Сталь

 

Сталь содержит, мас.% углерод 0,45 - 0,55; кремли 0,15 - 0,35; марганец 0,4 - 0.8; ванадий 0,05 - 0.3, медь 0.10 - OJ25; хром 0.05 - ОД; никель 0,05 - 0,25; титан 0.005 - 0.1; кальций 0,001 - 0,05; нитриды в.энадия 0,02 - 0,15, нитриды титана 0.005 - 0.05; железо - остальное. Изобретенная сталь обеспечивает повышение стрелы прогиба и сопротивления кручению прокатных валков при температурах 800-1000° С 2табп

(щ КЦ (и) 2 (5125 22 8 5 @ Жщця

®-т®НКЮи лиот ц

-ОПИС.АБИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕ1ПУ

Ь)

С0

CO

4И 3

Комитет Российскотт Федерации ио иатентам и товарным знакам (21) 5019145/02 (22) 27.12.91 (46) 15.10.93 Бцп Ne 37-38 (71) Украинский государственный научно-исследовательский институт металлов; Металлургический завод имАКСерова (72) Вихров Л.В.; Коробейник ВВ., Вишнякова ЕН;

Кириллов В.С.; Касьян ВИ; Со) яников Б.Г; Амерханов

С.З.; Гудов В.И; Семков А В. (73) Украинский государственный научно-исследовательский институт,1етвплов и Металпургический завод имЛ.К.Серова (54) С1АЛЬ (57) Сталь содержит, мас%: углерод 0,45 — 0,55; кремний 0,15 — 035; марганец 0,4 — О,&; ванадий

005 — 0,3; медь 0,10 — 025; хром 0,05 — ОД; никель

0,05 — 0,25; титан 0005 — 0,1; кальций 0001 — 0,05; нит риды ванадия 0,02 — 0,15, нитриды титана 0005 — 005; железо — остальное. Изобретенная сталь обеспечивает повышение стрелы прогиба и сопротивления кручению прокатных валков при температурах 800 — 1000 С 2 табл

2001157

55

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для отливки прокатных валков.

Известна сталь следующего состава, мас.%:

Углерод 0,43-40,51

Кремний 0,17 — 0,37

Марганец 0,5-0,8

Хром 0,1 — 0,25

Никель 0,01 — 0,35

Титан 0,01 — 0,03

Железо Остальное

Сталь обладает высокой стабильностью механических свойств. Недостатками известной стали являются невысокий уровень пластичности и прочности.

Известна также сталь следующего состава, мас. :

Углерод 0,45 — 1.0

Кремний 0.03-0,35

Марганец 0,03-0,2

Хром 0,05-0,35

Никель 0,03-0,3

Титан 0,03-1,0

Алюминий 0,005 — 0,1

Кальций 0,001 — 0,03

Железо Остальное

Сталь обладает высокой пластичностью и пониженным изменением линейных размеров при нагреве. Однако она имеет недостаточный уровень износостойкости и жидкотекучести вследствие высокого содержания пленообразующих элементов (Ti, А!).

Известна также коррозионностойкая сталь следующего состава, мас. :

Углерод 0,04 — 0,12

Кремний 0,3 — 0,8

Марганец 0,5-2,5

Хром 1б — 20

Никель 9 — 12

Чиобий 0,05 — 0.1

Азот 0,05-0,1

Титан 0,1-0,6

Церий 0,005-0,01

Нитриды ванадия 0,02-0,3

Железо Ос1ал ьное

Данная сталь обладает высокой ударной вязкостью и корроэионной стойкосгью.

Однако она характеризуется большой склонностью к образованию горячих и холодных трещин в отливках и дороговизной вследствие высокого содержания дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов(Сг, iUi, Nb, Се).

