Валкова сталь

Реферат: Валкова сталь містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки, причому вона містить зазначені елементи при наступному їх співвідношенні, мас. %: вуглець 0,43-0,50 марганець 0,50-0,70 кремній 0,70-0,90 хром 4,50-5,50 молібден 0,40-0,60 ванадій 0,10-0,20 залізо та неминучі технологічні решта; домішки при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 9,5Сr/С12,5. UA 94586 U (12) UA 94586 U UA 94586 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області металургії та сплавів чорних металів на основі заліза, а саме - до складів легованих сталей для опорних валків станів гарячої та холодної прокатки, а також робочих валків сортових станів. Відома сталь 75ХМФ, що застосовується для виготовлення опорних валків прокатних станів і складається з таких компонентів, мас. %: вуглець -0,70-0,80; кремній - 0,20-0,60; марганець 0,20-0,70; хром - 1,40-1,70; молібден - 0,10-0,30; ванадій - 0,05-0,25; сірка - не більше 0,04; фосфор - не більше 0,04; решта - залізо та неминучі технологічні домішки, зокрема мідь - не більше 0,25; нікель - не більше 0,50 (див. отраслевой стандарт "Валки стальные кованые для холодной прокатки металлов. Технические условия", ОСТ 24.013.20-90, 1990. - С. 7). Прокатні валки з цієї сталі мають недостатню прогартовуваність, понижену твердість і, як наслідок цього, невисокий рівень міцності та нерівномірний знос бочок валків у процесі їх експлуатації, що часто не забезпечує вимоги до експлуатаційної стійкості опорних валків. Також відома високохромиста сталь 45 × 5МФ, що застосовується, зокрема, для виготовлення опорних валків станів холодної прокатки металу (див. Буянкина А. П. Исследование свойств валковой стали марки 45 × 5МФ после различных режимов термической обработки / А.П. Буянкина // XIII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар молодых ученых-металловедов. II Международная научная школа для молодежи "Материаловедение и металлофизика легких сплавов". - Екатеринбург, 2012. - С. 72-73; http://elar.urfu.ru/handle/10995/22528). Відомо, що дана сталь призначена також для виготовлення валків гарячої прокатки (див. Соколов С.О. Экономнолегированная сталь для валков горячей прокатки высокопроизводительных станов / С.О. Соколов // Журнал "Вестник Оренбургского государственного университета". - Оренбург, 2012. - № 9. - С. 126-133; http://vestnik.osu.ru/2012_9/23.pdf). З рівня техніки встановлені наступні склад і зміст компонентів у сталі 45 × 5МФ, мас. %: вуглець - 0,45; хром - 5,10; молібден - 0,28; ванадій - 0,15; кремній - 0,45; марганець - 0,31; решта - залізо та неминучі технологічні домішки, зокрема, сірка - 0,015; фосфор - 0,020; нікель не більше 0,50 (див. Якунина О.А. Режимы предварительной термической обработки прокатных валков из сталей с различным содержанием углерода / О.А. Якунина, Е.Ю. Приймак, С.О. Соколов, В.И. Грызунов // Вестник совета молодых ученых. Сборник научных трудов. - Орск.2011. - С. 37-45; http://og-ti.ru/sites/default/files/vestnik.pdf). Також з рівня техніки відомий наступний вміст компонентів у даній сталі, мас. %: вуглець 0,44; кремній - 0,25; марганець - 0,35; хром - 4,82; молібден - 0,25; ванадій - 0,17; решта - залізо та неминучі технологічні домішки, зокрема, сірка - 0,017; фосфор - 0,014 (див. Ануфриев Н.П. Расчетно-экспериментальное моделирование диффузионного распада переохлажденного аустенита доэвтектоидных конструкционных сталей: Ануфриев Н.П., автореф. дис. на соискание науч. степени кандидата техн. наук: спец. обработка металлов и сплавов / Н.