Теплостойкая износостойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к составу теплостойкой экономнолегированной стали для заготовок крупногабаритного инструмента горячего деформирования, например, дорнов пилигримовых станов. Сталь обеспечивает высокую износостойкость и теплостойкость, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,15-0,23; марганец 0,5-0,85; хром 2,8-3,3; ванадий 0,1-0,25; ниобий 0,01-0,015; азот 0,005-0,015; железо - остальное, при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 3,7. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке состава стали для крупногабаритного инструмента горячего деформирования дорнов пилигримовых станов.

Имеется серийная сталь для инструмента горячего деформирования: сталь 50ХН (Д-1) следующего состава: углерод 0,47-0,55% марганец 0,57-0,74% кремний 0,21-0,37% хром 1,0-1,1% никель 0,72-0,87% (ТУ1951/4-М).

Дорны, изготовленные из этой стали, быстро изнашиваются при эксплуатации, образцы для испытаний на разгаростойкость из этой стали выдерживают не более 40 теплосмен.

Известна также специально разработанная для пильгердорнов сталь 25Х2М1Ф (СД-2), из которой в настоящее время изготавливаются дорны. Состав этой стали следующий: углерод 0,24-0,32% марганец 0,30-0,60% кремний 0,15-0,40% хром 1,6-1,9% молибден 0,6-0,9% ванадий 0,15-0,25% никель до 0,5% Дорны из этой стали более износостойкие, образцы для испытаний на разгаростойкость выдерживают без разрушения до 100 теплосмен.

Однако дорны из этой стали, содержащей 0,24-0,32 углерода при горячей прокатке труб также выходят из строя из-за появления на поверхности трещин. Трещины возникают вследствие тепловых и структурных напряжений в тонком поверхностном слое дорна, который нагревается при контакте с горячей трубной заготовкой до температуры выше критической Ac1-Ac3.

Кроме того, эта сталь содержит дорогой и дефицитный легирующий элемент - молибден, что делает 1 т стали дороже.

Задачей изобретения стало создание экономнолегированной стали без молибдена и никеля, которая бы обеспечивала износостойкость и теплостойкость не хуже стали-аналога 25Х2М1Ф, содержащей никель до 0,5% и молибден - 0,6-0,9% Указанный технический результат достигается тем, что сталь, содержащая углерод, марганец, хром, ванадий, ниобий, азот и железо, имеет следующее соотношение компонентов: углерод 0,15-0,23% марганец 0,5-0,85% хром - 2,8-3,3% ванадий 0,10 0,25% ниобий 0,01 0,015% азот 0,005-0,015% железо остальное, при этом суммарное процентное содержание Mn + Cr должно быть не менее 3,7% Принцип легирования должен обеспечить в стали структуру мартенсита с минимально возможным содержанием углерода, чтобы поверхностная закалка дорна в процессе эксплуатации не создавала высоких структурных напряжений, обуславливающих появление трещин. В структуре металла дорна должно быть также достаточное количество труднорастворимых карбонитридов, которые должны обеспечить высокую износостойкость стали.

Содержание углерода в предлагаемом составе 0,15-0,23% при высоком содержании хрома 2,8-3,3% обеспечивает прокаливаемость заготовки дорна при закалке в масло, при этом закалка поверхностных слоев дорна при охлаждении на воздухе в процессе эксплуатации создает структуру низкоуглеродистого мартенсита, который вследствие минимальных структурных напряжений не склонен к образованию трещин.

Хром в количестве 2,2-3,3% повышает устойчивость аустенита в перлитной области, что повышает прокаливаемость стали, а также хром повышает теплостойкость стали при отпуске в интервале температур 500-600^oC, т.к. в таких количествах хром снижает скорость коагуляции цементита и способствует выделению дисперсных спецкарбидов типа (CrFe)₇C₃.

Ванадий в количестве 0,10-0,25% также способствует повышению теплостойкости стали в интервале температур 550-650^oC, т.к. карбиды и карбонитриды ванадия, выделившиеся после отпуска в местах дислокаций и на границах мартенситных игл и пакетов, а также скопление атомов ванадия у дефектов решетки тормозят переползание дислокаций, вследствие чего процессы разупрочнения протекают более медленно и сдвигаются в сторону более высоких температур.

