RU2081199C1 - Heat- and wear-resistant steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular, heatproof economically alloyed steel for billets of large-size tools of hot deformation, for instance, drift-pins of pilger rolling mills. SUBSTANCE: steel contains, mas.%: carbon, 0.15-0.23; manganese, 0.5-0.85; chromium, 2.8-3.3; vanadium, 0.1-0.25; niobium, 0.01-0.015; nitrogen, 0.005-0.015; iron, the balance; the total content of manganese and chromium shall be, at least, 3.7. EFFECT: provision of production of high heat- and wear-resistant steel. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке состава стали для крупногабаритного инструмента горячего деформирования дорнов пилигримовых станов. The invention relates to metallurgy, in particular to the development of the steel composition for a large tool for hot deformation of the mandrels of pilgrim mills.

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). There is serial steel for the hot deformation tool: steel 50XH (D-1) of the following composition: carbon 0.47-0.55% manganese 0.57-0.74% silicon 0.21-0.37% chromium 1.0- 1.1% nickel 0.72-0.87% (TU1951 / 4-M).

Дорны, изготовленные из этой стали, быстро изнашиваются при эксплуатации, образцы для испытаний на разгаростойкость из этой стали выдерживают не более 40 теплосмен. Dorns made of this steel wear out quickly during operation, specimens for testing the heat resistance of this steel withstand no more than 40 heat exchangers.

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.Steel 25X2M1F (SD-2), specially developed for pilgerdoors, is also known, from which mandrels are currently made. The composition of this steel is as follows: carbon 0.24-0.32% manganese 0.30-0.60% silicon 0.15-0.40% chromium 1.6-1.9% molybdenum 0.6-0.9% vanadium 0.15-0.25% nickel up to 0.5%
Dorns from this steel are more wear-resistant, specimens for testing for heat resistance withstand up to 100 heat shifts without breaking.

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. However, mandrels made of this steel containing 0.24-0.32 carbon during hot rolling of pipes also fail due to the appearance of cracks on the surface. Cracks arise due to thermal and structural stresses in the thin surface layer of the mandrel, which is heated by contact with a hot billet to a temperature above the critical Ac1-Ac3.

Кроме того, эта сталь содержит дорогой и дефицитный легирующий элемент - молибден, что делает 1 т стали дороже. In addition, this steel contains an expensive and scarce alloying element - molybdenum, which makes 1 ton of steel more expensive.

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.The objective of the invention was the creation of economically alloyed steel without molybdenum and nickel, which would provide wear resistance and heat resistance not worse than analog steel 25X2M1F, containing nickel up to 0.5% and molybdenum - 0.6-0.9%
The specified technical result is achieved in that the steel containing carbon, manganese, chromium, vanadium, niobium, nitrogen and iron has the following ratio of components: carbon 0.15-0.23% manganese 0.5-0.85% chromium - 2 , 8-3.3% vanadium 0.10 0.25% niobium 0.01 0.015% nitrogen 0.005-0.015% iron the rest, while the total percentage of Mn + Cr should be at least 3.7%
The alloying principle should ensure that the steel has a martensite structure with the lowest possible carbon content so that the surface hardening of the mandrel during operation does not create high structural stresses that cause cracking. The structure of the metal mandrel should also have a sufficient amount of sparingly soluble carbonitrides, which should provide high wear resistance of steel.

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. The carbon content in the proposed composition of 0.15-0.23% with a high chromium content of 2.8-3.3% provides hardenability of the mandrel blank when quenching in oil, while the quenching of the surface layers of the mandrel during cooling in air during operation creates a low-carbon structure martensite, which, due to minimal structural stresses, is not prone to cracking.

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.Chromium in an amount of 2.2-3.3% increases the stability of austenite in the pearlite region, which increases the hardenability of steel, and also chromium increases the heat resistance of steel during tempering in the temperature range 500-600 ^o C, because in such quantities, chromium reduces the rate of coagulation of cementite and promotes the release of dispersed special carbides of the type (CrFe) ₇ C ₃ .

