RU2137859C1

RU2137859C1 - Wear-resistant steel

Info

Publication number: RU2137859C1
Application number: RU98117793A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Рашников; А.А. Морозов; Р.С. Тахаутдинов; В.М. Колокольцев; К.Н. Вдовин; В.П. Анцупов
Original assignee: Колокольцев Валерий Михайлович
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: invention relates to foundry wear-resistant steels that can be used for making machine rolls for continuous backing casting. Proposed steel has components at the following ratio, wt. -%: carbon 0.2-0.3; silicon 0.17-0.37; manganese 0.25-0.6; chrome 1.4-1.8; molybdenum 0.25-0.40; vanadium 0.7-1.1; titanium 0.06-0.12; boron 0.003-0.005; calcium 0.005-0.01, iron - the rest. Ratio %V + %Ti/%C = 3.5-4.5 must be maintained. EFFECT: increased wear-resistance and heat stability of steel. 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным износостойким сталям, используемым для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного износа, например, для получения роликов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). The invention relates to metallurgy, namely to casting wear-resistant steels used for the manufacture of castings operating under abrasive conditions, for example, to obtain rollers of continuous casting machines (CCM).

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, ванадий, кальций, азот и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,82-1,1
кремний - 0,2-0,5
марганец - 6,5-10,0
хром - 2,0-4,5
ванадий - 0,03-0,1
титан - 0,02-0,18
кальций - 0,006-0,05
азот - 0,01-0,04
железо - остальное.Known steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, titanium, vanadium, calcium, nitrogen and iron, in the following ratio, wt.%:
carbon - 0.82-1.1
silicon - 0.2-0.5
Manganese - 6.5-10.0
chrome - 2.0-4.5
vanadium - 0.03-0.1
titanium - 0.02-0.18
calcium - 0.006-0.05
nitrogen - 0.01-0.04
iron is the rest.

Однако у этой стали недостаточная теплостойкость (см. а.с. СССР N 1721115, кл. C 22 C 38/38). However, this steel has insufficient heat resistance (see AS USSR N 1721115, class C 22 C 38/38).

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, алюминий, бор, титан, ванадий, кальций, барий, азот и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,25-0,45
кремний - 0,5-1,0
марганец - 0,5-1,0
хром - 0,5-1,0
ванадий - 0,01-0,10
бор - 0,001-0,005
алюминий - 0,015-0,10
титан - 0,015-0,06
кальций - 0,001-0,005
азот - 0,006-0,02
барий - 0,001-0,005
железо - остальное.Known steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, aluminum, boron, titanium, vanadium, calcium, barium, nitrogen and iron, in the following ratio, wt.%:
carbon - 0.25-0.45
silicon - 0.5-1.0
Manganese - 0.5-1.0
chrome - 0.5-1.0
vanadium - 0.01-0.10
boron - 0.001-0.005
aluminum - 0.015-0.10
titanium - 0.015-0.06
calcium - 0.001-0.005
nitrogen - 0.006-0.02
barium - 0.001-0.005
iron is the rest.

Известная сталь не обладает достаточной износостойкостью, так как содержит алюминий (см. а.с. СССР N 1745775, кл. C 22 C 38/32). Known steel does not have sufficient wear resistance, as it contains aluminum (see AS USSR N 1745775, class C 22 C 38/32).

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, бор, кальций, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,88-0,93
кремний - 1,20-1,24
марганец - 0,38-0,42
хром - 0,95-1,05
молибден - 0,28-0,31
ванадий - 0,18-0,22
бор - 0,0028-0,0033
алюминий - 0,04-0,06
кальций - 0,08-0,12
железо - остальное.Known steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, vanadium, boron, calcium, aluminum and iron in the following ratio, wt.%:
carbon - 0.88-0.93
silicon - 1.20-1.24
Manganese - 0.38-0.42
chrome - 0.95-1.05
molybdenum - 0.28-0.31
vanadium - 0.18-0.22
boron - 0.0028-0.0033
aluminum - 0.04-0.06
calcium - 0.08-0.12
iron is the rest.

