Сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки

Реферат: Сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, сірку, фосфор і залізо при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,40-0,50 марганець 0,40-0,80 кремній 0,10-0,50 хром 2,70-3,30 нікель 0,35-0,50 молібден не більше 1,00 ванадій не менше 0,10 сірка не більше 0,015 фосфор не більше 0,02 залізо решта, при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 5,5≤Сr/С≤8,0, а сумарний вміст молібдену та ванадію знаходиться в межах 0,85≤Mo+V≤1,20. UA 80578 U (12) UA 80578 U UA 80578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до області металургії та машинобудування, зокрема до виробництва сталі й може бути використана при виготовленні опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, а також великих робочих валків (>Ø800) станів гарячої прокатки. Відома легована сталь 7 × 2СМФ для виготовлення опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, яка складається з таких компонентів, мас. %: вуглець - 0,70-0,80; марганець - 0,60-1,00; кремній - 0,70-1,00; хром - 1,70-2,20; молібден - 0,35-0,60; ванадій - 0,15-0,30; сірка не більше 0,03; фосфор - не більше 0,03; залізо - решта (див. галузевий стандарт "Валки стальные кованые для холодной прокатки металлов. Технические условия", ОСТ 24.013.20-90, 1990 г., стр. 7). Валки, виготовлені з цієї сталі, після гартування з відгартуванням мають недостатню твердість і глибину загартованого шару, що не забезпечує експлуатаційну стійкість в сучасних прокатних станах. Крім того, на валках спостерігається нерівномірний знос, пов'язаний з окрихчуванням поверхневого шару. Найбільш близькою до заявленого технічного рішення по хімічному складу й ефекту, що досягається, є сталь, яка складається з таких компонентів, мас. %: вуглець - 0,65-0,75; марганець - 0,90-1,30; кремній - 0,40-0,60; хром - 2,50-3,00; нікель - 0,30-0,50; молібден - 0,600,80; ванадій - 0,10-0,30; сірка - не більше 0,025; фосфор - не більше 0,025; залізо - решта (див. патент України на винахід № 18493, С22С 38/46, Бюл. 6, 25.12.1997). Валки з даної сталі мають підвищену прогартовуваність і твердість, яка після термічної обробки складає 30-35 HRC. Недоліком даної сталі є велика структура карбідів і пов'язане з цим нерівномірне зношування валка. При вмісті вуглецю в межах 0,65-0,75 % значна частина хрому зв'язується в процесі кристалізації в карбіди, що в підсумку знижує легування аустеніту і, відповідно, зменшує міцність і мікротвердість основи матеріалу (металевої фази валка) після гартування. За сукупністю суттєвих ознак описана сталь є найбільш близьким аналогом (прототипом). В основу корисної моделі покладена задача - створити сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, що забезпечує підвищення зносостійкості валків за рахунок технічного результату, що полягає в підвищенні пластичності й міцності валків, а також зниженні коефіцієнта тертя. Для забезпечення зазначеного технічного результату сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, містить наступні компоненти, мас. %: вуглець - 0,40-0,50; марганець - 0,40-0,80; кремній - 0,10-0,50; хром - 2,70-3,30; нікель - 0,35-0,50; молібден - не більше 1,00; ванадій - не менше 0,10; сірка - не більше 0,015; фосфор - не більше 0,02; залізо решта. Співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 5,5≤Сr/С≤8,0, а сумарний вміст молібдену та ванадію знаходиться в межах 0,85≤Mo+V≤1,20. Відома і заявлена сталь мають наступні подібні ознаки: сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, сірку, фосфор і залізо. Заявлена сталь має наступні відмітні ознаки: сталь містить зазначені елементи при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,40-0,50 марганець 0,40-0,80 кремній 0,10-0,50 хром 2,70-3,30 нікель 0,35-0,50 не більше молібден 1,00 не менше ванадій 0,10 не більше сірка 0,015 не більше фосфор 0,02 залізо