Сталь для прокатных валков

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сталям для валков, и может быть использовано при изготовлении рабочих и опорных валков с повышенными требованиями по твердости, глубине активного закаленного слоя на валках, а также повышенными сопротивлением разупрочнению при отпуске и износостойкостью при достаточной технологичности в сталеплавильном и кузнечном переделах. Предложена сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, кобальт, никель, азот, ниобий, тантал и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,65 - 0,85; кремний 0,45 - 0,90; марганец 0,40 - 0,80; хром 1,70 - 2,20; ванадий 0,12 - 0,25; титан 0,002 - 0,006; никель 0,10 - 0,50; кобальт 0,01 - 0,05; азот 0,004 - 0,014; мышьяк 0,004 - 0,02; ниобий 0,002 - 0,03; тантал 0,002 - 0,010; железо остальное. Новая сталь опробирована при изготовлении рабочих валков холодной прокатки диаметром 615 мм. Получены валки с твердостью закаленной поверхности бочки валков в пределах 93 - 102 HSД и глубиной активного закаленного слоя 17 - 23, что в 1,4 - 1,5 раз больше по сравнению с глубиной активного закаленного слоя для рассматриваемого типа валков. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сталям для валков, и может быть использовано для изготовления рабочих и опорных валков с повышенными требованиями по твердости и глубине активного закаленного слоя.

Известны стали (а) и (б) для валков прокатных станов следующих составов, мас.

а).

Углерод 0,60 0,80 Кремний 0,46 1,00 Марганец 0,90 1,10 Хром 1,90 2,20 Ванадий 0,31 0,60 Ниобий 0,002 0,050 Титан 0,004 0,050 Кальций 0,002 0,050 Железо Остальное (Авторское свидетельство СССР N 1073322, C 22 C 38/26, 1984).

Недостатки этой стали пониженная поверхностная твердость (< 90 HSД) валков и пониженная технологичность в сталеплавильном и кузнечном переделах.

б).

Углерод 0,70 0,90
Кремний 0,60 1,00
Марганец 0,40 0,80
Хром 1,90 2,50
Ванадий 0,25 0,40
Ниобий 0,05 0,10
Медь 0,05 0,30
Никель 0,10 0,50
Железо Остальное
(Авторское свидетельство СССР N 1684352, C 22 C 38/48, 1991).

Эта сталь характеризуется повышенной поверхностной твердостью (90 - 102)HSД валков, но как и сталь (а), имеет недостаточную технологичность в сталеплавильном и кузнечном переделах.

Наиболее близкой к предлагаемой стали по технической сущности и достигаемому эффекту является сталь следующего состава, мас.

Углерод 0,7 1,0
Кремний 0,2 0,6
Марганец 0,2 0,8
Хром 1,4 2,5
Молибден 0,1 0,3
Ванадий 0,05 0,20
Азот 0,004 0,014
Титан 0,001 0,005
Кобальт 0,01- 0,10
Никель 0,2 0,8
Железо Остальное
(Авторское свидетельство СССР N 1420066, C 22 C 38/52, 1988).

Недостатки этой стали ограниченные прокаливаемость и глубина активного закаленного слоя (12 15)мм рабочих валков холодной прокатки.

Задачей данного изобретения является разработка такой стали, которая была бы технологична, обладала бы повышенной глубиной активного закаленного слоя на валках, повышенными сопротивлением разупрочнению при отпуске и износостойкостью.

Для решения поставленной задачи в известную сталь, содержащую C, Si, Mn, Cr, V, Ti, Ni, Co, N, дополнительно вводят Nb, Ta, As при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,65 0,85
Кремний 0,45 0,90
Марганец 0,40 0,80
Хром 1,70 2,20
Ванадий 0,12 0,25
Кобальт 0,01 0,05
Никель 0,10 0,50
Азот 0,004 0,014
Титан 0,002 0,006
Ниобий 0,002 0,030
Тантал 0,002 0,010
Мышьяк 0,004 0,020
Железо Остальное
Введение мышьяка, который является активным гидридообразующим элементом, в количестве 0,004 0,020% способствует уменьшению флокеночувствительности стали. При содержании мышьяка в количестве менее 0,004% его роль как гидридообразующего элемента незначительна. Верхнее предельное содержание мышьяка в стали ограничивается 0,020% т.к. при количестве его более 0,020% заметно снижается пластичность стали.

Вводимые в сталь сильные карбидо- и нитридообразующие ниобий в количестве 0,002 0,030% и тантал в количестве 0,002 0,010% в сочетании с легированием ванадием, хромом, титаном повышают прокаливаемость.

