Сталь

(Я 1) Я 2 11) ТЕН Комитет Россицскотт Федерации о ттатентам и това 1 тиым знакам ОПИС.АИСТЕ ИЗОК ПАТЕПУ(57) Сталь соНекремний 0,15 -065 - 0,3;,медь0,05 - 0,25; титаннит риды ванадия- 005; железообеспечивает потивления крученитурах 800 - 1000 ржит, мас% углерод 0,45 - 0,55;0.35; марганец 0,4 - 0,6; ванадий 0,1 О - 025; хром 0,05 - ОД; никель 0005 - 0,1; кальций 0,001 - 0,05;0,02 - 0,15, нитриды титана 0,005 - остальное. Изобретенная саь вышение стрелы прогиба и сопрою прокатных валков при темпера- фС 2 табп50 55 Изобретение относится к металлургиии может быть использовано для отливкипрокатных валков.Известна сталь следующего состава,мас.%:Углерод 0,43-40,51Кремний 0,17 - 0,37Марганец 0,5-0,8Хром 0,1 - 0,25Никель 0,01 - 0,35Титан 0,01 - 0,03Железо ОстальноеСталь обладает высокой стабильностьюмеханических свойств, Недостатками известной стали являются невысокий уровеньпластичности и прочности.Известна также сталь следующего состава, мас.:Углерод 0,45 - 1.0Кремний 0.03-0,35Марганец 0,03-0,2Хром 0,05 - 0,35Никель 0,03-0,3Титан 0,03-1,0Алюминий 0,005 - 0,1Кальций 0,001 - 0,03Железо ОстальноеСталь обладает высокой пластичностьюи пониженным изменением линейных размеров при нагреве. Однако она имеет недостаточный уровень износостойкости ижидкотекучести вслерствие высокого содержания пленообразующих элементов (Т 1,А),Известна также коррозионностойкаясталь следующего состава, мас, :Углерод 0,04 - 0,12Кремний 0,3 - 0,8Марганец 0,5-2,5Хром 1 б - 20Никель 9 - 12Чиобий 0,05 - 0.1Азот 0,05-0,1Титан 0,1-0,6Церий 0,005-0,01Нитриды ванадия 0,02-0,3Железо Ос 1 альное 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, М, МЬ, Се).Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является сталь следующего состава, мас,о ; Углерод 0,51-1,0Кремний 0,2-1.7Марганец 0,7-1,7Хром 0,05-2,0Никель 0,05-1,5Ванадий 0,05-0,3Медь 0,05 - 1,0Титан 0,005 - 0,4Кальций 0,001 - 0,2Железо ОстальноеИзвестная сталь обладает хорошей износостойкостью и высоким комплексом механических свойств, Недостатками сталиданного состава является недостаточныйуровень стрелы прогиба и сопротивлениякручению, Перечисленные недостатки являются следствием склонности известной стали к образованию анизотронной столбчатойструктуры в связи с высоким содержаниемв ней карбидообразующих элементов (Сг,Мп, Ч, Т). В процессе затвердевания крупных отливок из данной стали, таких как прокатные валки, в них создается большойградиент температур от поверхности отливки к центру, Это создает предпосылки к направленному росту кристаллов внаправлении, обратном направлению теплоотвода, Легирование стали хромом, ванадием и титаном способствует укрупнениюкристаллов и усилению столбчатости структуры, Столбчатость структуры приводит кослаблению межкристаллитной связивследствие сегрегации примесей по границам зерен и анизотропии свойств, Это обусловливает невысокий уровень стрелыпрогиба и сопротивления кручению, чтоприводит к поломкам прокатных валков приих эксплуатации на прокатных станах.Целью изобретения является повышение стрелы прогиба и сопротивления кручению при температурах 800-1000 С,Указанная цель достигается тем. чтосталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, мерь, титан,кальций, и железо, дополнительно содержит нитриды титана и ванадия при следующем соогношении компонентов, мас,о Углерод 0,45 - 0,55Кремний 0,15-0,35Марганец 0,4-0,8Ванадий 0,05 - 0,3Медь 0,10-0,25Хром 0,05 - 0,3Никель 0.05 - 0,25Титан 0,005 - 0,1Кальций 0,001-0,05Нитриды ванадия 0,02 0,15Нитриды титана 0,005 - 0,05Железо Остальное 10 15 20 25 30 35 40 45Прокатные валки при их эксплуатациина станках горячей прокатки испытывают большое механическое и тепловое давлениесо 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 перекристаллиэации, сопровождающиеся ростом зерна, а резкое охлаждение 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 способствует развитию микротрещин, главным образом, по границам зерен и развитию межкристаллитной коррозии, Вследствие больших поперечных нагрузок на валок со стороны прокатываемого металла и крутящих моментов со стороны приводных механизлгов мелкие трещины на его поверхности получают развитие, что приводит в конечном счете к ухудшению качества проката, сколам и поломкам бочек и треф валков. Для того, чтобы обеспечить стабильную безаварийную работу прокатных станов необходимо повысить уровень таких свойств материала валков, как стрела прогиба и сопротивление кручению.Суть изобретения состоит в том, что в сталь дополнительно вводят нитриды титана и ванадия. При э 1 ом 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. Иитриды титана механически препятствуют росту столбчатых кристаллов аустенита и выполняя роль затравок, способствуют получению в стали мелкозернистой крисгаллической структуры.Нитриды ванадия, напротив, ограниченно растворил 1 о в жидком металле. Исследования, проведенные авторами, показали, что после их растворения и эатвердеваггия стали, при тел 1 пературах порядка 800-1000"С происходит выделение нитридов и карбонигридов ванадия из твердого раствора (аус 1 енита), причем кристаллизация нитридов ванадия, происходит, главным обраэол 1, н поверхности нитридов титана, Высокотвердые нитриды и карбонитриды ванадия препятствуют перемещению границ зерен в процессе перекристаллиэации стали при температурах 800-1000 С, диспергируют и стабилизируют структуру, чем увеличивают ее сопротивление крутящим нагрузкам. Подобный эффект проявляется только при комплексном вводе нитридов титана и ванадия. Г 1 ри 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 так эффективно противостоять движению дислокаций и границ зерен, нитриды и карбонитриды ванадия. Полученная, таким образом. мелкозернистая, дисперсионно.