Аналогичное, но более интенсивное влияние оказывает ниобий.

Содержание ванадия и ниобия ниже 0,10 и 0,01% соответственно не обеспечивает эффекта торможения разупрочнения, а содержание ванадия и ниобия выше 0,25 и 0,015% соответственно приводит к существенному снижению ударной вязкости.

Азот в стали в количестве 0,005-0,015% в присутствии ванадия и ниобия способствует получению мелкого зерна и повышает износостойкость в результате присутствия в структуре мелкодисперсных карбонитридов.

Сопоставление существенных признаков состава стали-прототипа и заявляемого состава, показывает, что предлагаемый состав обладает новизной по следующим признакам: содержание углерода 0,15-0,23% ниже нижнего предела содержания углерода в прототипе 0,24-0,32% уменьшение содержания углерода повышает температуру начала мартенситного превращения; в результате закалки в масло образуется принципиально новая структура низкоуглеродистого мартенсита с высокой плотностью дислокации и низкими остаточными структурными напряжениями, что существенно отличает эту структуру от структуры углеродистого мартенсита; содержание хрома в заявляемом составе: 2,8-3,3% в 1,5 раза больше, чем в прототипе, что повышает прокаливаемость при пониженном содержании углерода, в результате чего снижаются остаточные структурные напряжения, являющиеся причиной трещинообразования; в составе присутствует ниобий, который способствует повышению износостойкости и обеспечивает, в результате связывания части углерода в карбиды ниобия, образование низкоуглеродистого мартенсита; в составе нет дорогостоящего и дефицитного молибдена; при этом характеристики разгаростойкости стали не уступают аналогичным характеристикам стали-прототипа.

Соответствие предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень" подтверждается отсутствием сведений в научно-технической и патентной литературе об экономнолегированной низкоуглеродистой стали, обеспечивающей разгаростойкость не ниже, чем углеродистая никельмолибденовая сталь.

Пример. Сталь известного и предложенного состава выплавляли в индукционной печи, разливали в слитки весом 50 кг, ковали в прутки размером 100 x 100 и прокатывали в прутки размером 30 x 30 мм. Температура нагрева под горячую обработку давлением 1100-1220^oC. После горячей обработки давлением прутки охлаждали на воздухе.

Химический состав и результаты испытаний на разгаростойкость приведены в табл.1 Ниобий и азот в опытных плавках задавали в пределах предлагаемого состава при различном содержании остальных легирующих элементов. В плавке 1 при минимальном содержании углерода минимальное содержание хрома и ванадия, марганец присутствует в максимальном количестве. В плавке 2 максимальное содержание углерода и всех легирующих, в плавках 3 и 4 при среднем содержании углерода максимальное содержание всех легирующих. Плавка 5 имеет минимальное содержание хрома, марганца и ванадия, так что суммарное содержание (Cr + Mn) ниже предела, заданного в изобретении. В плавке 6 содержание углерода выше предложенного, в плавке 7 среднее содержание углерода и легирующих элементов.

Сравнительные характеристики горячей твердости стали заявленного состава и стали-аналога приведены в табл.2.

Испытание на разгаростойкость (табл.1) проводили на цилиндрических образцах диаметром 25 мм и высотой 20 мм, режим термоциклирования: 760^oC --> 20^oC. За критерий оценки стойкости стали к разгару было принято число циклов до разрушения образцов.

Формула изобретения

Теплостойкая износостойкая сталь, содержащая углерод, марганец, хром, ванадий, и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий и азот при содержании компонентов в следующем соотношении, мас.

Углерод 0,15 0,23
Марганец 0,5 0,85
Хром 2,8 3,3
Ванадий 0,1 0,25
Ниобий 0,01 0,015
Азот 0,005 0,015
Железо Остальное
при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 3,7.

РИСУНКИ

Рисунок 1