеспечить образование карбидов, но менее 0,23, предпочтительно менее 0,22, чтобы сохранить хорошую способность к сварке и резке;

- от 0 до 0,67 титана и от 0 до 1,34 циркония, причем эти значения содержания таковы, что сумма Ti+Zr/2 превышает 0,05, предпочтительно превышает 0,1 и еще предпочтительнее превышает 0,2, чтобы сталь содержала крупные карбиды титана или циркония, повышающие абразивную стойкость. Но сумма Ti+Zr/2 должна оставаться меньше 0,67, так как за пределами этого значения сталь не будет содержать достаточного количества свободного углерода, чтобы иметь достаточную твердость. Кроме того, содержание Ti+Zr/2 предпочтительно должно быть меньше 0,50 или, лучше, меньше 0,40 и даже 0,30, если требуется обеспечить достаточную вязкость материала;

- от 0 (или следы) до 2 кремния и от 0 (или следы) до 2 алюминия, при этом сумма Si+Al находится в пределах от 0,5 до 2 и предпочтительно превышает 0,7 и еще предпочтительнее превышает 0,8. Эти элементы, являющиеся раскислителями, дополнительно способствуют получению метастабильного остаточного аустенита с высоким содержанием углерода, преобразование которого в мартенсит сопровождается значительным разбуханием, способствующим закреплению карбидов титана;

- от 0 (или следы) до 2 или даже 2,5 марганца, от 0 (или следы) до 4 или даже 5 никеля и от 0 (или следы) до 4 или даже 5 хрома, чтобы получить достаточную закаливаемость и скорректировать механические или заданные характеристики. В частности, присутствие никеля благотворно сказывается на вязкости, но этот элемент является дорогим. Хром также формирует мелкие карбиды в мартенсите или бейните, способствующие повышению абразивной стойкости;

- от 0 (или следы) до 1 молибдена и от 0 (или следы) до 2 вольфрама, при этом сумма Мо+W/2 находится в пределах от 0,05 до 1 и предпочтительно остается меньше 0,8 или даже меньше 0,5. Эти элементы повышают закаливаемость и образуют в мартенсите или в бейните мелкие упрочняющие карбиды, в частности, путем осаждения при самоотпуске во время охлаждения. Не обязательно превышать содержание вольфрама, равное 1%, для достижения желаемого действия, в частности, что касается осаждения упрочняющих карбидов. Молибден может быть заменен, полностью или частично, двойным весом вольфрама. Тем не менее, на практике к такой замене не стремятся, так как она не дает преимущества по сравнению с молибденом и обходится дороже;

- при необходимости, от 0 до 1,5% меди. Этот элемент может обеспечить дополнительное повышение твердости, не ухудшая при этом способности к сварке. За пределами 1,5% он уже не дает значительного эффекта и порождает сложности при горячей прокатке будучи к тому же неоправданно дорогим;

- от 0 до 0,02% бора. Этот элемент можно добавлять вариантно, чтобы повысить закаливаемость. Для обеспечения этого действия содержание бора предпочтительно должно превышать 0,0005 или даже 0,001% и не должно существенно превышать 0,01%;

- до 0,15% серы. Этот элемент является остаточным и, как правило, ограничен 0,005% или менее, но его содержание может быть произвольно повышено для улучшения обрабатываемости резанием. Необходимо отметить, что в присутствии серы, чтобы избежать сложностей при горячей обработке давлением, содержание марганца должно быть более чем в 7 раз выше содержания серы;

- при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, в которую входят ниобий, тантал и ванадий, с таким содержанием, чтобы сумма Nb/2+Та/4+V оставалась ниже 0,5% для формирования относительно крупных карбидов, повышающих абразивную стойкость. Но образованные этими элементами карбиды менее эффективны, чем карбиды, образованные титаном или цирконием, поэтому их использование является вариантным и их добавляют в ограниченном количестве;