П. Ануфриев. - Екатеринбург, 2011. - 23 с; http://tekhnosfera.com/raschetno-eksperimentalnoemodelirovanie-diffuzionnogo-raspada-pereohlazhdennogo-austenita-doevtektoidnyh-konstruktsionny). За сукупністю суттєвих ознак та ефекту, що досягається, описана сталь є найбільш близьким аналогом (прототипом). Сталь 45 × 5МФ має значну міцність і твердість, однак валки, виготовлені з цієї сталі, не завжди забезпечують необхідні експлуатаційні характеристики. В основу корисної моделі поставлена задача - створити валкову сталь, що забезпечує підвищення питомого напрацювання на відмову прокатних валків за рахунок технічного результату, що полягає в підвищенні механічних властивостей сталі. Для забезпечення зазначеного технічного результату сталь містить вуглець, марганець, кремній, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Сталь містить зазначені елементи при наступному їх співвідношенні, мас. %: вуглець - 0,43-0,50; марганець 0,50-0,70; кремній - 0,70-0,90; хром - 4,50-5,50; молібден - 0,40-0,60; ванадій -0,10-0,20; залізо та неминучі технологічні домішки - решта (зокрема сірка - не більше 0,015; фосфор - не більше 0,015; нікель - не більше 0,50). Співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 9,5  Сr/С  12,5. Відома та заявлена сталь маютьнаступні подібні ознаки: валкова сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, хром, молібден, ванадій і залізо, а також неминучі технологічні домішки. Заявлена сталь має такі відмітні ознаки: сталь містить зазначені елементи при наступному їх співвідношенні, мас. %: 1 UA 94586 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вуглець 0,43-0,50, марганець 0,50-0,70, кремній 0,70-0,90, хром 4,50-5,50, молібден 0,40-0,60, ванадій 0,10-0,20, залізо та неминучі технологічні домішки решта; при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 9,5  Сr/С  12,5. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом полягає у такому. Підвищений вміст кремнію в межах 0,70-0,90 % у запропонованій сталі в порівнянні з його вмістом у відомій сталі (0,25-0,45 %) сприяє виділенню вуглецю у вільному вигляді у відповідності зі стабільною системою залізо-вуглець, що значно підвищує твердість і міцність сталі, а також показники зносостійкості. Вміст кремнію в кількості менше 0,70 % не робить значного впливу на процес графітизації, внаслідок чого вуглець знаходиться у зв'язаному стані, що призводить до зниження експлуатаційних властивостей матеріалу та значного зносу валків при експлуатації в умовах інтенсивного тертя. При вмісті кремнію більше 0,90 % в структурі сталі спостерігається підвищена кількість великих включень графіту несприятливої форми, що негативно позначається на міцності та пластичних характеристиках. Наявність у сталі марганцю підвищує твердість і міцність сталі, а також стабілізує перліт. При вмісті марганцю менше 0,50 % в структурі сталі спостерігається присутність включень фериту, що призводить до зниження твердості та зносостійкості валка. При вмісті марганцю понад 0,70 % відбувається зниження пластичних властивостей сталі внаслідок локального перенасичення феритної складової перліту марганцем. Вміст хрому в межах 4,50-5,50 % істотно покращує прогартовуваність сталі, сприяє отриманню високої та рівномірної твердості, а також підвищує міцність і пластичні характеристики. У заявленій сталі, що містить вуглець у кількості 0,43-0,50 %, важливо враховувати спільний вплив хрому та вуглецю на механічні властивості. Для забезпечення оксидаційної стійкості та зносостійкості хромовуглецевий еквівалент відповідає умові 9,5  Сr/С  12,5. При співвідношенні Сr/С менше 9,5 знижується легування металевої фази валка хромом, у результаті чого зменшується загартовуваність і мікротвердість основи і, отже, відбувається зниження механічних властивостей, а також корозійної й абразивної стійкості валків. При підвищенні співвідношення Сr/С більше 12,5 карбіди хрому укрупнюються, збільшується їх кількість, у результаті чого з'являється