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигземому эффекту является сталь следующего состава. мас. :

Углерод 0,51-1,0

Кремний 0,2 — 1,7

Марганец 0,7-1,7

Хром 0,05-2,0

Никель 0,05- 1,5

Ванадий 0,05-0,3

Медь 0,05 — 1,0

Титан 0,005 — 0,4

Кальций 0,001 — 0,2

Железо Остальное

Известная сталь обладает хорошей износостойкостью и высоким комплексом механических свойств. Недостатками стали данного состава является недостаточный уровень стрелы прогиба и сопротивления кручению. Перечисленные недостатки являются следствием склонности известной стали к образованию анизотронной столбчатой структуры в связи с высоким содержанием в ней карбидообразующих элементов (Cr, Мп, LI, Ti). В процессе затвердевания крупных отливок из данной стали, таких как прокатные валки, в них создается большой градиент температур от поверхности отливки к центру. Это создает предпосылки к направленному росту кристаллов в направлении, обратном направлению теплоотвода. Легирование стали хромом, ванадием и титаном способствует укрупнению кристаллов и усилению столбчатости структуры, Столбчатость структуры приводит к ослаблению межкристаллитной связи вследствие сегрегации примесей по границам зерен и анизотропии свойств. Это обусловливает невысокий уровень стрелы прогиба и сопротивления кручению, что приводит к поломкам прокатных валков при их эксплуатации на прокатных станах.

Целью изобретения является повышение стрелы прогиба и сопротивления кручению при температурах 800-1000 С, Указанная цель достигается тем. что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, титан, кальций, и железо, дополнительно содержит нитриды титана и ванадия при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,45 — 0.55

Кремний 0,15-0,35

Марганец 0,4-0,8

Ванадий 0,05 — 0,3

Медь 0,10-0,25

Хром 0,05 — 0,3

Никель 0.05 — 0,25

Титан 0,005 — 0,1

Кальций 0,001-0,05

Нитриды ванадия 0,02-0,15

Нитриды титана 0,005 — 0,05

Железо Остальное

2001157

10

Прокатные валки при их эксплуатации на станках горячей прокатки испытывают большое механическое и тепловое давление со стороны прокатываемого металла. Рабочая поверхность валков нагревается со стороны проката до температур 800-1000 С. после чего следует резкое охлаждение водой.

При нагреве металла до столь высоких температур в нем происходят процессы перекристэллизэции, сопровождающиеся ростом зерна, а резкое охлаждение способствует развитию микротрещин, главным образом, fEQ границам зерен и развитию межкристаллитной коррозии, Вследствие больших поперечных нагрузок на валок со стороны прокатываемого металла и крутящих моментов со стороны приводных механизмов мелкие трещины на его поверхности получают развитие, что приводит в коне лгом счете к ухудшению качества

fEpoKBTB, сколам и поломкам бочек и треф валков. Для того, чтобы обеспечить стабильную безаварийную работу прокатных станов необходимо повысить уровень таких свойств материала валков, кэк стрела прогиба и сопротивление кручению.

Суть изобретения состоит в том, что в сталь дополнительно вводят нитриды титана и ванадия. При э1ом нитриды титана практически не растворимы в жидком чугуне и могут благодаря своему структурному и размерному соответствию параметрам кристаллической решетки у -железа являться зародышами аустенита.

Создавая в жидком металле плотную взвесь частиц, нитриды титана механически препятствуют росту столбчэтых кристаллов аустенита и выполняя роль затрааок, способствуют получению в стали мелкозернистой крисfàëë«÷eñкой структуры.

Нитр«ды ванад«я, напротив, ограниченно раствор«мы в жидком металле. Исследования, проведенные авторами, показали, что после «х растворения и затвердевания стал«, при тел1перэтурах порядка 800-1000"С происходит выделение нитридов и карбонигридов ванадия из твердого раствора (аус1енитэ), причем кристаллизация нитридoB ванадия. происходит, главным абраэол1, н» поверхности нитридов титана. Высокотвердые нитриды и карбонитриды ванадия препятствуют перемещению границ зерен в процессе перекристэллизации стали при температурах 800-1000 С, дисперг«руют и стабилизируют структуру, чем увеличивают ее сопротивление крутящим нагрузкам. Подобный эффект проявляется только при комплексном вводе нитрид08 титана и ванадия.