- при необходимости, один или несколько элементов, выбранных из группы, в которую входят селен, теллур, кальций, висмут и свинец, с содержанием менее 0,1% каждый. Эти элементы предназначены для улучшения обрабатываемости резанием. Необходимо отметить, что, когда сталь содержит Se и/или Те, содержание марганца должно быть достаточным с учетом содержания серы, чтобы она могла образовывать селениды или теллуриды марганца;

- остальное составляет железо и примеси, появляющиеся при варке стали. Среди примесей можно, в частности, указать азот, содержание которого зависит от способа получения, но не превышает 0,03%, при этом, как правило, составляет 0,025%. Азот может реагировать с титаном или цирконием с образованием нитридов, которые не должны быть слишком крупными, чтобы не ухудшать вязкость. Чтобы избежать образования крупных нитридов, титан и цирконий можно добавлять в жидкую сталь очень постепенно, например, путем контактирования жидкой окисленной стали с окисленной фазой, такой как шлак, содержащий оксиды титана или циркония, затем путем раскисления жидкой стали, чтобы заставить медленно диффундировать титан или цирконий из окисленной фазы в жидкую сталь.

Кроме того, чтобы получить удовлетворительные свойства, содержание углерода, титана, циркония и азота выбирают таким образом, чтобы:

С*=С-Ti/4-Zr/8+7×N/8≥0,095%

и предпочтительно С*≥0,12%, чтобы получить более высокую твердость и, следовательно, лучшую абразивную стойкость. Величина С* представляет собой содержание свободного углерода после осаждения карбидов титана и циркония с учетом образования нитридов титана и циркония. Это содержание свободного водорода С* должно превышать 0,095%, чтобы получить мартенситную или мартенситно-бейнитную структуру достаточной твердости.

С учетом возможного образования нитридов титана или циркония для того, чтобы количество карбидов титана или циркония было достаточным, содержание Ti, Zr и N должно быть таким, чтобы:

Ti+Zr/2-7×N/2≥0,05%.

Кроме того, химический состав выбирают таким образом, чтобы получить достаточную закаливаемость стали с учетом толщины изготавливаемого листа. Для этого химический состав должен отвечать соотношению:

закаливаемость=1,05×Mn+0,54×Ni+0,50×Cr+0,3×(Мо+W/2)^1/2+К>1,8 или даже 2 при К=1, если В≥0,0005%, и К=0, если В<0,0005%.

Кроме того, чтобы получить хорошую абразивную стойкость, микроструктура стали должна состоять из мартенсита или бейнита или из смеси этих двух структур и из 5-20% остаточного аустенита. Кроме того, эта структура содержит крупные карбиды титана или циркония, образовавшиеся при высокой температуре, и, возможно, карбиды ниобия, тантала или ванадия. Согласно способу изготовления, который будет описан ниже, эту структуру стали подвергают отпуску таким образом, чтобы она содержала также карбиды молибдена или вольфрама и, возможно, карбиды хрома.

Авторы изобретения пришли к выводу, что на эффективности крупных карбидов для повышения абразивной стойкости могло отрицательно сказаться их преждевременное появление и что этого появления можно было избежать за счет присутствия метастабильного аустенита, трансформирующегося под действием абразивных явлений. Поскольку преобразование метастабильного аустенита происходит путем разбухания, это преобразование в подверженном абразивному воздействию подслое повышает сопротивление появлению карбидов и таким образом повышает абразивную стойкость.

С другой стороны, повышенная твердость стали и присутствие охрупчивающих карбидов титана заставляют максимально ограничить операции правки. С этой точки зрения авторы изобретения констатировали, что при замедлении в достаточной степени охлаждения в области бейнитно-мартенситного преобразования уменьшаются остаточные деформации продуктов, что позволяет ограничить операции правки. Авторы изобретения пришли к выводу, что, охлаждая деталь или лист при средней скорости сквозного охлаждения Vr<1150×толщина^-1,7 (в этой формуле толщина является толщиной листа в мм, а скорость охлаждения выражается в °С/с) при температуре ниже Т=800-270×°С-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Мо+W/2) (выраженной в °С), снижали остаточные напряжения, порождаемые изменениями фазы. Это замедленное охлаждение в бейнитно-мартенситной области способствует, кроме того, самоотпуску, приводящему к образованию карбидов молибдена, вольфрама или хрома, и улучшает износостойкость матрицы, окружающей крупные карбиды.

