Графитизированная сталь для прокатных валков

Изобретение относится к литейному производству, а именно к разработке составов графитизированных сталей для изготовления валков холодной и горячей прокатки. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, ванадий, кальций, серу, фосфор и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,8-0,9, кремний 0,8-0,9, марганец 0,3-0,6, ванадий 0,1-0,2, кальций 0,01-0,03, сера до 0,03, фосфор до 0,03, железо остальное. Повышаются значения прочностных и пластических свойств, в частности временное сопротивление при растяжении, предел текучести, относительное удлинение и ударная вязкость. 1 табл.

 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к разработке составов графитизированных сталей для производства валков холодной и горячей прокатки металлов. Известна сталь для валков [1], содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,8-0,9
Кремний	0,1-0,4
Марганец	0,3-0,6
Хром	0,4-0,7
Ванадий	0,15-0,3
Никель	до 0,4
Медь	до 0,3
Сера	до 0,03
Фосфор	до 0,03
Железо	остальное

Известную сталь, в частности, применяют для изготовления рабочих валков, опорных валков и бандажей составных опорных валков листовых, обжимных и сортовых станов для горячей прокатки металлов.

Состав стали характеризуется низким содержанием Si (0,1-0,4%) при наличии карбидообразующих элементов, прежде всего хрома (0,4-0,7%). Это приводит к тому, что весь углерод в составе стали находится в связанном состоянии, в виде карбидов, что приводит к повышению прочностных характеристик стали и твердости, но в то же время отсутствие в структуре стали свободного углерода в виде включений графита приводит к повышенному износу при эксплуатации и преждевременному выходу из строя детали. Это является недостатком известной стали.

Кроме того, известная сталь применяется после обработки давлением, что повышает трудоемкость и себестоимость изготовления валков, это также является недостатком данной марки стали.

Известна сталь [2], содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	0,55-0,65
Кремний	0,80-1,10
Хром	1,60-1,90
Марганец	0,40-0,70
Химический элемент, способствующий
интенсификации процесса азотирования
(медь или германий)	0,40-0,80
Ванадий	0,15-0,30
Кальций	0,001-0,0025
Железо	остальное

Известную сталь используют при получении ответственных деталей и узлов, применяемых в машиностроении. Для получения высокого комплекса свойств используют как традиционные методы упрочнения (закалка, отпуск), так и низкотемпературное азотирование, т.е. она подвергается довольно сложной термической и термохимической обработке.

Недостатком известной стали является высокое содержание хрома (1,6-1,9%), которое приводит к формированию включений указанного элемента неблагоприятной морфологии, что при отсутствии специальной термохимической обработки (закалка, азотирование) ведет к снижению уровня механических свойств стали (прочности, пластичности).

При содержании кальция 0,001-0,0025 его влияние на количество неметаллических включений, его десульфурирующее и раскисляющее действие незначительны.

Кроме того, в этой стали небольшое содержание углерода, что в комплексе с другими компонентами не позволяет отнести ее к разряду графитизированных сталей.

Необходимая химико-термическая обработка удорожает полный цикл получения заготовок. По этим причинам эта сталь не рассматривается в качестве прототипа.

Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату является графитизированная сталь [3], содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,9-1,1
Кремний	0,8-1,2
Марганец	0,3-0,6
Сера	до 0,03
Фосфор	до 0,03
Железо	остальное

Известную сталь используют для производства валков горячей прокатки.

В процессе работы валков, вследствие воздействия термомеханических нагрузок, в поверхностных микрообъемах происходит рост зерна, сопровождаемый повышением эффективной концентрации вредных примесей на границах зерен, приводящих к снижению механических свойств стали.

Следует отметить, что для разных условий при производстве валков требуются различные характеристики графитизированных сталей.

Эти проблемы решаются предлагаемым решением.

Решаемая задача - расширение ассортимента графитизированных сталей для валков холодной и горячей прокатки металлов.

Технический результат - повышение прочностных и пластических свойств графитизированной стали.

Этот технический результат достигается тем, что графитизированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, железо, содержит дополнительно ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,8-0,9
Кремний	0,8-0,9
Марганец	0,3-0,6
Ванадий	0,1-0,2
Кальций	0,01-0,03
Сера	до 0,03
Фосфор	до 0,03
Железо	остальное

Повышение прочностных и пластических свойств графитизированной стали достигается за счет введения в состав стали ванадия и кальция, а также корректировки общего состава.

Углерод в количестве 0,8-0,9 мас.% необходим для выделения в процессе кристаллизации графитовых включений в структуре стали. При содержании углерода менее 0,8 мас.%, при заявленных концентрациях ванадия, марганца и кремния, графитовых включений образуется недостаточное количество, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации. При содержании углерода более 0,9 мас.% графитовые включения укрупняются, приобретают неблагоприятную морфологию, что отрицательно влияет на комплекс механических свойств.