При отсутствии нитридов титана, нитриды ванадия выделяются в виде редких крупных включений и, являясь. концентраторами напряжений, способствуют образованию микротрещин в структуре стали. Нитриды титана. не обладая высокой твердостью, в свою очередь не способны тэк эффективно противостоять движению дислокаций и границ зерен, нитриды и кэрбонитриды ванадия. Полученная, таким образом. мелкозернистая, дисперсионно-упрочненнэя структура обладает высокими показателями сопротивления кручению и стрелы прогиба при температурах 800-1000 С, По имеющимся у заявителя данным, в известных решениях отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые отличают заявляемое решение от прототипа, что позволит сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Проведенный анализ состава заявляемой стали и данные экспериментов свидетельствуют о воэможности его промышленного применения, тэк как положительный эффект. заключающийся в повышении стрелы прогиба и сопротивлению кручению будет получен благодаря тому, что будет обеспечено новый технический эффект, заключающийся в комплексном влиянии нитридов титана и ванадия: создании плотной взвеси нитридов титана в жидком металле и выделении нитридов ванадия в твердой стали при 800 — 1000 С, что ведет к получению мелкозернистой, дисперсионно-упрочненной нитридами структуры.

Выбор граничных параметров обусловлен следующим. Углерод в стали данного состава обеспечивает получение ферритоперпитной структуры. обладающей оптимальным сочетанием прочностных и пластических свойств. При содержании углерода менее 0,45ф> снижаются прочностные свойства стали, в том числе сопротивление кручению, При увеличении его содержания более 0,55 снижаются пластичность и стрела прогиба.

Кремний обеспечивает защиту расплава от окисления и хорошую его жидкотекучесть. При содержании кремния менее

0,15 жидкий металл насыщается кислородом, ухудшается его жидкотекучесть и возрэстае1 брак отливок, а увеличение его концентрации более 0,35 приводит к увеличению дифференцированности структуры и ухудшению пластических характеристик.

Марганец в количестве 0,4 — 0,8 повышает дисперсность продуктов распада аустенитэ, и обеспечивает необходимый уровень прочности стали и высокие литейные свойства. Уменьшение содержания

2001157 марганца ниже 0,4% способствует насыщению расплава газами и ухудшению его литейных свойств, а увеличение сверх 0,8% приводит к росту столбчатых кристаллов и снижению стрелы прогиба и сопротивления крутящим воздействиям.

Ванадий совместно с хромом. медью, никелем и титаном обеспечивает стали необходимый уровень иэносостойкости. При содержании менее 0,05% влияние ванадия несущественно, а при концентрации выше

0,3% имеет гиесто направленный рост дендритов, что ухудшает показатели стрелы прогиба и сопротивления кручению.

Медь в количестве 0,10 — 0,25% способствует повышению дисперсности продуктов распада аустенита, прочности и износостойкости стали, При ее содержании менее

0.10%, влияние меди несущественно, а содержание более 0.25% нецелесообразно, так как приводит к удорожанию стали беэ существенного повышения ее физико-механических характеристик, Никель, как и медь. в количестве 0.050,25 повышает дисперсность перли га, а также комплекс прочностных и пластических свойств, При содержании менее 0,05%, влияние никеля незначительно, а при содержании более 0,25% существенно возрастае себестоимость стали, Хром в количестве 0,05-0,30% обеспечивает стали необходимый уровень прочности и износостойкости. Влияние хрома при содержании менее 0,05% несущественно. а при его концентрации более 0,3% увеличивается транскристалличность сплава, Титан в количестве 0,005-0.1 % способствует очищению расплава от водорода, кислорода и других примесей. При содержании ниже 0,005% его влияние незначительно, а при концентрации более 0,1 % воэрзстает склонность расплава стали к пленообразованию и ухудшаются его лигейные свойства, Кальций в количестве 0,001-0,05% обладает большим химическим сродуTBoM к сере и другигл элементам-примесям и очищает от них границы зерен, уBQ!lll÷èíëë тем самым пластические характеристики. При содержании менее 0,001% влияние >лльция не Ilðîqíëÿåòñÿ, а при концеll граLl l1 более

0,05% образуется большое количесгио неметаллических включений, располагающихся по границам зерен, что охруп иьает сталь, Нитриды титана в количесгвс 0,0050,05% обеспечивают полученvå гл лкодисперсной изотропной литой сгруг гуры. При их содержании ниже 0,005%- влияние нитридов не проявляе;ся, а при содвр;-:внии бо5

55 лее 0,05% имеет место коагуляция и флотация нитридов на поверхность расплава.