Для изготовления достаточно ровного листа с хорошей абразивной стойкостью и способностью к применению варят сталь, отливают ее в виде сляба или слитка. Сляб или слиток подвергают горячей прокатке для получения листа, который проходит через термическую обработку, одновременно позволяющую получить необходимую структуру и хорошую плоскостность без дальнейшей правки или с ограниченной правкой. Термическую обработку можно проводить в нагревательной установке для производства проката или, возможно, после холодной или полугорячей правки.

Во всех случаях для осуществления термической обработки:

- сталь нагревают до температуры выше точки АС₃, чтобы придать ей полностью аустенитную структуру, в которой, тем не менее, сохраняются карбиды титана или циркония;

- затем ее охлаждают при средней скорости сквозного охлаждения, превышающей критическую скорость бейнитного преобразования, до температуры, находящейся в пределах от Т=800-270×°С-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Мо+W/2) до Т-50°С примерно, чтобы избежать образования феррито-перлитных компонентов, для чего достаточно проводить охлаждение со скоростью, превышающей 0,5°С/с;

- затем в пределах от определенной таким образом температуры (то есть составляющей приблизительно от Т до Т-50°С) и примерно до 100°С охлаждают лист со средней скоростью сквозного охлаждения Vr, меньшей 1150×толщина^-1,7 и превышающей 0,1°С/с для получения необходимой структуры;

- и лист охлаждают до температуры окружающего воздуха, предпочтительно, но не обязательно, при медленной скорости.

Кроме того, можно осуществлять термообработку для снятия внутренних напряжений, такую как отпуск, при температуре, меньшей или равной 350°С, предпочтительно меньшей 250°С.

Под средней скоростью охлаждения следует понимать скорость охлаждения, равную разности между температурами начала и конца охлаждения, поделенной на время охлаждения между этими двумя температурными точками.

Таким образом получают лист, толщина которого может находиться в пределах от 2 до 150 мм, который отличается отличной плоскостностью, характеризующейся прогибом, меньшим 3 мм на метр, без осуществления правки или при умеренной правке. Лист имеет твердость от 280 до 450 по Бринеллю. Эта твердость, в основном, зависит от содержания свободного углерода С*=С-Ti/4-Zr/8+7×N/8. Чем больше содержание свободного углерода, тем выше твердость. Чем меньше содержание свободного углерода, тем легче этот лист применять. При одинаковом содержании свободного углерода, чем больше содержание титана, тем лучше абразивная стойкость.

В качестве примера рассмотрим стальные листы толщиной 30 мм, обозначенные А, В, С и D в соответствии с настоящим изобретением, Е и F - из предшествующего уровня техники и G и Н, взятые в качестве сравнения. Химический состав сталей, выраженный в 10^-3 мас.%, а также твердость и показатель износостойкости Rus представлены в таблице.

  СSiAlMnNiCrМоWTiВNТв.БRusА1805503017502001700150-150263601,51В14021061014506501720230120160373451,42С2208302512502201350275 350253602,03D1587803512502501340260 110353631,3Е1753602517202001200250-20354201,08F1503203017302501260310--263801G2103402512302601350280 350253601,11Н1503202512552501360260 105363660,81

Износостойкость сталей измеряют потерей веса призматического образца, вращаемого в чане, содержащем калиброванные гранулы кварцита, в течение 5 часов.

Показатель износостойкости Rus стали является отношением износостойкости стали F, взятой в качестве контрольной, к износостойкости рассматриваемой стали.

Листы А-Н аустенизируют при 900°С.

