Сплав для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков

 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к химическому составу чугуна, используемого в качестве присадочного материала при электрошлаковой наплавке чугунных прокатных валков, применяемых в широкополосных станах горячей прокатки. Предложен сплав для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, который содержит, мас.%: углерод - 2,4-2,6; кремний - 0,4-0,8; марганец - 0,6-0,8; фосфор - менее 0,08; сера - менее 0,05; хром - 16-19; молибден - 0,8-1,5; никель - 0,5-1,5; титан - 0,03-0,06; медь - 0,8-1,0; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности чугунного прокатного валка и снижение энергозатрат за счет сокращения продолжительности последующей термической обработки.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к химическому составу чугуна, используемого в качестве присадочного материала при электрошлаковой наплавке чугунных прокатных валков, применяемых в широкополосных станах горячей прокатки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату (прототипом), по мнению авторов, является сплав по статье Ф.Мартини и др. "Разработка перспективных двухслойных прокатных валков фирмой "Гонтерманн-Пайперс", журнал "Сталь", 11, 1998 г., стр.40, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 2,5÷3,2, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷1,2, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷20, молибден 0,5÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, железо - остальное.

Недостатком известного технического решения является тот факт, что использование сплава с известным химическим составом в качестве присадочного материала для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, как показал эксперимент, приводит к образованию несплошностей макроструктуры. При этом в структуре возникают повышенные напряжения, снятие которых требует значительных энергозатрат и времени на проведение последующей термообработки. Это связано с тем, что при получении из сплава с известным химическим составом гранул присадочного материала у последних формируются низкая плотность и неравноосная (вытянутая) форма. Это объясняется большой вязкостью сплава известного химического состава в расплавленном состоянии. Вытянутая, волокнистая форма гранул присадочного материала увеличивает их сцепление между собой при подаче в процессе наплавки, что приводит к неравномерному дозированию. В процессе электрошлаковой наплавки проникновение частиц присадочного материала в толщу расплава из-за их низкой плотности происходит неравномерно. В ряде случаев погружение гранул в расплав происходит только после накопления на поверхности шлаковой ванны достаточного их количества. При этом увеличивается длительность расплавления частиц присадочного материала, а поскольку при наплавке общее время цикла расплавление - кристаллизация ограничено, частицы не успевают расплавиться до конца. При погружении конгломерата частиц присадочного материала захватываются шлаковые включения и частично вносятся в наплавляемый слой, где впоследствии кристаллизуются, образуя несплошности макроструктуры, снижающие эксплуатационную надежность чугунного прокатного валка. Кроме того, неравномерное расположение присадочного материала на поверхности шлака приводит к изменению электрических параметров и, как следствие, к нестабильности процесса электрошлаковой наплавки.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение эксплуатационной надежности чугунного прокатного валка, рабочий слой которого получен методом электрошлаковой наплавки, и снижение энергозатрат за счет сокращения продолжительности последующей термообработки. При этом достигается получение такого технического результата, как обеспечение стабильности процесса электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков и снижение их себестоимости путем использования в качестве присадочного материала сплава, свойства которого (плотность, форма) обеспечивают надежное проникновение гранул сплава в шлаковую ванну.

Указанные недостатки исключаются тем, что сплав для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель и железо, дополнительно содержит титан и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит титан и медь при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнительный анализ предлагаемого сплава для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков не только с прототипом, но и с другими техническими решениями не позволил выявить существенные признаки, присущие заявляемому решению. Таким образом, заявляемая совокупность существенных отличий обеспечивает получение вышеуказанного технического результата, что, по мнению авторов, соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Дополнительное введение в чугунный сплав титана способствует, во-первых, повышению его технологической плотности или гидроплотности, что положительно сказывается на коррозионной стойкости как самих гранул сплава, так и полученного при наплавке рабочего слоя прокатного чугунного валка, во-вторых, связыванию свободного углерода в карбиды, что приводит к уменьшению содержания графита, уплотнению строения чугуна, повышению сопротивления истиранию и абразивной износостойкости наплавляемого слоя и, как следствие, к повышению эксплуатационной надежности. Кроме того, благодаря большому сродству к кислороду, азоту и сере титан уменьшает содержание этих вредных примесей и предупреждает образование в наплавляемом слое газовых и усадочных раковин. Диапазон содержания титана 0,03÷0,06% определяется его достаточностью для компенсации суммарного содержания в твердом растворе атомов внедрения О, N, S.