При содержании ниобия и тантала в количестве менее 0,002% каждого их положительное влияние на прокаливаемость и повышение уровня механических свойств малозначительно.

Верхнее предельное содержание ниобия ограничено 0,030% и тантала - 0,010% т. к. дальнейшее повышение содержания этих элементов в сочетании с наличием в стали ванадия в количестве 0,12 0,25% хрома в количестве 1,70 - 2,20% титана в количестве 0,002 0,006% азота в количестве 0,004 0,014% экономически не оправдано.

Содержание ванадия увеличено до 0,12 0,25% с целью глубины закалки валков. Содержание ванадия ограничено 0,25% т.к. дальнейшее повышение ванадия неэффективно в части дальнейшего повышения эксплуатационной стойкости.

Увеличение содержания ванадия в стали в сочетании с легированием ниобием, танталом, титаном придает стали способность сохранить мелкозернистость при нагреве под закалку до повышенных температур и за счет этого повысить прокаливаемость. В этих условиях сохраняется благоприятное распределение карбидов и карбонитридов, что обеспечивает повышенный уровень механических свойств.

Верхнее предельное содержание в стали хрома ограничено 2,20% из-за соображений улучшения технологичности в сталеплавильном и кузнечном переделах.

Азот в количестве 0,004 0,014% совместно с C, V, Nb, Ti, Ta формирует в стали мелкодисперсные карбонитридные выделения, что благоприятно отражается на сохранении мелкого зерна при нагреве стали под закалку до высоких температур. Содержание азота в стали менее 0,004% малоэффективно. Верхнее предельное содержание азота в стали ограничено 0,014% т.к. при содержании азота в стали более 0,014% дисперсность карбонитридов снижается, что понижает пластичность стали в процессе ковки.

Титан наиболее сильный карбидообразующий элемент из вводимых в разработанную сталь. Он в количестве 0,002 0,006% образуя мелкодисперсные карбонитриды, положительно влияет на сохранение мелкого зерна при нагреве под закалку до высоких температур, что позволяет увеличить прокаливаемость. Содержание титана менее 0,002% мало эффективно. При количестве титана свыше 0,006% появляются более крупные карбонитриды, в результате чего действие титана по измельчению зерна становится малоэффективным и, кроме того, снижается пластичность стали в процессе ковки и, соответственно, возрастает склонность стали к трещинообразованию.

Выбранное содержание марганца продиктовано необходимостью повышения прокаливаемости стали и избежания снижения твердости и прочности после закалки. Повышение содержания марганца свыше 0,8% с одной стороны ведет к увеличению прокаливаемости стали, а с другой к понижению твердости за счет увеличения остаточного аустанита, что нежелательно для валков с повышенными требованиями по твердости.

Введение кобальта в количестве 0,01 0,05% при одновременном легировании Cr, V, Nb, Ti, Ta, N элементами, образующими труднорастворимые карбиды и карбонитриды, оказывает положительное влияние на прокаливаемость. Кобальт задерживает рост зерна при нагреве стали под закалку и способствует снижению количества остаточного аустанита в закаленной стали. Максимальное содержание кобальта ограничено по соображениям экономичности.

Введение никеля в сталь в количестве 0,10 0,50% при одновременном легировании хромом, ванадием, ниобием, танталом, титаном, азотом оказывает тоже положительное влияние на прокаливаемость. Содержание никеля ограничено 0,50% т. к. дальнейшее повышение его в стали отрицательно влияет на закаливаемость и устойчивость против отпуска.

Снижен верхний предел содержания углерода в стали, что обеспечивает повышение ее технологичности при кузнечном производстве за счет уменьшения склонности стали к трещинообразованию в процессе ковки.

Увеличено содержание кремния в стали, что повышает сопротивление разупрочнению при отпуске.

Количество кремния в стали ограничено 0,90% т.к. при дальнейшем повышении его содержания заметно снижается технологичность стали в сталеплавильном и кузнечном производствах. В стали с кремнием более 0,90% при отливке крупных кузнечных слитков происходит затягивание разливочного стакана в разливочных устройствах, в результате чего нарушается режим наполнения заложниц металлом и ухудшается качество тела слитка, что приводит к образованию несплошностей трещин в поверхностном слое заготовок в процессе ковки. Кроме того, трещины на заготовках появляются в процессе ковки и вследствие снижения пластичности металла за счет увеличения количества кремния. По этим причинам ковку валков приостанавливают, дефектные участки металла удаляют путем выплавки их горелками или валки отковывают с увеличенными припусками на механообработку, а дефектные участки металла удаляют на обдирочных станках.

