Сталь для робочих валків прокатних станів

Реферат: Сталь для робочих валків прокатних станів містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Сталь містить зазначені елементи, при цьому співвідношення між кремнієм і вуглецем відповідає умові 3,0 ≤ Si / С ≤ 3,6. UA 85491 U (12) UA 85491 U UA 85491 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до металургії та сплавів чорних металів на основі заліза, а саме до складів легованих сталей для робочих валків станів холодної прокатки чорних металів, а також станів гарячої прокатки кольорових металів. Відома легована сталь 60 × 2СМФ, що використовується для виготовлення робочих валків станів холодної прокатки та складається з наступних компонентів, мас. %: вуглець - 0,57-0,65; кремній - 1,05-1,30; марганець - 0,20-0,70; хром - 1,80-2,10; молібден - 0,25-0,35; ванадій -0,100,25; сірка - не більше 0,03; фосфор - не більше 0,03; залізо - решта (див. отраслевой стандарт "Валки стальные кованые для холодной прокатки металлов. Технические условия", ОСТ 24.013.20-90, 1990. - С. 7). Недоліком цієї сталі є обмежена прогартовуваність валків з неї, внаслідок чого не забезпечується повне використання ресурсу робочого шару валків через їх передчасне спрацювання. Це призводить до зниження показників експлуатаційної стійкості робочих валків зі сталі 60 × 2СМФ. Крім того, в разі обриву штаби подвійної або потрійної товщини через недостатню теплостійкість матеріалу валка може розвиватися високе напруження в матеріалі внаслідок значного перепаду температур (теплового удару). В результаті відбувається місцеве руйнування робочого шару валка, для видалення якого необхідне виконання шліфування з непродуктивним зняттям значної частини робочого шару валка. Також відома сталь, яка може бути використана для виробництва валків станів холодної та гарячої прокатки і складається з наступних компонентів, мас. %: вуглець - 0,60-0,68; кремній 2,70-3,30; марганець - 0,50-1,0; хром - 1,80-2,10; молібден - 0,30-0,50; ванадій - 0,15-0,30; титан 0,05-0,20; сірка - не більше 0,02; фосфор - не більше 0,02; залізо - решта (див. опис до патенту України на винахід № 69444, С22С 38/00, Бюл. № 9, 15.09.2004). Відповідно до опису патенту, за рахунок зміни структурного складу сталі забезпечується підвищення її фізико-механічних властивостей. Експлуатація валків з даної сталі забезпечує підвищення стійкості матеріалу до температурних навантажень після неодноразового проходження складок промислової штаби, що призводить до підвищення напрацювання валків на відмову. Однак в даній сталі, що містить більше 2,2 % кремнію збільшується неоднорідність структури, з'являються лікваційні зони, знижуються пластичність і в'язкість. Це найчастіше служить причиною передчасного поперечного руйнування валків як при їх виготовленні, так і при експлуатації в прокатних станах, а також причиною зниження експлуатаційних показників виробів. За сукупністю суттєвих ознак описана сталь є найбільш близьким аналогом (прототипом). В основу корисної моделі поставлена задача створити сталь, що забезпечує підвищення напрацювання на відмову робочих валків прокатних станів за рахунок технічного результату, що полягає в підвищенні механічних властивостей сталі. Поставлена задача вирішується тим, що підвищення таких механічних властивостей сталі для робочих валків, як міцність, пластичність, твердість і в'язкість вирішується з одночасним збереженням рівня теплостійкості. Для забезпечення зазначеного технічного результату сталь містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій, залізо та неминучі технологічні домішки. При цьому сталь містить зазначені елементи при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець - 0,60-0,67; кремній - 1,80-2,20; марганець - 0,20-0,70; хром - 1,90-2,20; молібден - 0,30-0,40; ванадій -0,10-0,25, решта - залізо та неминучі технологічні домішки (зокрема, сірка - не більше 0,015; фосфор - не більше 0,020; нікель - до 0,50; мідь - до 0,25). Співвідношення між кремнієм і вуглецем відповідає умові 3,0 ≤ Si / С ≤ 3,6. Відома сталь за патентом