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.Vanadium in an amount of 0.10-0.25% also helps to increase the heat resistance of steel in the temperature range 550-650 ^o C, because vanadium carbides and carbonitrides released after tempering at the sites of dislocations and at the boundaries of martensitic needles and packets, as well as the accumulation of vanadium atoms at lattice defects inhibit the creep of dislocations, as a result of which softening processes proceed more slowly and shift toward higher temperatures.

Аналогичное, но более интенсивное влияние оказывает ниобий. A similar but more intense effect is exerted by niobium.

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. The content of vanadium and niobium below 0.10 and 0.01%, respectively, does not provide a braking effect of softening, and the content of vanadium and niobium above 0.25 and 0.015%, respectively, leads to a significant decrease in impact strength.

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. Nitrogen in steel in an amount of 0.005-0.015% in the presence of vanadium and niobium contributes to the production of fine grains and increases wear resistance as a result of the presence of finely dispersed carbonitrides in the structure.

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.A comparison of the essential features of the composition of the steel-prototype and the claimed composition, shows that the proposed composition has novelty in the following ways:
the carbon content of 0.15-0.23% below the lower limit of the carbon content in the prototype 0.24-0.32% decrease in carbon content increases the temperature of the onset of martensitic transformation; as a result of oil quenching, a fundamentally new structure of low-carbon martensite with a high dislocation density and low residual structural stresses is formed, which significantly distinguishes this structure from the structure of carbon martensite;
the chromium content in the inventive composition: 2.8-3.3% 1.5 times more than in the prototype, which increases hardenability with a low carbon content, resulting in reduced residual structural stresses that cause cracking;
niobium is present in the composition, which contributes to increased wear resistance and provides, as a result of the binding of a part of the carbon to niobium carbides, the formation of low-carbon martensite;
there is no expensive and scarce molybdenum in the composition; while the characteristics of the heat resistance of steel are not inferior to the similar characteristics of steel-prototype.

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. The compliance of the proposed solution with the criterion of "inventive step" is confirmed by the lack of information in the scientific, technical and patent literature on economically alloyed low-carbon steel, providing heat resistance not lower than carbon nickel-molybdenum steel.

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.Example. Steel of the known and proposed composition was smelted in an induction furnace, poured into ingots weighing 50 kg, forged into rods of 100 x 100 size and rolled into rods of 30 x 30 mm size. The heating temperature for hot working with a pressure of 1100-1220 ^o C. After hot working with pressure, the rods were cooled in air.

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.The chemical composition and test results for heat resistance are given in table 1
Niobium and nitrogen in the experimental swimming trunks were set within the proposed composition with different contents of the remaining alloying elements. In smelting 1 with a minimum carbon content, the minimum content of chromium and vanadium, manganese is present in the maximum amount. In smelting 2, the maximum content of carbon and all alloying, in swimming trunks 3 and 4 with an average carbon content, the maximum content of all alloying. Melting 5 has a minimum content of chromium, manganese and vanadium, so that the total content (Cr + Mn) is below the limit specified in the invention. In smelting 6, the carbon content is higher than proposed; in smelting 7, the average content of carbon and alloying elements.

Сравнительные характеристики горячей твердости стали заявленного состава и стали-аналога приведены в табл.2. Comparative characteristics of the hot hardness of the steel of the claimed composition and steel analogue are given in table 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.The heat resistance test (Table 1) was carried out on cylindrical samples with a diameter of 25 mm and a height of 20 mm, the thermal cycling mode: 760 ^o C -> 20 ^o C. The number of cycles until the samples were destroyed was taken as a criterion for assessing the resistance to steel heat.

Claims (1)

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. Heat-resistant wear-resistant steel containing carbon, manganese, chromium, vanadium, and iron, characterized in that it additionally contains niobium and nitrogen when the content of the components in the following ratio, wt. 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.Carbon 0.15 0.23
Manganese 0.5 0.85
Chrome 2.8 3.3
Vanadium 0.1 0.25
Niobium 0.01 0.015
Nitrogen 0.005 0.015
Iron Else
while the total content of manganese and chromium should be at least 3.7.

Images