упрочненная 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, так как положительный эффект, заключающийся в повышении стрелы прогиба и сопротивлению кручению будет получен благодаря тому, что будет обеспечено новый технический эффект, заключаю. щийся 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 0,45 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 возрастае 1 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 аустенита, и обеспечивает необходимый уровень прочности стали и высокие литейные свойства. Уменьшение содержаниямарганца ниже 0,4% способствует насыщению расплава газами и ухудшению его литейных свойств, а увеличение сверх 0,8%приводит к росту столбчатых кристаллов иснижению стрелы прогиба и сопротивлениякрутящим воздействиям.Ванадий совместно с хромом, медью,никелем и титаном обеспечивает стали необходимый уровень иэносостойкости. Присодержании менее 0,05% влияние ванадиянесущественно, а при концентрации выше0,3 имеет место направленный рост дендритов, что ухудшает показатели стрелыпрогиба и сопротивления кручению,Медь в количество 0,10 - 0,25 способствует повышению дисперснос ги продуктовраспада аустенита, прочности и износостойкости стали, При ее содержании менее0.10%, влияние меди несущественно, а содержание более 0.25% нецелесообразно,так как приводит к удорожанию стали беэсущественного повышения ее физико-механических характеристик,Никель, как и медь, в количестве 0,050,25 повышает дисперсность перли га, а также комплекс прочностных и пластическихсвойств, При содержании менее 0,05 влияние никеля незначительно, а при содержании более 0,25 существенно возрастаесебестоимость стали,Хром в количестве 0,05-0,30 обеспечивает стали необходимый уровень прочности и износостойкости. Влияние хрома присодержании менее 0,05% несущественно, апри его концентрации более 0,3 "увеличивается транскристалличность сплава,Титан в количестве 0,005-0.1 сспособствует 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 кпленообразованию и ухудшаются его лигейные свойства,Кальций в количестве 0,001-0,05% обладает большим химическигл сродством ксере и другигл элементам-примесям и очищает от них границы зерен, увеличила темсамым пластические характеристики. Присодержании менее 0,001 вп ил н ие к лп ьцияне проявляется, а при конценграц и более0,05 образуется большое количество неметаллических включений, располагающихся по границам зерен, что охруп иоаетсталь,Нитриды титана в количесгвс 0,0050,05% обеспечивают получение гллкодисперсной изотропной литой сгруг гуры. Приих содержании ниже 0,005 впяние нитридов не проявляется, а при содвркации бо 5 10 15 20 25 30 35 40 50 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 незначительно, 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 сопоставительного анализа с прототипом (авт,св. М. 663752) был также приготовлен сплав с известныгл оптимальным соотношением компонентов (см. табл, 1). Каждый сплав был приготовлен путем сплавления в индукционной печи соответствующих компонентов ипи их ферросплавов (металлических марганца, меди, никеля, хрома, феррохрома, ферротитана, углеродного боя, феррованадия, силикокальция, нитридов ванадия и титана) с чистым железом В-З, Температура перегрева расплава в индукционной печи составляла 1600 С, а температура заЛивки 1420":5"С, Из полученных такигл образом расцлавов заливали стандартные пробы, из которых вырезали образцы для механических испытаний и металлографических исследований, Определение стрелы прогиба и сопротивления глатериала кручению проводили цо стандартным мстодикагл, Результаты испытаний приведены в табл. 2Как показали данные проведенных испытаний, оптимальные показатели стрелы прогиба (16,8 - 17,4 мм) и сопротивления кручению (961-987 УПа) характерны для сплавов 2-4 (табл. 2), имеющих заявляемый состав. При уменьшении содержания компонен гав ниже зачвпяемых пределов (сплав И: 1) снижается количество и дисперсность цгрлита, увеличивается средний размер зерна. проявляется направленный рост дендриов аусзенита, так как понижается степень легировэнности стали, что приводит к снижению стрелы прогиба и сопротивления кручению. При увеличении содержания компонентов выше заявляемых пределов(сплав М 5) увеличлнается столбчатость и дифференцированность структуры вследствие высокого содержания элементов, способствующих направленному росту кри2001157 10 Таблица 1 Характеристика химического состава исследуемых сплавов Продолжение табл.1 Таблица 2 Показатели свойств полученных сплавов сталлов (Сг, Мп, Ч, Т) 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 оьи 16-19,Это позволит повысить эксплуатационную стойкость прокатных валков на прокат 5 ных станах металлургических заводов,сократить потери времени на перевалкувалков и замену вышедшихиз строя, снизить расход металла, повысить его качествои производительность прокатных станов.10(56) Авторское свидетельство СССРМ 663752. кл, С 22 С 38/50, 1976.2001157 Составитель А. ВихровТехред М.Моргентал Корректор С.Шекмар Редактор Н,СеменоваЗаказ 3114 Тираж Подписное НПО " Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретениястдль, 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 ВанадийМедьХромНикельТитанКальцийНитриды ванадияНитриды титанаЖ железо 0.05 - 0,30 0,10- 0,25 0,05 - 0,30 0,05 - 0.25 0,005 - 0,100 0,001 - 0,0500.02 - 0,15 0,005 - 0.050Остальное