України на винахід № 69444 і заявлена сталь мають наступні подібні ознаки: сталь для робочих валків прокатних станів, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Заявлена сталь має наступні відмітні ознаки: зазначені елементи містяться при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець кремній марганець хром молібден ванадій залізо та неминучі 0,60 - 0,67 1,80 - 2,20 0,20 - 0,70 1,90 - 2,20 0,30 - 0,40 0,10 - 0,25 решта, 1 UA 85491 U технологічні домішки 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 при цьому співвідношення між кремнієм і вуглецем відповідає умові 3,0 ≤ Si/C ≤ 3,6. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом полягає у такому. Вміст вуглецю в межах 0,60-0,67 % утворює матрицю перліту з дрібнодисперсними легованими карбідами переважного складу МС, М2С, МЗС, М7СЗ, що забезпечує підвищення пластичності сталі. При вмісті вуглецю менше 0,60 % утворюється недостатня кількість карбідів, що призводить до підвищеного спрацювання. При вмісті вуглецю більше 0,67 % відбувається виділення надмірної кількості карбідів, що призводить до зниження пластичності сталі. Вміст кремнію в межах 1,80-2,20 % у заявленій сталі, на відміну від відомої (2,70-3,30 %) призводить до підвищення пластичних властивостей і в'язкості сталі. У заявленій сталі, що містить вуглець в кількості 0,60-0,67 %, необхідно враховувати спільний вплив кремнію та вуглецю. При співвідношенні Si/С від 3,0 до 3,6 включно забезпечується стримуючий вплив кремнію при розпаді мартенситу в інтервалі низьких температур відгартовування. Це пов'язано з гальмуючим впливом кремнію на дифузію вуглецю (підвищує енергію активації та предекспоненціальний множник), а так само з перерозподілом кремнію, що має коефіцієнт дифузії між структурними складовими при відгартовуванні у багато разів менше, ніж у вуглецю. Крім цього кремній сприяє виділенню вуглецю у вільному вигляді, відповідно до стабільної системи залізо-вуглець, що значно підвищує експлуатаційні показники металів. При співвідношенні Si/С менше 3,0 знижується легування основи матеріалу (металевої фази валка) кремнієм, що збільшує окислення при стиральних навантаженнях і, як наслідок, призводить до зниження опору спрацюванню та знеміцненню при відгартовуванні. При підвищенні співвідношення Si/С більше 3,6 спостерігається підвищена кількість включень графіту небажаної форми, що негативно позначається на міцності та пластичних властивостях сталі. Марганець, розчинений в металевій основі, сприяє підвищенню твердості та міцності сталі. При вмісті марганцю менше 0,2 % знижується твердість і зносостійкість сталі. При вмісті марганцю понад 0,7 % відбувається зниження пластичних властивостей сталі. Вміст хрому в заявленій сталі в межах 1,90-2,20 %, збільшує прогартовуваність сталі, зносостійкість робочої поверхні валків, підвищує комплекс механічних властивостей, а також сприяє одержанню високої та рівномірної твердості виробів. При вмісті хрому менше 1,90 % прогартовуваність сталі зменшується, знижуються її механічні властивості та зносостійкість, що призводить до зниження терміну експлуатації валків. При вмісті хрому більше 2,20 % утворюються складні карбіди хрому, з'являється карбідна неоднорідність, що призводить до зниження пластичних характеристик сталі. Процес карбідоутворення при кристалізації сталі визначається балансом в ній вуглецю та сильних карбідоутворюючих елементів - хрому, молібдену та ванадію. В залізовуглецевих сплавах хром утворює складні карбіди з твердістю 1100-1200 HV. Подальше підвищення твердості карбідів досягається легуванням сталі молібденом і ванадієм. При цьому формуються складні карбіди хрому, що містять у своєму складі молібден і ванадій. Твердість таких карбідів складу МС, М2С, М3С, М7С3 знаходиться в межах 1400-2000 HV, що забезпечує високу зносостійкість валків. Крім того, наявність молібдену та ванадію підвищує прогартовуваність сталі. Наявність у сталі ванадію в межах 0,10-0,25 % сприяє утворенню рівномірної первинної структури при кристалізації. При вмісті ванадію менше 0,10 % знижується