Кремний, являясь графитообразующим элементом, приводит к образованию в структуре стали включений свободного углерода, что значительно повышает показатели износостойкости стали. Кремний в количестве менее 0,8 мас.% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что вызывает значительный износ изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,9 мас.% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы, что отрицательно сказывается на прочностных и пластических свойствах металла.

Марганец, уменьшая активность углерода и число зародышей графита в расплаве, препятствует графитизации в процессе кристаллизации стали, благодаря чему повышаются прочностные показатели материала. При содержании марганца менее 0,3 мас.% воздействия на процесс кристаллизации не происходит, вследствие чего металлическая основа стали состоит преимущественно из феррита и крупных включений графита, что приводит к снижению механических свойств. При содержании марганца более 0,6 мас.% сплав кристаллизуется с пониженным содержанием графита в структуре, что приводит к снижению износостойкости стали.

Ванадий характеризуется отсутствием р-электронов и наличием незаполненных d-орбиталей ядра атома, следствием чего является понижение термодинамической активности углерода при вводе ванадия в расплав. Это приводит к процессу образования высокодисперсных соединений ванадия (карбидов, нитридов, карбонитридов), имеющих округлую форму, которые, равномерно распределяясь по границам зерен, измельчают и упрочняют их, тем самым повышая прочностные и пластические свойства стали, не вызывая при этом появления напряжений.

При содержании ванадия менее 0,1% снижается количество образующихся соединений, процесс измельчения зерна не происходит в полном объеме, в результате чего происходит снижение комплекса механических свойств. При содержании ванадия более 0,2% образуется избыточное количество соединений ванадия, что ведет к снижению пластических свойств стали.

Кальций, обладая повышенным химическим сродством к сере и кислороду, в количестве 0,01-0,03 мас.% очищает границы зерен от неметаллических включений, тем самым повышая механические свойства стали. При содержании в стали кальция менее 0,01 мас.% он не оказывает значительного влияния на количество неметаллических включений. При содержании более 0,03 мас.% происходит загрязнение границ зерен продуктами взаимодействия кальция с серой и кислородом (CaO, CaS), что приводит к снижению прочностных и пластических свойств стали.

Сравнительный анализ признаков, отличающих данное предложение от известных в данной области технических решений, показал, что в данном сочетании проявляется новое свойство - повышение прочности и пластичности графитизированной стали.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с получением вышеизложенного технического результата приведены в примере.

Пример.

Выплавку заявляемой стали производили в индукционной тигельной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихтовых материалов использовались передельные чугуны, стальные отходы, ферросплавы. Для сравнительных испытаний известная сталь выплавлялась из тех же шихтовых материалов и при одинаковых условиях с заявляемой. Образцы для определения механических свойств (по ГОСТ 977-88) заливались в стержневые формы. После охлаждения, выбивки и очистки образцы проходили термическую обработку (нормализацию) по следующему режиму: нагрев до Т=880-920°С выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе. Составы заявляемой и известной сталей и их механические свойства приведены в таблице.

Как следует из результатов испытаний (табл.1), заявляемая сталь для валков холодной и горячей прокатки металлов, работающих в тяжелых технологических условиях (высокие механические нагрузки и температуры), по сравнению с известной - по прототипу - позволила достичь следующего технического результата: повысить временное сопротивление при растяжении в 1,26-1,29 раза, предел текучести в 1,22-1,28 раза, относительное удлинение в 1,6-2,0 раза, ударную вязкость в 1,47-1,54 раза.

Источники информации

1. Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. Общие технические условия. ГОСТ 5950-2000. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск. 2001 г.

2. Конструкционная легированная сталь. Патент РФ №2082813, кл. С22С 38/24. Опубликовано 27.06.1997.

3. Выплавка графитизированной стали. Технологическая инструкция. ТИ №153-Л-253-85. Министерство черной металлургии СССР. Выксунский металлургический завод. 1985 г.

Химический состав и механические свойства графитизированной стали Таблица 1
№ поз.	Химический состав, мас.%	Механические свойства
С	Si	Mn	V	Са	S	P	Fe	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	KCU, кДж/м2
	Известная сталь
1	0,9	0,8	0,3	-	-	0,028	0,026	ост.	550	340	5	104
2	1,1	1,2	0,6	-	-	0,022	0,030	ост.	645	385	3	78
	Предлагаемая сталь
3	0,8	0,8	0,3	0,1	0,01	0,019	0,022	ост.	710	415	8	153
4	0,9	0,9	0,45	0,15	0,015	0,016	0,021	ост.	760	470	7	136
5	1,0	1,0	0,6	0,2	0,03	0,015	0,020	ост.	810	490	5	112

Графитизированная сталь для прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,8-0,9
кремний	0,8-0,9
марганец	0,3-0,6
ванадий	0,1-0,2
кальций	0,01-0,03
сера	до 0,03
фосфор	до 0,03
железо	остальное