Сталь для изготовления кованых прокатных валков
Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сталям, используемым для изготовления кованых прокатных валков для горячей прокатки металла, например, профилей и труб. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод (С) 1,2-1,4, кремний (Si) 0,2-0,5, марганец (Mn) 0,5-0,8, хром (Cr) 1,4-1,7, никель (Ni) 0,6-0,9, молибден (Mo) 0,1-0,3, ванадий (V) и ниобий (Nb), исходя из выражения: V+Nb=C/12, железо остальное. Среднее содержание ванадия в 2-2,5 раза больше, чем содержание ниобия. Изготавливаемые кованые прокатные валки имеют высокую прочность и износостойкость за счет образования оптимального количества карбидов и создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению эксплуатационных свойств валков. 1 табл.
Реферат
Изобретение относится к металлургии, в частности к инструментальным сталям, используемым для изготовления кованых прокатных валков для горячей прокатки металла, например профилей и труб.
Известна сталь 150ХНМ (ГОСТ 10207-70 и ГОСТ 9487-83), используемая в основном для изготовления литых прокатных валков, имеющая химический состав, мас.%:
углерод | 1,4…1,6 |
кремний | 0,25…0,5 |
марганец | 0,5…0,8 |
хром | 0,9…1,25 |
никель | 0,8…1,25 |
молибден | 0,1…0,3 |
железо | остальное |
Недостатком этой стали является пониженная пластичность при температурах горячей обработки давлением вследствие высокого содержания углерода, что затрудняет ее ковку. Кроме того, эта сталь вследствие невысокого содержания карбидообразующих элементов (хрома и молибдена) имеет в структуре незначительное количество карбидов, не превышающее 4%, что приводит к интенсивному износу и к выкрашиванию отдельных участков валка, а в итоге к преждевременному выходу его из строя в процессе эксплуатации (пат. РФ 2138577, опубл. 27.09.1999).
Недостатком использования стали 150ХНМ для изготовления валков является также ее сложный и длительный режим термической обработки, состоящий из предварительного тройного отжига и окончательной термической обработки по режиму двойной нормализации с высоким отпуском.
Известна также сталь подобного состава (патент Японии 2-8011, опубл. 22.02.1990) с повышенным содержанием кремния и марганца (до 1,5%), однако это приводит к удорожанию стали, хотя и повышает ее твердость за счет большего содержания карбидов марганца.
В качестве прототипа принята сталь (а.с. СССР 1076485, БИ №8, 1984), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий, железо (остальное) в следующих концентрациях, мас.%:
углерод | 1,0…1,25 |
кремний | 0,2…0,5 |
марганец | 0,4…0,85 |
хром | 1,4…1,7 |
ванадий | 0,1…0,25 |
ниобий | 0,025…0,05 |
Достоинством прототипа по сравнению с аналогами является более низкое содержание углерода, что повышает его ковкость, а также наличие в составе ванадия и ниобия, которые способствуют измельчению зерна и повышению пластичности стали в процессе ковки. Повышенное содержание хрома (1,4…1,7%) обусловливает увеличение содержания карбидов в структуре стали и повышение ее износостойкости.
Недостатки прототипа заключаются в том, что он имеет низкую прокаливаемость в процессе термической обработки вследствие отсутствия в составе никеля и молибдена, а также содержание ниобия и ванадия не связано с содержанием углерода, так как ниобий и ванадий являются сильными карбидообразующими элементами и могут вызвать избыточное образование карбидов при термообработке и хрупкость стали.
Техническая задача предлагаемого изобретения - получение кованых прокатных валков высокой прочности и износостойкости за счет образования оптимального количества карбидов и создания мелкозернистой структуры.
Указанная задача решается тем, что сталь для изготовления кованых прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий, железо, дополнительно содержит никель и молибден при следующей концентрации элементов, мас.%:
углерод | 1,2…1,4 |
кремний | 0,2…0,5 |
марганец | 0,5…0,8 |
хром | 1,4…1,7 |
никель | 0,6…0,9 |
молибден | 0,1…0,3 |
железо | остальное |
а суммарное среднее содержание ванадия и ниобия определяют по формуле (V+Nb)=C/12, где V, Nb и C - соответственно среднее содержание ванадия, ниобия и углерода в %, при этом среднее содержание ванадия в 2-2,5 раза больше, чем ниобия.