Имея хорошие прочностные свойства, известная сталь обладает недостаточной теплоемкостью и износостойкостью (см. а.с. СССР N 1735428, кл. C 22 C 38/32). Having good strength properties, the known steel has insufficient heat capacity and wear resistance (see AS USSR N 1735428, class C 22 C 38/32).

Известна сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, церий, магний, азот, бор, кальций и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,25-0,4
кремний - 0,41-0,6
марганец - 1,05-1,9
хром - 1,21-2,3
никель - 0,35-0,9
титан - 0,06-0,12
церий - 0,01-0,05
магний - 0,07-0,11
азот - 0,05-0,09
бор - 0,002-0,01
кальций - 0,003-0,01
железо - остальное.Known steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, titanium, cerium, magnesium, nitrogen, boron, calcium and iron, in the following ratio, wt.%:
carbon - 0.25-0.4
silicon - 0.41-0.6
Manganese - 1.05-1.9
chrome - 1.21-2.3
nickel - 0.35-0.9
titanium - 0.06-0.12
cerium - 0.01-0.05
magnesium - 0.07-0.11
nitrogen - 0.05-0.09
boron - 0.002-0.01
calcium - 0.003-0.01
iron is the rest.

Имея достаточную эксплуатационную стойкость, известная сталь не обладает хорошей теплоемкостью и необходимой износостойкостью (см. а. с. СССР N 1659523, кл. C 22 C 38/54). Having sufficient operational stability, the known steel does not have good heat capacity and the necessary wear resistance (see A. S. USSR N 1659523, class C 22 C 38/54).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой стали является сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, никель, медь, алюминий, титан, бор, кальций, железо и редкоземельные металлы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,35-0,45
кремний - 0,3-0,4
марганец - 0,4-0,7
хром - 1,0-1,8
молибден - 1,25-1,50
ванадий - 0,5-1,2
никель - 0,5-1,0
медь - 0,5-0,9
алюминий - 0,5-0,9
кальций - 0,01-0,12
бор - 0,003-0,005
РМЗ - 0,05-0,10
железо - остальное.Closest to the technical nature of the proposed steel is steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, vanadium, nickel, copper, aluminum, titanium, boron, calcium, iron and rare earth metals, with the following ratio of components, wt.%:
carbon - 0.35-0.45
silicon - 0.3-0.4
Manganese - 0.4-0.7
chrome - 1.0-1.8
molybdenum - 1.25-1.50
vanadium - 0.5-1.2
nickel - 0.5-1.0
copper - 0.5-0.9
aluminum - 0.5-0.9
calcium - 0.01-0.12
boron - 0.003-0.005
RMZ - 0.05-0.10
iron is the rest.

Кроме того, должны соблюдаться следующие соотношения:

2) разница вышеуказанных сумм = 15-32;

(см. а.с. СССР N 1622418, кл. C 22 C 38/54).In addition, the following relationships must be observed:

2) the difference of the above amounts = 15-32;

(see A.S. USSR N 1622418, class C 22 C 38/54).

Недостатком известной стали является недостаточная износостойкость из-за того, что в ее составе присутствует алюминий и редкоземельные металлы. Алюминий образует остроугольные включения корунда и шпинелей, а редкоземельные металлы загрязняют сталь неметаллическими включениями с высокой плотностью, которые почти не удаляются из расплава. A disadvantage of the known steel is insufficient wear resistance due to the fact that aluminum and rare earth metals are present in its composition. Aluminum forms acute-angle inclusions of corundum and spinel, and rare-earth metals pollute steel with non-metallic inclusions with high density, which are almost not removed from the melt.

Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости стали для изготовления роликов МНЛЗ, а также ее теплостойкости. The objective of the present invention is to increase the wear resistance of steel for the manufacture of CCM rollers, as well as its heat resistance.

Для решения поставленной задачи предлагаем состав стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, титан, бор, кальций и железо, в котором компоненты взяты при следующем соотношении, мас.%:
углерод - 0,2-0,3
кремний - 0,17-0,37
марганец - 0,25-0,6
хром - 1,4-1,8
молибден - 0,25-0,40
ванадий - 0,7-1,1
титан - 0,06-0,12
бор - 0,003-0,005
кальций - 0,005-0,01
железо - остальное.To solve this problem, we offer the composition of steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, vanadium, titanium, boron, calcium and iron, in which the components are taken in the following ratio, wt.%:
carbon - 0.2-0.3
silicon - 0.17-0.37
Manganese - 0.25-0.6
chrome - 1.4-1.8
molybdenum - 0.25-0.40
vanadium - 0.7-1.1
titanium - 0.06-0.12
boron - 0.003-0.005
calcium - 0.005-0.01
iron is the rest.