решта, при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 5,5≤Сr/С≤8,0, а сумарний вміст молібдену та ванадію знаходиться в межах 0,85≤Mo+V≤1,20. Між відмітними ознаками корисної моделі й технічним результатом, що досягається, є причинно-наслідковий зв'язок. 1 UA 80578 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вміст вуглецю в межах 0,40-0,50 % утворює матрицю відпускного мартенситу з дрібнодисперсними легованими карбідами переважного складу МС, М2С, М3С і М7С3, що забезпечує підвищення пластичності та зменшення коефіцієнта тертя. Наявність марганцю, розчиненого в металевій матриці, підвищує твердість і міцність валків. При вмісті марганцю менше 0,40 % відбувається зниження вказаних властивостей. При вмісті марганцю понад 0,80 % подальшого підвищення властивостей не відбувається. Вміст хрому в межах 2,70-3,30 % істотно підвищує прогартовуваність і, як наслідок, підвищує міцність, пластичність і в'язкість. При цьому допускається перегрів валків до температури 1000 °C, що при загартуванні з індукційним нагріванням дозволяє підвищити температуру нагрівання бочки валка і, відповідно, збільшити глибину загартованого шару. У заявленій сталі, що містить вуглець в кількості 0,40-0,50 %, важливо враховувати спільний вплив хрому й вуглецю. Для забезпечення оксідаційної стійкості та зносостійкості співвідношення між хромом і вуглецем (хром-вуглецевий еквівалент) регламентоване і відповідає умові 5,5≤Сr/С≤8,0. При співвідношенні Cr/C менше 5,5 знижується легування основи матеріалу хромом, що призводить до зменшення її мікротвердості та, отже, до зменшення корозійної й абразивної стійкості валків. При підвищенні співвідношення Сr/С більше 8,0 при загартуванні валків в реальних виробничих умовах зростає кількість залишкового аустеніту, який потім може частково перетворюватися в процесі експлуатації, що призводить до зростання внутрішніх напружень і, як наслідок, викришування та відколів робочого шару. Наявність у сталі кремнію сприяє підвищенню прогартовуваності та твердості. При вмісті кремнію менше 0,10 % підвищується активність кисню, що веде до окислення і втрат легуючих елементів, забрудненню сталі неметалевими включеннями. При вмісті кремнію більше 0,50 % подальшого підвищення зазначених властивостей не відбувається. Наявність нікелю підвищує пластичність сталі, а також опір сталі окисленню при нагріванні до високих температур. При вмісті нікелю менш ніж 0,35 % опір окисленню знижується, що при підвищених температурах індукційного нагрівання під загартування неприпустимо, так як відбувається окислення металу по границях зерен. При збільшенні вмісту нікелю більш ніж 0,50 % в заявленій сталі відбувається збільшення залишкового аустеніту в метастабільній формі, а подальшого зростання властивостей не відбувається. Наявність молібдену і ванадію підвищує прогартовуваність сталі. В залізовуглецевих розплавах, що містять хром, завдяки молібдену і ванадію також досягається підвищення твердості карбідів хрому. Наявність ванадію в сталі у кількості не менше 0,10 % сприяє отриманню при кристалізації сталі дрібної рівномірної первинної структури. Процес карбідоутворення при кристалізації визначається балансом в сталі вуглецю та сильних карбідоутворюючих елементів - хрому, молібдену і ванадію. У залізовуглецевих розплавах хром утворює складні карбіди з твердістю не більше 1100-1200 HV. Подальше підвищення твердості карбідів досягається введенням в сталь молібдену і ванадію. При вмісті в пропонованій сталі молібдену і ванадію в межах 0,85≤Мо+V≤1,20 формуються складні карбіди хрому, що містять у своєму складі молібден і ванадій. Твердість таких складних карбідів складу МС, М2С, М3С і М7С3 знаходиться в межах 1400-2000 HV, що при твердості основи матеріалу 30-40 HRC забезпечує високу зносостійкість валків. При зменшенні сумарного вмісту молібдену і ванадію менше 0,85 % твердість складних карбідів зменшується до 1200 HV, що