карбідна неоднорідність, що призводить до зниження пластичних властивостей сталі. Крім цього при загартуванні валків у промислових умовах збільшується кількість залишкового аустеніту, який частково перетворюється в процесі експлуатації, що сприяє зростанню внутрішніх напружень, що призводять до передчасного виходу валка з експлуатації. Молібден у присутності хрому дозволяє отримувати рівномірну та дрібнозернисту структуру, збільшує опір сталі повзучості, гальмує процес зростання та коагуляції карбідів. При вмісті молібдену менше 0,40 % знижується кількість сполук, що утворюються, структура сталі відрізняється неоднорідністю, що призводить до зниження міцності та пластичних характеристик. При вмісті молібдену більше 0,60 % утворюється надмірна кількість з'єднань за участю молібдену та знижуються пластичні властивості сталі. Наявність в сталі ванадію в межах 0,10-0,20 % 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, внаслідок чого відбувається зниження механічних властивостей. При вмісті ванадію більше 0,20 % утворюється надмірна кількість сполук ванадію, що веде до зниження пластичних властивостей сталі. В результаті оптимального легування сталі забезпечується підвищення комплексу механічних властивостей - міцності, пластичності, твердості та в'язкості сталі. Заявлена корисна модель промислово застосовна вона 2 UA 94586 U 5 10 впроваджується при виробництві опорних валків для станів гарячої та холодної прокатки 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 тигельна піч ємністю 100 кг із кислою футеровкою; шихтові матеріали - сталеві відходи та феросплави; технологічні операції - виплавка сталі, виливання злитків, кування прутків, 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 0,41 0,43 0,46 0,50 0,51 0,45 Si 0,69 0,70 0,81 0,89 0,92 0,35 Вміст елементів, мас. %* Mn Cr Mo 0,47 4,48 0,39 0,51 4,50 0,40 0,60 4,98 0,51 0,70 5,50 0,60 0,72 5,53 0,62 0,35 4,91 0,26 V 0,09 0,10 0,14 0,20 0,21 0,17 Ni 0,20 0,31 0,28 0,33 0,35 0,34 * решта - Fe, неминучі технологічні домішки. Як міра твердості сталі використана твердість, визначена за методом Роквелла за шкалою 15 С. 20 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 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. 25 Таблиця 2 Результати визначення механічних властивостей сталі Механічні властивості № плавки 1 2 3 4 5 6 30 Твердість, HRC 32,0 32,0 33,0 33,5 34,0 30,5 σв, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, % KCU, кДж/м 1025 1036 1082 1110 1147 983 910 924 950 965 1012 855 14,0 13,9 12,0 11,6 11,0 9,0 50,6 49,3 46,5 44,2 41,0 35,4 2 408 390 382 374 365 260 Як випливає з таблиці 2, заявлена сталь має більш високий рівень механічних властивостей. Переваги заявленої сталі також підтверджуються дослідними і промисловими випробуваннями. Результати випробувань валків в умовах стану холодної прокатки показали, що напрацювання прокатних валків із заявленої сталі більш ніж в 1,2 рази перевищує напрацювання валків із відомих сталей. 3 UA 94586 U Таким чином, за рахунок легування сталі в оптимальних співвідношеннях компонентів збільшується міцність, пластичність, в'язкість і твердість валків, що дозволяє підвищити питоме напрацювання на відмову і, в результаті, конкурентоспроможність опорних і робочих валків прокатних станів. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Валкова сталь, 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 їх співвідношенні, мас. %: вуглець 0,43-0,50 марганець 0,50-0,70 кремній 0,70-0,90 хром 4,50-5,50 молібден 0,40-0,60 ванадій 0,10-0,20 залізо та неминучі технологічні домішки решта; при цьому співвідношення між хромом і вуглецем відповідає умові 9,5Сr/С12,5. Комп’ютерна верстка С. Чулій 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