Сталь для прокатних валків

Реферат: Сталь для прокатних валків містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Додатково містить ванадій і кальцій. UA 112179 U (12) UA 112179 U UA 112179 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до металургії та сплавів чорних металів на основі заліза, а саме до складів легованих сталей для робочих валків станів гарячої прокатки, а також інших виробів відповідального призначення. Відома адамітова сталь, що використовується фірмою "Gonterman-Peipers" (Німеччина) для виготовлення валків і містить такі компоненти, мас. %: вуглець 1,20-1,60 кремній 0,40-0,80 марганець 0,40-0,80 хром 1,80-2,40 молібден 0,20-0,60 нікель не більше 0,60. При виготовленні аналогічних суцільнокованих валків фірмою "Akers" (Швеція) використовується сталь, що включає такі компоненти, мас. %: вуглець 0,80-1,60 кремній 0,30-0,40 марганець 0,60-1,30 хром 1,00-1,20 молібден 0,30-0,40 нікель 0,60-2,00. Валки з цих сталей переважно використовуються в проміжних і чистових клітях універсальних балкових, обтискних і сортових прокатних станів. У порівнянні з кованими заготовками з доевтектоїдних сталей ці валки мають підвищену зносостійкість завдяки великій кількості карбідів у матриці. Однак виробники цих валків відзначають знижену їх міцність при розтягуванні через підвищену крихкість внаслідок значної карбідної фази. Також відома сталь 150ХНМ, яка складається з наступних компонентів, мас. %: вуглець 1,40-1,60 кремній 0,25-0,50 марганець 0,50-0,80 хром 0,90-1,25 молібден 0,10-0,30 нікель 0,80-1,20 сірка не більше 0,040 фосфор не більше 0,040 залізо решта [Марочник сталей и сплавов. - М.: ЦНИИТМаш, 2003. - 782 с. - С. 535]. Ця сталь використовується для валків гарячої прокатки сортових станів, а також бандажів складених опорних валків листових станів, які виготовляють методом стаціонарного або відцентрового лиття. Внаслідок розвиненої карбідної фази в структурі робочого шару валки мають високу зносостійкість. Однак розподіл карбідів є неоднорідним, тому при експлуатації валків спостерігається нерівномірний знос їх поверхні. Крім цього, валки з цієї сталі при експлуатації у важконавантажених клітях є схильними до руйнування, що особливо проявляється після їх термообробки до твердості більш ніж 270 НВ. За сукупністю суттєвих ознак сталь 150ХНМ для прокатних валків є найбільш близьким аналогом (прототипом). В основу корисної моделі поставлена задача - створити сталь для прокатних валків, що забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості валків прокатних станів. Ця задача вирішується за рахунок технічного результату, що полягає в підвищенні механічних властивостей і карбідної однорідності сталі. Для забезпечення зазначеного технічного результату сталь містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Сталь містить зазначені елементи при такому їх співвідношенні, мас. %: вуглець 0,95-1,30 кремній 0,30-0,60 марганець 0,70-1,30 хром 0,90-1,40 молібден 0,10-0,30 ванадій 0,10-0,20 кальцій 0,002-0,006 1 UA 112179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 решта (зокрема сірка - не більше залізо та неминучі 0,015, фосфор технологічні домішки не більше 0,020, нікель - не більше 0,70). Відома сталь (сталь-прототип) і заявлена сталь мають такі подібні ознаки: сталь для прокатних валків, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, молібден і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Заявлена сталь має наступні відмітні ознаки: сталь додатково містить ванадій і кальцій при наступному співвідношенні елементів мас. %: вуглець 0,95-1,30 кремній 0,30-0,60 марганець 0,70-1,30 хром 0,90-1,40 молібден 0,10-0,30 ванадій 0,10-0,20 кальцій 0,002-0,006 залізо та неминучі технологічні домішки решта. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом, що досягається, є. Підвищення міцнісних і пластичних властивостей легованої сталі досягається за рахунок введення до складу сталі ванадію і кальцію. Вуглець у кількості 0,95-1,30 % бере участь в процесах утворення графітових включень у структурі сталі, а також утворення частинок карбідної фази в металевій матриці. При вмісті вуглецю менш 0,95 % утворюється недостатня кількість як вільного вуглецю, так і карбідів, що призводить до підвищеного зносу валків у процесі їх експлуатації в стані. При вмісті вуглецю більше 1,30 % відбувається виділення надмірної кількості частинок карбідної фази несприятливої форми, що призводить до зниження пластичних властивостей сталі. Кремній сприяє виділенню вуглецю у вільному вигляді у відповідності зі стабільною системою залізо-вуглець, що значно підвищує показники зносостійкості сталі. Кремній у кількості не менше 0,30 % не чинить значного впливу на процес графітизації, внаслідок чого вуглець знаходиться у зв'язаному стані, що призводить до значного зносу валків при їх експлуатації в умовах інтенсивного тертя. При вмісті кремнію понад 0,60 % в структурі сталі спостерігається підвищена кількість великих включень графіту несприятливої форми, що негативно позначається на міцності та пластичних характеристиках металу. Марганець, розчиняючись у металевій основі, підвищує твердість, межу міцності та межу текучості, стабілізує перліт. При вмісті марганцю менше 0,70 % в структурі сталі спостерігається присутність включень фериту, що призводить до зниження твердості та зносостійкості сталі. При вмісті марганцю понад 1,30 % відбувається зниження пластичних властивостей сталі внаслідок локального пересичення феритної складової перліту марганцем. Хром при вмісті в сталі в кількості 0,90-1,40 %, розчиняючись в цементиті та утворюючи суцільні карбіди типу (Fe, Cr)3C, сприяє одержанню високої і рівномірної твердості, зносостійкої поверхні. При вмісті хрому менше 0,90 % знижується твердість і зносостійкість сталі, що призводить до зниження терміну експлуатації валка. При вмісті хрому більше 1,40 % карбіди збільшуються, набувають гострокутної форми, збільшується їх кількість, знижуються пластичні характеристики сталі. Молібден у присутності хрому утворює карбід (Mo, Fe)23C6 і підвищує прогартовуваність сталі, що дозволяє одержувати рівномірну і дрібнозернисту структуру, збільшує опір сталі повзучості, гальмує процес зростання та коагуляції карбідів. При вмісті молібдену в сталі менше 0,10 % знижується кількість сполук, що утворюються, структура сталі відрізняється неоднорідністю, що призводить до зниження міцнісних і пластичних характеристик металу. При вмісті молібдену більше 0,30 % утворюється надмірна кількість сполук молібдену, що сприяє зниженню пластичних властивостей сталі. Наявність у сталі ванадію в межах 0,10-0,20 % сприяє утворенню рівномірної первинної структури при кристалізації, подрібненню зерна і збільшенню ударної в'язкості. При вмісті ванадію менше 0,10 % знижується кількість сполук, що утворюються, процес подрібнення зерна не відбувається в повному обсязі, у результаті відбувається зниження комплексу механічних властивостей. При вмісті ванадію більше 0,20 % ефективність його впливу помітно знижується. 