знижує корозійну й абразивну стійкість валків. При сумарному вмісті молібдену і ванадію більше 1,20 % відбувається не тільки зростання твердості карбідів, але й зміна їх морфології. В результаті карбіди набувають гострокутну форму, що призводить до зниження пластичності сталі. Заявлена корисна модель промислово застосовна. Вона впроваджується при виготовленні опорних валків для станів гарячої та холодної прокатки металів із заявленої сталі на Новокраматорському машинобудівному заводі (НКМЗ). У виробничих умовах НКМЗ були проведені дослідження твердості та механічних властивостей заявленої сталі, а також відомої сталі, прийнятої як прототип (сталі-прототипу). Вихідні дані: - обладнання для виплавки сталі - індукційна піч об'ємом 50 кг; - технологічні операції - виплавка сталі, виливання злитків, кування прутків, термічна обробка; - хімічний склад сталі - див. таблицю 1 (плавка №№ 1-5 - заявлена сталь, плавка № 6 сталь-прототип). 60 2 UA 80578 U Таблиця 1 Хімічний склад сталі № плавки 1 2 3 4 5 6 С 0,38 0,40 0,46 0,50 0,52 0,72 Мn 0,80 0,67 0,74 0,67 0,58 1,08 Si 0,38 0,38 0,46 0,21 0,28 0,56 Вміст елементів, мас. % Сr Ni Mo V 3,14 0,38 0,75 0,12 3,05 0,39 0,77 0,11 3,30 0,40 0,84 0,14 3,18 0,41 0,81 0,14 2,95 0,40 0,78 0,12 2,68 0,38 0,68 0,15 S 0,008 0,006 0,006 0,006 0,008 0,014 Р 0,015 0,015 0,017 0,012 0,014 0,020 Fe реш. реш. реш. реш. реш. реш. Результати визначення твердості та механічних властивостей (тимчасового опору, межі текучості, ударної в'язкості за Шарпі) заявленої сталі та сталі-прототипу (плавка № 6) наведено в таблиці 2.5 Таблиця 2 Результати визначення твердості та механічних властивостей сталі № плавки 1 2 3 4 5 6 10 15 20 Твердість, HRC 33,0 33,5 33,5 33,0 33,5 31 ςв, МПа 1070 1080 1080 1075 1075 1020 Механічні властивості сталі 2 ς0,2, МПа ςn, кДж/м 915 380 915 375 920 380 920 380 925 365 900 220 Як випливає з таблиці 2, заявлена сталь у порівнянні зі сталлю-прототипом має більш високий комплекс механічних властивостей. Додатково на валках із бочкою Ø1200, виготовлених зі сталі-прототипу та заявленої сталі, виконали оцінку напруженого стану бочок. Виконали виміри коерцитивної сили, величина відхилення від середньої величини якої побічно відображає нерівномірність стискаючих напруг в робочому шарі на глибині 8-15 мм. На валках зі сталі-прототипу коерцитивна сила матеріалу склала 11±0,6 А/см, а на валках із заявленої сталі - 10±0,2 А/см. Така магнітна карта показує, що на бочках валків із заявленої сталі напруги в робочому шарі відрізняються більшою рівномірністю, ніж у валків зі сталіпрототипу, що в підсумку відбивається на підвищенні надійності, експлуатаційній стійкості та напрацюванні валків. Валки із заявленої сталі в процесі промислової експлуатації за рахунок підвищеної корозійної й абразивної стійкості показали загальне напрацювання, що більш ніж в 1,4 разу перевищує напрацювання валків із відомих сталей. Таким чином, за рахунок оптимального легування металевої фази хромом із дрібними карбідами збільшується пластичність і міцність валків, а також знижується коефіцієнт тертя, що дозволяє підвищити зносостійкість і напрацювання опорних валків станів гарячої та холодної прокатки із заявленої сталі. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Сталь, переважно для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, нікель, молібден, ванадій, сірку, фосфор і залізо, яка відрізняється тим, що вона містить зазначені елементи при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,40-0,50 марганець 0,40-0,80 кремній 0,10-0,50 хром 2,70-3,30 нікель 0,35-0,50 молібден не більше 1,00 3 UA 80578 U ванадій не менше 0,10 сірка не більше 0,015 фосфор не більше 0,02 залізо решта, при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 5,5≤Сr/С≤8,0, а сумарний вміст молібдену та ванадію знаходиться в межах 0,85≤Mo+V≤1,20. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4