кількість з'єднань, що утворюються, процес подрібнення зерна не відбувається в повному обсязі та, в результаті, знижуються механічні властивості сталі. При вмісті ванадію більше 0,25 % утворюється надмірна кількість сполук ванадію та відбувається зниження пластичних властивостей сталі. Молібден, з'єднуючись з хромом, підвищує прогартовуваність сталі, що дозволяє отримати рівномірну дрібнозернисту структуру. При вмісті молібдену менше 0,30 % структура сталі відрізняється неоднорідністю, що призводить до зниження міцнісних властивостей матеріалу. При вмісті молібдену більше 0,40 % утворюється надмірна кількість з'єднань з участю молібдену та знижуються пластичні властивості сталі. 2 UA 85491 U 5 10 В результаті легування сталі зазначеними елементами в оптимальних співвідношеннях забезпечується підвищення комплексу її механічних властивостей - міцності, пластичності, твердості та в'язкості сталі. Сталь для робочих валків прокатних станів промислово застосовна - впроваджується при виготовленні робочих валків для станів холодної прокатки чорних металів, а також для станів гарячої прокатки кольорових металів із заявленої сталі на Новокраматорському машинобудівному заводі (НКМЗ). У виробничих умовах НКМЗ були проведені дослідження механічних властивостей заявленої сталі, а також відомої сталі, прийнятої як прототип (сталі-прототипу). Вихідні дані: обладнання для виплавки сталі - індукційна піч ємністю 100 кг; технологічні операції - виплавка сталі, виливання злитків, кування прутків, термічна обробка; хімічний склад сталі - див. таблицю 1 (плавки №№ 1-5 - заявлена сталь, плавка № 6 - стальпрототип). 15 Таблиця 1 Хімічний склад сталі № плавки 1 2 3 4 5 6 С 0,58 0,60 0,63 0,67 0,68 0,67 Si 1,70 1,81 1,88 1,95 2,28 2,84 Вміст елементів, мас. %* Мn Сr 0,14 1,86 0,24 1,98 0,32 2,06 0,36 2,12 0,76 2,38 0,53 2,05 Мo 0,24 0,30 0,30 0,36 0,45 0,30 V 0,08 0,14 0,17 0,23 0,27 0,15 * решта - Fe, неминучі технологічні домішки, титан (плавка № 6) 20 25 Як міра міцності сталі використані межа міцності при розтягуванні (тимчасовий опір розриву) ςв і межа текучості умовна ς0,2. Як міра пластичності сталі використані відносне подовження після розриву δ і відносне звуження ψ, визначені при проведенні випробувань на розтягнення. Як міра твердості сталі використана твердість, визначена за методом Роквелла за шкалою С. Як міра в'язкості використана ударна в'язкість KCU, визначена на ударному зразку з концентратором виду U. Результати визначення твердості, тимчасового опору розриву, 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 1 2 3 4 Твердість, HRC 31,5 32 33 32,5 ςв, МПа 1080 1086 1100 1090 Механічні властивості ς0,2, δ, % МПа 934 18,6 936 18,8 948 21,3 940 19,2 30 3 ψ, % 52 52,4 54,1 53,4 KCU, 2 кДж/м 458 468 480 432 UA 85491 U Продовження таблиці 2 5 6 5 10 31 30 1070 1028 925 812 18 16 51 40 425 230 Як випливає з таблиці 2, заявлена сталь має більш високий комплекс механічних властивостей. Переваги сталі також підтверджуються випробуваннями в промислових умовах. Результати випробувань робочих валків із заявленої сталі в умовах станів холодної прокатки чорних металів показали, що їх напрацювання на відмову перевищило напрацювання валків із відомих марок сталей в 1,4-1,6 рази. Таким чином, за рахунок оптимального легування сталі підвищується комплекс механічних властивостей сталі, що дозволяє підвищити напрацювання на відмову, термін експлуатації і конкурентоспроможність робочих валків станів гарячої та холодної прокатки. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Сталь для робочих валків прокатних станів, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки, яка відрізняється тим, що вона містить зазначені елементи при наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,60 - 0,67 кремній 1,80 - 2,20 марганець 0,20 - 0,70 хром 1,90 - 2,20 молібден 0,30 - 0,40 ванадій 0,10 - 0,25 залізо та неминучі технологічні решта, домішки 20 при цьому співвідношення між кремнієм і вуглецем відповідає умові 3,0 ≤ Si / С ≤ 3,6. 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