При этом должно соблюдаться соотношение:

Отношение суммы содержания ванадия и титана к содержанию углерода в стали в предлагаемом интервале от 3,5 до 4,2 исключает участие молибдена в карбидообразовании и обеспечивает его присутствие в твердом растворе. При более высоком соотношении эффект снижается, так как переход ванадия в твердый раствор снижает межатомные связи.In this case, the ratio should be observed:

The ratio of the sum of the content of vanadium and titanium to the carbon content in the steel in the proposed range from 3.5 to 4.2 excludes the participation of molybdenum in carbide formation and ensures its presence in solid solution. At a higher ratio, the effect decreases, since the transition of vanadium into a solid solution reduces interatomic bonds.

При содержании углерода менее 0,2 мас.% уменьшается износостойкость в связи с уменьшением упрочняющей фазы. При содержании углерода более 0,3 мас. % происходит охрупчивание структуры - снижается пластичность, падает сопротивление износа. Углерод является одним из главных упрочнителей стали, резко повышает износостойкость за счет влияния на количество остаточного аустенита и образования карбидов легирующих элементов и легирования твердого раствора. When the carbon content is less than 0.2 wt.%, The wear resistance decreases due to a decrease in the hardening phase. When the carbon content is more than 0.3 wt. % embrittlement of the structure occurs - ductility decreases, wear resistance decreases. Carbon is one of the main steel hardeners; it sharply increases wear resistance due to the influence on the amount of residual austenite and the formation of carbides of alloying elements and alloying of a solid solution.

Кремний - необходимая технологическая добавка, обеспечивающая при выплавке стали необходимые пластические свойства металла. Кремний способствует более полному усвоению хрома, ванадия и титана, увеличивает прокаливаемость и способствует смягчению матрицы. Содержание кремния менее 0,17% не обеспечивает нужного раскисления стали, вследствие чего металл становится хрупким. Увеличение содержания кремния более 0,37% снижает прокаливаемость и износостойкость. Silicon is a necessary technological additive that provides the necessary plastic properties of the metal during steelmaking. Silicon contributes to a more complete absorption of chromium, vanadium and titanium, increases hardenability and helps soften the matrix. A silicon content of less than 0.17% does not provide the necessary deoxidation of steel, as a result of which the metal becomes brittle. An increase in silicon content of more than 0.37% reduces hardenability and wear resistance.

Марганец также является технологической добавкой, раскисляет сплавы, способствует увеличению прокаливаемости, позволяет получить структуру необходимой стабильности. Manganese is also a technological additive, deoxidizes alloys, contributes to an increase in hardenability, and provides the necessary stability structure.

Для предлагаемой стали содержание хрома должно быть в пределах 1,4 - 1,8%. Это обеспечивает получение необходимой структуры, а образование в стали карбидов хрома дополнительно увеличивает ее износостойкость. Изменение концентрации хрома в ту или иную сторону затрудняет решение поставленной задачи. При Cr < 1,4% доля карбидов невелика и прирост износостойкости незначителен. При CR > 1,8% увеличивается хрупкость стали вследствие увеличения количества разветвленных карбидов хрома, располагающихся по границам зерен. For the proposed steel, the chromium content should be in the range of 1.4 - 1.8%. This provides the necessary structure, and the formation of chromium carbides in steel additionally increases its wear resistance. Changing the concentration of chromium in one direction or another makes it difficult to solve the problem. At Cr <1.4%, the fraction of carbides is small and the increase in wear resistance is negligible. At CR> 1.8%, brittleness of steel increases due to an increase in the number of branched chromium carbides located at the grain boundaries.