После аустенизации:

- стальной лист А охлаждают со средней скоростью 0,7°С/с до температуры выше температуры Т, определенной ранее (примерно 460°С), и со средней скоростью 0,13°С/с до температуры ниже этого значения согласно изобретению;

- стальные листы В, С, D охлаждают со средней скоростью 6°С/с до температуры выше температуры Т, определенной ранее (примерно 470°С), и со средней скоростью 1,4°С/с до температуры ниже этого значения согласно изобретению;

- стальные листы Е, F, G и Н, взятые для сравнения, охлаждают со средней скоростью 20°С/с до температуры выше температуры Т, определенной ранее, и со средней скоростью 12°С/с до температуры ниже этого значения.

Листы А-D имеют после самоотпуска мартенситно-бейнитную структуру, содержащую примерно 10% остаточного аустенита, а также карбиды титана, тогда как листы Е-G имеют полностью мартенситную структуру, при этом листы G и Н содержат также крупные карбиды титана.

Можно сделать вывод, что листы А, В, С и D имеют существенно лучшую абразивную стойкость, хотя их твердость ниже, чем у листов Е и F. Меньшие значения твердости, в основном соответствующие меньшим значениям содержания свободного углерода, способствуют лучшему поведению при применении.

Сравнение примеров С, D, F, G и Н показывает, что повышение абразивной стойкости является не просто результатом добавления титана, а результатом комбинации из добавления титана и структуры, содержащей остаточный аустенит. Действительно, можно заметить, что стали F, G и Н, структура которых не содержит остаточного аустенита, обладают вполне сравнимой абразивной стойкостью, тогда как стали С и D, содержащие остаточный аустенит, имеют существенно лучшую абразивную стойкость.

Кроме того, сравнение пар G и Н, с одной стороны, и С и D, с другой стороны, показывает, что присутствие остаточного аустенита существенно повышает эффективность титана. Для примеров С и D переход содержания титана от 0,110 до 0,350% выражается повышением абразивной стойкости на 56%, тогда как для сталей G и Н повышение составляет всего 37%.

Это наблюдение можно отнести за счет возросшего эффекта закрепления карбидов титана окружающей матрицей, когда она содержит остаточный набухающий при использовании аустенит, способный преобразоваться в твердый мартенсит.

Кроме того, деформация после охлаждения без правки для листов из стали А или В составляет 6 мм/м, а для листов из сталей Е и F - 17 мм/м. Эти результаты показывают снижение деформации продуктов, полученных в соответствии с настоящим изобретением.

Отсюда следует, что исходя из уровня требований по плоскостности, выдвигаемых потребителями:

- можно либо поставлять продукты без правки (выигрыш в стоимости и в остаточных напряжениях);

- либо осуществлять правку, чтобы удовлетворить более строгие требования по плоскостности (например, 5 мм/м), но более легкую и требующую меньше остаточных напряжений за счет меньшей деформации, присущей продуктам в соответствии с настоящим изобретением.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления листовой стали, обладающей износостойкостью. Для повышения износостойкости стального листа его получают из стали с составом, мас.%: 0,1%≤С<0,23, 0≤Si≤2, 0≤Al≤2, 0,5≤Si+Al<2, 0≤Mn≤2,5, 0≤Ni≤5, 0≤Cr≤5, 0≤Мо≤1, 0≤W≤2, 0,05≤Mo+W/2≤1, 0≤В≤0,02, 0≤Ti≤0,67, 0≤Zr≤1,34, 0,05≤Ti+Zr/2≤0,67, 0≤S≤0,15, N≤0,03, при необходимости от 0 до 1,5 Cu; при необходимости Nb, Та, и V с таким содержанием, чтобы Nb/2+Ta/4+V≤0,5; при необходимости Se, Те, Са, Bi и Pb с содержанием, меньшим или равным 0,1%; остальное составляет железо и примеси. Кроме того, 0,095%≤C*=C-Ti/4-Zr/8+7×N/8, Ti+Zr/2-7×N/2≥0,05% и 1,05×Mn+0,54×Ni+0,50×Cr+0,3×(Mo+W/2)^1/2+K≥1,8 при К=1, если В≥0,0005%, и К=0, если В≤0,0005%. После аустенизации проводят охлаждение со скоростью ≥0,5°С/с в диапазоне температур Ас₃ и Т=800-270×C*-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×(Mo+W/2) и примерно до Т-50°С, затем проводят охлаждение со скоростью 0,1≤Vr≤1150×ер^-1,7 в интервале температур Т-100°С (ер-толщина листа в мм); затем проводят охлаждение до температуры окружающего воздуха и, при необходимости, осуществляют правку. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления листа из износостойкой стали, включающий получение стали, закалку, отличающийся тем, что получают сталь следующего химического состава, мас.%:

0,1≤С<0,23

0≤Si≤2

0≤Al≤2

0≤Mn≤2,5

0≤Ni≤5

0≤Cr≤5

0≤Мо≤1

0≤W≤2

0≤В≤0,02

0≤Ti≤0,67

0≤Zr≤1,34

0≤S≤0,15

N<0,03

при необходимости: 0≤Cu<1,5,

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Nb, Та, и V, при условии: Nb/2+Ta/4+V≤0,5;

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Se, Те, Са, Bi, Pb с содержанием, меньшим или равным 0,1,

остальное железо и образующиеся в результате плавки примеси,

при выполнении следующих условий:

0,5≤Si+AL≤2;

0,05≤Mo+W/2≤1;

0,05<Ti+Zr/2≤0,67,

при соблюдении следующих соотношений:

C*=C-Ti/4-Zr/8+7·N/8≥0,095;

Ti+Zr/2-7·N/2>0,05;

1,05·Mn+0,54·Ni+0,50·Cr+0,3·(Mo+W/2)^1/2+K>1,8

при К=1, если В≥0,0005 и К=0, если В<0,0005,

закалку осуществляют после горячего деформирования или после аустенизации при нагреве в печи, сначала лист охлаждают со средней скоростью охлаждения, превышающей 0,5°С/с, в диапазоне температур, превышающем Ас₃, и температурой от T=800-270·C*-90·Mn-37·Ni-70·Cr-83·(Mo+W/2) и примерно до Т-50°С, затем лист охлаждают со средней скоростью сквозного охлаждения Vr≤1150·ер^-1,7 и превышающей или равной 0,1°С/с в интервале температур от Т до 100°С, охлаждают до температуры окружающего воздуха и, при необходимости, осуществляют правку,

где ер - толщина листа, мм.

1,05·Mn+0,54·Ni+0,50·Cr+0,3·(Mo+W/2)^1/2+K>2,

С≤0,22

Ti+Zr/2≥0,10,

С*≥0,12,

Si+Al≥0,7.

0,01≤С<0,23

0≤Si≤2

0≤Al≤2

0≤Mn≤2,5

0≤Ni≤5

0≤Cr≤5

0≤Мо≤1

0≤W≤2

0≤В≤0,02

0≤Ti≤0,67

0≤Zr≤1,34

0≤S≤0,15

N<0,03

при необходимости 0≤Cu<1,5,

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Nb, Та, и V при условии Nb/2+Ta/4+V≤0,5;

при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Se, Те, Са, Bi, Pb с содержанием, меньшим или равным 0,1,

остальное железо и образующиеся в результате плавки примеси,

при выполнении следующих условий:

0,5≤Si+AL≤2;

0,05≤Mo+W/2≤1;

0,05<Ti+Zr/2≤0,67;

и при выполнении следующих соотношений C-Ti/4-Zr/8+7·N/8≥0,095;

Ti+Zr/2-7·N/2>0,05;

1,05·Mn+0,54·Ni+0,50·Cr+0,3·(Mo+W/2)^l/2+K>1,8,

при К=1, если В≥0,0005 и К=0, если В<0,0005,

при этом сталь содержит мартенситную или мартенситно-бейнитную структуру, карбиды и от 5 до 20% остаточного аустенита.

1,05·Mn+0,54·Ni+0,50·Cr+0,3·(Mo+W/2)^1/2+K>2;

С≤0,22;

C-Ti/4-Zr/8+7·N/8≥0,12;

Ti+Zr/2≥0,10;

Si+Al≥0,7.