Электрошлаковая наплавка осуществляется на массивный, предварительно подогретый валок, который нельзя быстро охладить от температуры аустенитизации без растрескивания или возникновения нежелательных остаточных напряжений. Дополнительная добавка меди в данном случае позволяет стабилизировать аустенит, подавить его превращение в перлит, что особенно эффективно проявляется в присутствии молибдена. Это позволяет использовать меньшую допустимую скорость охлаждения, для того чтобы гарантировать получение в мартенситно-перлитной структуре наплавленного слоя как можно большей доли мартенситной составляющей. Образующаяся при распаде аустенита перлитная составляющая в присутствии меди имеет более высокую прочность, что связано с измельчением перлита и твердорастворным упрочнением медью его ферритной составляющей. При этом исключается необходимость проведения последующей длительной термообработки наплавленного валка, требующей значительных топливно-энергетических затрат и времени. Вместе с тем медь, являясь элементом-графитизатором, несколько компенсирует отбеливающее действие элементов-карбидообразователей - хрома, ванадия, молибдена и частично гасит возникающие при наплавке структурные напряжения. В результате достигается наилучшее сочетание абразивной стойкости и вязкости наплавленного слоя для использования в условиях сильных повторяющихся ударных нагрузок, которые испытывает поверхность чугунного рабочего валка при горячей прокатке, что способствует повышению его эксплуатационной надежности.

Ограничение верхнего предела содержания марганца величиной не более 0,8% обеспечивает повышение плотности гранул сплава и снижение степени окисленности шлака при наплавке, что способствует повышению стабильности ведения процесса электрошлаковой наплавки и снижению неметаллических включений в наплавленном слое.

Содержание углерода в диапазоне 2,4÷2,6% выбрано с учетом проплавления при электрошлаковой наплавке чугунной основы с большим содержанием углерода и усреднения его общего содержания в наплавленном слое до эвтектического.

В результате реализации изобретения получен сплав состава, мас.%: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное. Изготовленный из данного сплава присадочный материал в виде гранул по сравнению с полученным из сплава с известным составом имеет более высокую насыпную плотность (в 2,5 раза), более равноосную форму частиц (коэффициент вытянутости снизился в 5 раз).

В процессе электрошлаковой наплавки рабочего чугунного валка гранулы присадочного материала равномерно подавались в шлаковую ванну и беспрепятственно проникали вглубь нее. Этим обеспечивалось постоянство основных электрических (наплавочный ток, сопротивление шлаковой ванны, выделяемая мощность) и механических (скорость передвижения кристаллизатора) параметров наплавки, характеризующих стабильность проведения упомянутого процесса. Нахождение же наплавленного валка в печи с целью проведения последующего отпуска по сравнению с известным техническим решением снизилось на 6 ч. Проведенный затем металлографический анализ валка показал, что наплавленный слой имеет однородную макроструктуру без пор, включений шлака и нерасплавившихся гранул присадочного материала, имеющих место в макроструктуре при использовании известного сплава. При этом твердость поверхности наплавленного слоя увеличилась на 10%, а ее изменение по длине бочки валка уменьшилось до ±2% по сравнению с ±5%.

Таким образом, задача, на решение которой направлено техническое решение, выполняется. При этом также достигается получение и упомянутого выше технического результата.

Формула изобретения

Сплав для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, ванадий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан и медь при следующем соотношении компонентов, мас. %: Углерод - 2,4-2,6 Кремний - 0,4-0,8 Марганец - 0,6-0,8 Фосфор - ≤0,08 Сера - ≤0,05 Хром - 16-19 Молибден - 0,8-1,5 Никель - 0,5-1,5
Ванадий - 0,2-0,5
Титан - 0,03-0,06
Медь - 0,8-1,0
Железо - Остальное