Нитриды ванадия при температурах

800-1000 С стабилизируют структуру стали, препятствуют перемещению дислокаций и границ зерен, что обеспечивает высокий уровень стрелы прогиба и сопротивления кручению.

Влияние нитридов ванадия при содержании менее 0,02% нHеeз3 н а ч и тTеeл ьbнHоo, а при содержании более 0,15% возрастает доля высокотвердых частиц в структуре сплава, что ведет к ухудшению пластических характеристик, в том числе стрелы прогиба.

Для определения механических свойств заявляемой стали были приготовлены 7 сплавов с граничными и оптимальными, а также выходящими за граничные соотношениями компонентов. Для обеспечения conocòавительного анànèза с прототипом (авт,св. N 663752) был также приготовлен сплав с известныгл оптимальным соотношением компонентов (см. табл. 1). Каждый сплав был приготовлен путем сплавления в индукционной печи соответствующих компонентов или их ферросплавов (металлических ма рг3IIL а, меди, никеля, хрома, феррохрома, ферротигана, углеродного боя, феррованадия, силикокальция, нитридов ванадия и титана) с чистым железом В-3, Температура перегрева расплава в индукционной печи составляла 1600 С, а температура заЛивки 1420":5"С, Из полученных таким образом расплавов заливали стандартные пробы, из которых вырезали образцы для механических испытаний и металлографических исследований, Определение стрелы прогиба и сопротивления глатериала кручсни>о проводили по стандартным мстодикагл. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Как показали данные проведенных испытаний, оптимальные показатели стрелы прогиба (16,8 — 17,4 мм) и сопротивления кручениго (961-987 УПа) характерны для сплавов 2-4 (табл. 2), имеющих заявляемый состав. При уменьшении содержания компонен гав ниже зачвляемых пределов (сплав

И: 1) снижается количество и дисперсность пгрлига, увеличивается средний размер зерна, проявляется направленный рост дендри ов аустенита, так как понижается степень легировэнносги стали, что приводит к снижению стрелы прогиба и сопротивления кручению. При увеличении содержания компонентов выше заявляемых пределов(сплав гг 5) увеличлнается столбчатость и дифференцированность структуры вследствие высокого содержания элементов, способе г ьующих направленному росту кри2001157

Таблица1

Характеристика химического состава исследуемых сплавов

Продолжение табл.1

Табл ица2

Показатели свойств полученных сплавов сталлов (Cr, Mn. V, Ti) и коагуляции нитридов, в результате чего уменьшается стрела прогиба и сопротивление кручению, При отсутствии в составе стали нитридов ванадия или титана не проявляется эффект дисперсионного упрочнения и не достигается высокий уровень стрелы прогиба и сопротивления кручению (сплавы ММ 6,7).

Таким образом, применение стали заявляемого состава обеспечивает повышение по сравнению с прототипом стрелы прогиба и сопротивления кручению при температурах 800 — 1000 С соответственно на 62-67 Д и 16-19 .

Это позволит повысить эксплуатационную стойкость прокатных валков на прокат5 ных станах металлургических заводов, сократить потери времени на перевалку валков и замену вышедших из строя, снизить расход металла, повысить его качество и производительность прокатных станов.

10 (56) Авторское свидетельство СССР

N 663752. кл. С 22 С 38/50. 1976.

2001157

Составитель А. Вихров

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор С.Шекмар

Редактор H,Ñåìåíîâà

Заказ 3114

Тираж Подписное

НПО " Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения сталь, содержащая углерод, ванадий, кремний, марганец, медь, хром, никель, титан, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит нитриды 5 ванадия и нитриды титана при следующем соотношении компонентов, мас. ф:

Углерод 0,45 - 0,55

Кремний 0,15 - 0.35

Марганец 0,4 - 0,8 10

Ванадий

Медь

Хром

Никель

Титан

Кальций

Нитриды ванадия

Нитриды титана

Ж железо

0.05 - 0,30

0,10 - 0.25

0,05 - 0.30

0,05 - 0.25

0,005 - 0,100

0,001 - 0,050

0.02 - 0,15

0,005 - 0.050

Остальное