В присутствии молибдена протекают процессы нитридообразования при фазовой перекристаллизации стали, происходит более равномерное распределение нитридных, карбидных и карбонитридных частиц по объему литой стали, устраняются их скопления. Молибден, гомогенизируя структуру, способствует достижению большей изотропности свойств стали по сечению отливки как при высоких температурах, когда возможно образование горячих трещин, так и при нормальных и пониженных температурах. Это улучшает трещиноустойчивость и износоустойчивость стали. Содержание молибдена в стали позволяет получить требуемую износостойкость для производства роликов МНЛЗ. In the presence of molybdenum, nitride formation processes occur during phase recrystallization of steel, a more uniform distribution of nitride, carbide and carbonitride particles in the volume of cast steel occurs, their accumulations are eliminated. Molybdenum, homogenizing the structure, helps to achieve greater isotropic properties of the steel over the casting cross section both at high temperatures, when the formation of hot cracks is possible, and at normal and low temperatures. This improves the crack resistance and wear resistance of steel. The molybdenum content in steel makes it possible to obtain the required wear resistance for the production of CCM rollers.

Совместное присутствие титана, бора и кальция позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации стали. Титан микролегирует и модифицирует сталь. Нитриды титана, образующиеся в жидкой стали, имеют небольшие размеры и являются дополнительными центрами кристаллизации. Кроме того, титан способствует очищению стали от неметаллических включений за счет флюсующего действия на них, а его совместное присутствие с бором ведет к равномерному распределению карбидов, устранению карбидной сетки. Все это улучшает свойства стали и отливок из нее. Содержание титана менее 0,06 мас. % приводит к образованию крупных нитридов, карбонитридов и склонности стали к вторичному окислению, что ухудшает жидкотекучесть, трещиноустойчивость и износостойкость. The combined presence of titanium, boron and calcium allows you to effectively control the processes of primary and secondary crystallization of steel. Titanium microalloys and modifies steel. Titanium nitrides formed in liquid steel are small and are additional centers of crystallization. In addition, titanium helps to clean steel from non-metallic inclusions due to the fluxing effect on them, and its joint presence with boron leads to a uniform distribution of carbides, elimination of the carbide network. All this improves the properties of steel and castings from it. The titanium content is less than 0.06 wt. % leads to the formation of large nitrides, carbonitrides and the tendency of steel to secondary oxidation, which impairs fluidity, crack resistance and wear resistance.

Бор - один из сильнейших карбидообразующих и модификаторов - ингибиторов стали, способствует измельчению кристаллической структуры и увеличению прокаливаемости стали. Содержание бора менее 0,003 мас.% не дает модифицирующего эффекта, а более 0,005 мас.% приводит к выделению по границам кристаллов легкоплавкой боридной эфтектики, снижающей свойства стали, в том числе трещиноустойчивость и износостойкость. Boron is one of the strongest carbide-forming and modifiers - steel inhibitors, contributes to the grinding of the crystal structure and increase the hardenability of steel. A boron content of less than 0.003 wt.% Does not give a modifying effect, and more than 0.005 wt.% Leads to the release of fusible boride effector at the crystal boundaries, which reduces the properties of steel, including crack resistance and wear resistance.

Кальций является активным раскислителем, модификатором и глобулиризатором включений, способствует равномерному распределению включений по объему отливок и получению однородной структуры. Содержание кальция менее 0,005 мас. % неэффективно, так как слабо влияет на дендритную структуру стали и морфологию неметаллических включений, а более 0,001 мас.% приводит к выделению крупных оксидов и оксисульфидов облачного типа, трудноудаляемых из расплава и вредно влияющих на жидкотекучесть, трещиноустойчивость и износостойкость. Calcium is an active deoxidizer, modifier and globularizer of inclusions, contributes to a uniform distribution of inclusions throughout the volume of castings and to obtain a homogeneous structure. The calcium content is less than 0.005 wt. % is ineffective, since it weakly affects the dendritic structure of steel and the morphology of nonmetallic inclusions, and more than 0.001 wt.% leads to the release of large cloud-type oxides and oxysulfides that are difficult to remove from the melt and adversely affect fluidity, crack resistance, and wear resistance.

