Легированная сталь для прокатных валков

Изобретение относится к литейному производству, а именно к разработке составов легированных сталей для изготовления валков холодной и горячей прокатки. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, кальций, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 1,3-1,5, кремний 0,17-0,57, марганец 0,5-0,8, хром 0,8-1,1, никель 0,8-1,2, молибден 0,1-0,2, 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 легированных 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
Молибден	0,15-0,25
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 содержанием углерода (0,8-0,9%) и содержанием кремния (0,1-0,4%) при наличии карбидообразующих элементов, прежде всего хрома (0,4-0,7%), а также марганца, ванадия и молибдена. Это приводит к тому, что весь углерод в составе стали находится в связанном состоянии, в виде карбидов указанных элементов, что обеспечивает повышенные прочностные характеристики стали, 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, что также является недостатком данной марки стали.

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

Углерод	0,55-0,65
Кремний	0,8-1,10
Хром	1,60-1,90
марганец	0,4
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. Недостатки известной стали следующие.

Сравнительно низкое содержание углерода при наличии карбидообразующих элементов приводит к тому, что весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов, т.е. в структуре стали отсутствует свободный углерод в виде включений графита, что в отношении прокатных валков приводит к их повышенному износу; высокое содержание хрома (1,6-1,9%) 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); содержание кальция в количестве 0,001-0,0025% мас. оказывает очень слабое десульфурирующее действие и влияние на измельчение и улучшение формы включений в стали.

Кроме того, известная сталь подвергается довольно сложной термохимической обработке, что в целом удлиняет и удорожает процесс изготовления деталей.

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

Углерод	1,4-1,6
Кремний	0,17-0,57
Марганец	0,5-0,8
Хром	0,8-1,1
Никель	0,8-1,2
Молибден	0,1-0,2
Сера	до 0,04
Фосфор	до 0,04
Железо	остальное

Известную сталь используют, например, для производства валков горячей прокатки.

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

Для тяжелых технологических процессов работы прокатных валков требуются различные свойства легированных сталей, обладающих высокими механическими характеристиками.

Эти проблемы решаются предлагаемым решением.

Задача, решаемая настоящим изобретением, - расширение номенклатуры легированных сталей для прокатных валков.

Технический результат - создание легированной стали с повышенными прочностными и пластическими свойствами для изготовления валков холодной и горячей прокатки металлов.

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

Углерод	1,3-1,5
Кремний	0,17-0,57
Марганец	0,5-0,8
Хром	0,8-1,1
Никель	0,8-1,2
Молибден	0,1-0,2
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 легированной стали достигается за счет введения в состав стали ванадия и кальция, а также корректировки общего состава.

Углерод в количестве 1,3-1,5% участвует в протекании двух процессов. Первый процесс - это образование графитовых включений в структуре стали, второй - образование частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 1,3% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации и снижению прочностных свойств материала. При содержании углерода более 1,5% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали.

Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствие со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Кремний в количестве менее 0,17% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,57% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы, что отрицательно сказывается на прочностных и пластических свойствах материала.

Марганец, растворяясь в металлической основе, повышает твердость, предел прочности и предел текучести. Стабилизирует перлит. При содержании марганца менее 0,5% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита, что приводит к снижению твердости и износостойкости сплава. При содержании марганца более 0,8% происходит снижение пластических свойств стали вследствие локального пересыщения ферритной составляющей перлита марганцем.

Хром при содержании в стали в количестве 0,8-1,1% растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Cr)₃С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При содержании хрома менее 0,8% снижается твердость и износостойкость стали, что приводит к снижению срока эксплуатации валка. При содержании более 1,1% карбиды укрупняются, приобретают остроугольную форму, увеличивается их количество, что приводит к снижению пластических свойств стали.

Никель повышает прочность стали, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, увеличивает дисперсность карбидов, повышает сопротивление стали окислению при нагреве и ее прочность при высоких температурах. При содержании никеля менее 0,8% прочностные характеристики стали снижаются, что приводит к преждевременному выходу из строя валка. При содержании никеля более 1,2% дальнейшего благоприятного воздействия на свойства стали не происходит, возрастает себестоимость изготовления материала и необоснованный расход никеля.

Молибден в присутствии хрома образует карбид (Мо, Fe)₂₃С₆. Повышает прокаливаемость стали, что позволяет получать равномерную и мелкозернистую структуру, увеличивает сопротивление стали ползучести, тормозит процесс роста и коагуляции карбидов. При содержании молибдена в стали менее 0,1% снижается количество образующихся соединений, структура стали отличается неоднородностью, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств материала. При содержании более 0,2% образуется избыточное количество соединений Мо, что ведет к снижению пластических свойств 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 высоко дисперсных 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 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, заявляемая легированная 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 1,19-1,21 раза, предел текучести в 1,20-1,24 раза, относительное удлинение в 1,5-1,75 раза, ударную вязкость в 1,4-1,43 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 стали У15ХНМ. Технологическая инструкция. ТИ №153-247Л-82. Министерство черной металлургии СССР. Выксунский металлургический завод. 1982 г.

Таблица 1
Химический состав и механические свойства легированной стали
№ поз.	Химический состав, мас.%	Механические свойства
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V	Са	S	Р	Fe	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	KCU, кДж/м2
	Известная сталь
1	1,43	0,18	0,51	0,8	0,81	0,1	-	-	0,025	0,029	ост.	641	377	6	110
2	1,59	0,56	0,80	1,1	1,18	0,2	-	-	0,027	0,024	ост.	720	433	4	85
	Предлагаемая сталь
3	1,30	0,17	0,50	0,80	0,8	0,1	од	0,01	0,019	0,022	ост.	760	470	9	154
4	1,40	0,35	0,65	0,96	1,0	0,15	0,15	0,02	0,017	0,021	ост.	823	495	8	145
5	1,50	0,57	0,80	1,1	1,2	0,2	0,2	0,03	0,016	0,019	ост.	874	530	7	122

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

углерод	1,3-1,5
кремний	0,17-0,57
марганец	0,5-0,8
хром	0,8-1,1
никель	0,8-1,2
молибден	0,1-0,2
ванадий	0,1-0,2
кальций	0,01-0,03
сера	до 0,03
фосфор	до 0,03
железо	остальное