Сущность изобретения заключается в том, что установлены рациональные соотношения между содержанием карбидообразующих элементов ванадия и ниобия, сдерживающими рост зерна, и содержанием углерода, который также образует карбиды хрома и молибдена, для получения мелкозернистой и достаточно твердой износостойкой структуры стали и повышения эксплуатационных свойств валков.
Рациональное содержание легирующих элементов определили следующим образом. В лабораторных условиях провели 3 опытных плавки стали с химическим составом согласно таблице. После отливки слитков и вырезки образцов испытали механические свойства стали для оценки ее пригодности к ковке по пластичности, которая оценивалось по относительному удлинению образцов.
Химический состав опытных плавок (%) и механические свойства стали | |||||||||||
№ | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Nb | V | σв, мПа | δ, % | НВ, мПа |
1 | 1,22 | 0,47 | 0,59 | 1,52 | 0,76 | 0,22 | 0,047 | 0,098 | 834 | 19,4 | 246 |
2 | 1,37 | 0,35 | 0,65 | 1,63 | 0,83 | 0,26 | 0,035 | 0,080 | 873 | 23,0 | 236 |
3 | 1,32 | 0,35 | 0,72 | 1,44 | 0,72 | 0,30 | 0,029 | 0,052 | 862 | 20,1 | 248 |
Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: σв - временное сопротивление; δ - относительное удлинение; НВ - твердость по Бринеллю. |
Из таблицы видно, что максимальную пластичность имеет сталь плавки №2 (δ=23%) с соотношением содержания C/(V+Nb)=1,377(0,080+0,035)=11,92≈12. В остальных плавках эти соотношения равны:
Плавка №1: C/(V+Nb)=1,227(0,098+0,047)=8,4.
Плавка №3: C/(V+Nb)=1,327(0,052+0,029)=16,3.
Соотношение содержаний V/Nb=2…2,5 выбрано из соображений, во-первых, большей дефицитности и стоимости ниобия (его содержание в земной коре 10-4% против 0,005% содержания ванадия). Во-вторых, ниобий - более тугоплавкий металл (температура его плавления 2460°C), чем ванадий (1919°C), поэтому ниобий образует более твердые и тяжелые карбиды, которые трудно деформируются при ковке, следовательно, их должно быть меньше, чем карбидов ванадия. Также данные таблицы показывают, что во всех случаях соотношение концентраций V/Nb находилось в диапазоне 2…2,5, что обеспечивает повышение пластических свойств без потери прочностных свойств и твердости.
В качестве примера определим химический состав предлагаемой стали. По предложенной формуле рассчитаем суммарное содержание ванадия и ниобия для максимального и минимального содержания углерода (1,2…1,4%):
(V+Nb)макс=Cмакс/12=1,4/12=0,12%;
(V+Nb)мин=Cмин/12=1,2/12=0,10%.
Содержание ванадия (V) установим в 2 раза больше, чем ниобия (Nb).
Определим содержание ниобия. По условию содержание ванадия V=2Nb, тогда их суммарное содержание (V+Nb)=3Nb, и Nb=(V+Nb)/3.
Определим максимальное и минимальное содержание ниобия:
Nbмакс=0,12/3=0,04; Nbмин=0,10/3=0,033%.
Содержание ванадия в 2 раза больше:
Vмакс=0,08; Vмин=0,067%.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение кованых прокатных валков высокой прочности и износостойкости за счет наличия в структуре достаточно высокого содержания карбидов и создания мелкозернистой структуры, что достигается рациональным соотношением легирующих элементов.
Сталь для изготовления кованых прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, ниобий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель и молибден при следующем содержании элементов, мас.%:
углерод | 1,2-1,4 |
кремний | 0,2-0,5 |
марганец | 0,5-0,8 |
хром | 1,4-1,7 |
никель | 0,6-0,9 |
молибден | 0,1-0,3 |
железо | остальное |