2 UA 112179 U 5 10 15 20 Кальцій, маючи підвищену хімічну спорідненість до сірки і кисню, в кількості 0,002-0,006 % очищує границі зерен від неметалевих включень, тим самим підвищуючи механічні властивості сталі. При вмісті кальцію в сталі нижче 0,002 % він не має значного впливу на кількість неметалічних включень. При вмісті кальцію вище верхньої межі він переходить у твердий розчин і це знижує пластичність і ударну в'язкість сталі. В результаті легування сталі зазначеними елементами в оптимальних співвідношеннях забезпечується підвищення карбідної однорідності сталі та комплексу механічних властивостей - міцності, пластичності, твердості та в'язкості сталі. Заявлена корисна модель є промислово придатною - вона впроваджується при виготовленні робочих валків чорнових клітей листових станів гарячої прокатки, а також валків для великосортних станів із заявленої сталі. У виробничих умовах Новокраматорського машинобудівного заводу (НКМЗ) були проведені дослідження механічних властивостей заявленої сталі, а також відомої сталі, прийнятої в якості прототипу (сталі-прототипу). Вихідні дані: обладнання для виплавки сталі - індукційна тигельна піч ємністю 100 кг із кислою футерівкою; шихтові матеріали - сталеві відходи і феросплави; технологічні операції - виплавка сталі, виливка злитків, виковка проб, термічна обробка; хімічний склад сталі - див. таблицю 1 (плавки № 1-5 - заявлена сталь, плавка № 6 - стальпрототип). Таблиця 1 Хімічний склад сталі № плавки 1 2 3 4 5 6 С 0,96 1,02 1,12 1,18 1,26 1,42 Si 0,42 0,54 0,44 0,46 0,52 0,50 Мn 1,08 0,86 1,24 0,98 1,15 0,51 Вміст елементів, мас. %* Сr Ni 1,04 0,20 0,98 0,19 1,22 0,13 1,18 0,12 1,15 0,17 1,12 0,84 Mo 0,18 0,24 0,26 0,15 0,17 0,25 V 0,16 0,19 0,13 0,12 0,17 Са** 0,006 0,025 0,002 0,006 0,006 * решта - Fe, неминучі технологічні домішки; * * Са - розрахункові дані. 25 σ0,2. 30 Як міра твердості сталі використана твердість, визначена за методом Брінелля. Як міра міцності сталі використані межа міцності при розтягуванні σ в і межа текучості умовна Як міра пластичності сталі використані відносне подовження після розриву δ і відносне звуження ψ, визначені при проведенні випробувань на розтягнення. Як міра в'язкості використана ударна в'язкість KCU, визначена на ударному зразку з концентратором виду U. Результати визначення твердості, межі міцності при розтягуванні, межі текучості умовної, відносного подовження після розриву, відносного звуження й ударної в'язкості заявленої сталі та сталі-прототипу (плавка № 6) наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Результати визначення механічних властивостей сталі № плавки Твердість, НВ 1 2 3 4 5 295 298 326 312 316 σв, МПа 944 973 1120 1040 1085 Механічні властивості σ0,2, МПа δ, % ψ 564 8,7 10,4 588 8,1 9,9 702 6,2 8,6 644 7,6 9,4 663 7,0 9,2 3 KCU, КДж/м 157 148 108 124 136 2 UA 112179 U Продовження таблиці 2 Результати визначення механічних властивостей сталі № плавки 6 5 Твердість, НВ 302 σв, МПа 822 Механічні властивості σ0,2, МПа δ, % ψ 428 3,4 5,3 KCU, КДж/м 88 2 Як слідує з таблиці 2, заявлена сталь має більш високий комплекс механічних властивостей, що особливо важливо при багатоциклових навантаженнях робочих валків. Таким чином, за рахунок оптимального легування металевої фази збільшується міцність і пластичність валків із заявленої сталі, знижується коефіцієнт тертя, що дозволить підвищити рівень зносостійкості та напрацювання на відмову робочих валків станів гарячої прокатки. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Сталь для прокатних валків, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден і залізо, а також неминучі технологічні домішки, яка відрізняється тим, що вона додатково містить ванадій і кальцій, при наступному співвідношенні елементів, мас. %: вуглець 0,95-1,30 кремній 0,30-0,60 марганець 0,70-1,30 хром 0,90-1,40 молібден 0,10-0,30 ванадій 0,10-0,20 кальцій 0,002-0,006 залізо та неминучі технологічні домішки решта. 15 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4