Комплексное легирование карбидо/ и нитридообразующими элементами V, Nb, Ta, Ti в принятых количествах позволяет повысить температуру нагрева металла под закалку и за счет этого значительно увеличить прокаливаемость, а также за счет благоприятного распределения карбидов, карбонитридов и мелкого зерна обеспечить повышенный уровень механических свойств. Причем это осуществляется при экономном расходовании легирующих.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленная сталь отличается от известной введением новых компонентов, а именно ниобия, тантала и мышьяка.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "Новизна". По всей совокупности существенных признаков изобретения проводилась проверка соответствия его требованиям изобретательского уровня.

Установлено: имеются стали, содержащие ниобий и тантал. Однако в сочетании с другими компонентами они не обеспечивают стали такие свойства, как в заявленной стали, а именно повышение прокаливаемости и глубину активного закаленного слоя валков, сопротивление разупрочнению при отпуске и износостойкость при высокой технологичности в сталеплавильном и кузнечном производствах. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованиям изобретательского уровня.

Химические составы исследованных плавок предлагаемой и известной сталей приведены в таблице 1.

Выплавка сталей производилась в индукционной печи емкостью 60 кг. Плавки разливались на слитки массой 15 кг и 30 кг.

Слитки проковывали на прутки и разрезали на заготовки для исследования прокаливаемости по методу Немчинского, сопротивления разупрочнению при отпуске, а также для оценки прочности в закаленном состоянии при статическом изгибе.

Результаты приведенных сравнительных испытаний на прокаливаемость и сопротивление разупрочнению при отпуске исследуемых сталей представлены в виде графиков.

На фиг. 1 приведена прокаливаемость сталей: кривая 1 предлагаемая сталь, кривая 2 известная.

На фиг. 2 разупрочнение при отпуске, кривая 1 предлагаемая сталь, кривая 2 известная. Прочностные свойства закаленных на твердость ≥ 60 65 HRC сталей приведены в таблице 2.

Из приведенных данных следует, что глубина закаленной зоны с твердостью ≥ 60 HRC у предлагаемой стали в 1,6 раза больше, чем у известной, твердость поверхностная на одном уровне 63 65 HRC, что дает возможность изготовлять валки с необходимыми требованиями по твердости ≥90 HSД.

Из данных от отпускоупорности (фиг. 2) следует, что у предлагаемой стали сохраняется более высокий уровень твердости при отпуске на 0,5 1,5 ед. выше по сравнению с известной.

Из табл. 2 следует, что прочность закаленных от 950 1000^oC образцов предлагаемой стали при изгибе в 1,3 1,5 раза выше, чем у известной.

Из предложенной стали были изготовлены опытно-промышленные партии рабочих валков диаметром 615 мм. Валки ковали из кузнечных слитков массой по 15,2 т. В процессе ковки слитков из предложенной стали несплошности трещины на поверхности заготовок не возникали.

Все валки откованы с нормальными припусками на механообработку. После закалки токами промышленной частоты от 960 990^oC и отпуска при температуре 130 150^oC твердость закаленной поверхности бочки валков получалась в пределах 93 102 HSД.

Определение глубины активного закаленного слоя осуществлялось методом послойной шлифовки закаленного слоя до 80 HSД.

На фиг. 3 представлена глубина закалки валков, кривая 1 из предлагаемой стали, кривая 2 из известной стали. Глубина активного закаленного слоя составляла 17 23 мм, что в 1,4 1,5 раза больше по сравнению с оговоренной по ОСТ 24.013.20-90 глубиной активного закаленного слоя для данного типа валков (фиг. 3).

Таким образом, применение стали предлагаемого состава позволяет повысить глубину активного закаленного слоя валков, сопротивление разупрочнению при отпуске, износостойкости и в конечном счете их эксплуатационную стойкость, а следовательно, и срок службы.

Ориентировочный объем внедрения предлагаемой стали взамен применяемых валков сталей для рабочих валков составит 6000 т.

Формула изобретения

Сталь для прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, кобальт, никель, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, тантал и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,65 0,85
Кремний 0,45 0,90
Марганец 0,40 0,80
Хром 1,70 2,20
Ванадий 0,12 0,25
Титан 0,002 0,006
Никель 0,10 0,50
Кобальт 0,01 0,05
Азот 0,004 0,014
Мышьяк 0,004 0,02
Ниобий 0,002 0,030
Тантал 0,002 0,010
Железо Остальноел

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5