Пример. В индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой выплавляли опытные составы предлагаемой и известной стали по общепринятой технологии. Составы плавок приведены в таблице 1. Титан, бор и кальций вводили в сталь в виде ферротитана ФТи 35, ферробора ФБ - 1 и силикокальция СК 45 в ковш во время выпуска металла. Из опытных составов отливали трефовидные пробы согласно ГОСТ 977 - 88, которые подвергали термической обработке по режиму: отжиг при 950^oC, закалка от 1000^oC в масло, отпуск при 650^oС, охлаждение на воздухе.Example. In an induction crucible furnace with a capacity of 60 kg with the main lining, experimental compositions of the proposed and known steel were smelted according to generally accepted technology. The compositions of the heats are shown in Table 1. Titanium, boron, and calcium were introduced into steel in the form of ferrotitanium FTi 35, ferroboron FB-1, and silicocalcium SK 45 into the ladle during metal production. From the test compositions, trefoil samples were cast according to GOST 977 - 88, which were subjected to heat treatment according to the regime: annealing at 950 ^o C, quenching from 1000 ^o C in oil, tempering at 650 ^o C, cooling in air.

Износостойкость определяли согласно ГОСТ 23.208 - 79 на установке, на которой при одинаковых условиях (постоянной скорости вращения вала, постоянной нагрузке) производят трение образцов из исследуемого и эталонного материалов об абразивные частицы. В качестве эталона использовалась сталь 45, в качестве абразива - электрокорунд зернистостью N-16П по ГОСТ 3647 - 80. Изностойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. Износ отпределяли путем взвешивания до и после испытания с погрешностью не более 0,0001 г и находили среднее арифметическое значение потери массы ( не менее трех испытаний) эталонного

и исследуемых

образцов. Относительную износостойкость (K_и) определяли по формуле

где ρ_э и ρ_и - плотности эталонного и исследуемого материалов, г/см³;
N_э и N_и - количество оборотов ролика при испытаниях эталонного и исследуемого материалов.Wear resistance was determined according to GOST 23.208 - 79 at a facility where, under the same conditions (constant shaft rotation speed, constant load), the samples are rubbed from the test and reference materials against abrasive particles. Steel 45 was used as a reference, and N-16P electrocorundum grit according to GOST 3647 - 80 was used as an abrasive. The wear resistance of the test samples was evaluated by comparing their wear with the wear of the reference sample. Depreciation was determined by weighing before and after the test with an error of not more than 0.0001 g and the arithmetic average value of the weight loss (at least three tests) of the reference

and investigated

samples. Relative wear resistance (K _and ) was determined by the formula

where ρ _e and ρ _and are the densities of the reference and investigated materials, g / cm ³ ;
N _e and N _and - the number of revolutions of the roller when testing the reference and test materials.

Для определения теплостойкостей стали проводили черырехчасовой нагрев образцов после вышеуказанного режима термической обработки при температурах 650^oC, 680^oC и 710^oC в соляной ванне, после чего производили замер твердости.To determine the heat resistance of steel, the samples were heated for four hours after the above heat treatment at 650 ^° C, 680 ^° C and 710 ^° C in a salt bath, after which hardness was measured.

В таблице 2 приведены свойства предлагаемой и известной сталей, и видно, что предлагаемая сталь существенно превосходит известную по износостойкости и теплостойкости. Теплостойкость сталей соответствует температуре нагрева (максимальной), при которой сохраняется твердость не менее 40 HRC. Износостойкость предлагаемой стали существенно выше износостойкости известной. Table 2 shows the properties of the proposed and known steels, and it is seen that the proposed steel significantly exceeds the known in terms of wear resistance and heat resistance. The heat resistance of steels corresponds to a heating temperature (maximum) at which a hardness of at least 40 HRC is maintained. The wear resistance of the proposed steel is significantly higher than the known wear resistance.

Claims

Wear-resistant steel containing carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum, vanadium, titanium, boron, calcium and iron, characterized in that the components are taken in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.2 - 0.3
Silicon - 0.17 - 0.37
Manganese - 0.25 - 0.6
Chrome - 1.4 - 1.8
Molybdenum - 0.25 - 0.40
Vanadium - 0.7 - 1.1
Titanium - 0.06 - 0.12
Boron - 0.003 - 0.005
Calcium - 0.005 - 0.01
Iron - Else
in this case, the ratio should be observed: