RU1775196C - Трехслойный прокатный валок - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к металлургии,хром15-23 в частности к изысканию материалов дл марганец0,5-1,5 валков листовых станов холодной прокаткимолибден2,0-3,5 характеризующихс  равномерным износомванадий3,5-5,0 по глубине рабочего сло  при достаточнофосфор0,08 высоком комплексе механических и эксплу-сера0,06 атационных свойств, предназначенных дл железоостальное, использовани  при изготовлении массивных изделий, работающих в услови х интенсивного истирани ,углерод1,0-2,5 Известен валок с повышенной твер-кремний0,5-1,5 достью из высокохромистого чугуна, хи-марганец0,5-1,5 мического состава внешнего сло , мас.%:никель -не более 1.5 HS 85молибден 0,5 углерод 2,5-3,2фосфор 0,1 кремний 0,5-1,5сера 0,1 никель 1,0-2,0железоостальное,

промежуточный слой имеет следующ состав, мас.%:

VJ

V4

СЛ

Ю

О

хром15-23 марганец0,5-1,5 молибден2,0-3,5 ванадий3,5-5,0 фосфор0,08 сера0,06 железоостальное, углерод1,0-2,5 кремний0,5-1,5 марганец0,5-1,5 никель -не более 1.5 молибден 0,5 фосфор 0,1 сера 0,1 железоостальное,

промежуточный слой имеет следующий химсостав , мас.%:

внутренний слой образован ковким чугуном следующего химсостава, мас.%: углерод3,0-3,8

кремний1,8-3,0

марганец0,3-1,0

никель 2,0

хром 1,0

молибден 1,0

фосфор 0,1

магний0,02-0,1

сера 0,02

железоостальное.

Недостатком известных материалов дл  изготовлени  трехслойного валка  вл етс  затрудненна  механическа  обработка , привод ща  к его растрескиванию вследствие большого количества карбидов хрома, молибдена и ванади , что приводит к резкому сокращению срока службы валков . Кроме того, данный валок содержит.де- фицитные и дорогосто щие элементы, такие как никель, молибден, ванадий.

Известен центробежнолитой многослойный валок наружна  оболочка которого химического состава, мас.%: углерод2,5-3,2

кремний0,5-1,5

марганец0,5-1,5

никель1,0-3,0

хром10-23

молибден0,5-3,0

фосфор 0,08

сера 0,06

бор0,001-1,0

железоостальное

промежуточный слой состава, мас.%: углерод1,0-2,5

кремний0,5-1,5

марганец0,5-1,5

никель 1,5

хром5,0-10,0

молибденЦ 0,5

титан 0,1

фосфор 0,1

сера 0,1

железоостальное

состав сплава сердцевины, мас.%: углерод3,0-3,8

кремний1,8-3,0

марганец0,3-1,0

никель2,0

хром1,0

молибден1,0

магний0,02-0,1

фосфор0,1

сера0,02

железоостальное.

Данный валок практически невозможно использовать на листовых станах холодной

прокатки, так как при содержании хрома 10-14% преобладает карбидна  фаза (цементит ) в виде грубых пластин, расположенных по всему сечению, охрупчивающих

валок. При высоком содержании хрома образуетс  при данном химсоставе большое количество карбидообразующих элементов, привод щих к растрескиванию поверхности валка, а, следовательно, и к сокращению его

0 срока службы.

Наиболее близким по технической сущности к за вл емому  вл етс  выбранный в качестве прототипа рабочий валок из высокохромистого чугуна, рабочий слой которого

5 химического состава, мас.%:

0

5

0

5

0

углерод

кремний

марганец

фосфор

сера

никель

хром

молибден

ниобий

ванадий

железо

2,0-3,2 0,5-1,Е

0,5-1,5

0,8

0,06

1,0-2,0

10-25

0,5-1,5

1.0

1,0 остальное

сердечника с шейками со следующим химсоставом , мас.%:

углерод

кремний

марганец

фосфор

сера

никель

хром

молибден

магний

железо

и промежуточного мас.%:

углерод

кремний

марганец

никель

хром

молибден

железо

3,0-3,8 2,3-3,0 0,3-1,0 0,1 0,02 2,0 1,5 1,0 0,02-0,1 остальное сло  с химсоставом,

1,0-2,5 0,5-1.5 0,5-1,5

1,5 5 хром 5,0-10,0

1,0 остальное

Недостатком предлагаемого состава дл  рабочего сло  валков  вл етс  низка 

0 твердость пор дка 70-80 HSD, в то врем , как дл  валков холодной прокатки уровень твердости должен быть в пределах 90-95 HSD. При этом отливка материала с содержанием карбидообразующих элементов на

5 верхнем пределе, обеспечив твердость только 80 HSD, приводит к сокращению срока службы валков из-за поверхностного растрескивани .

Целью изобретени   вл етс  обеспечение равномерного износа по глубине рабечего сло , повышени  термостойкости и срока службы вэлков.

Дл  достижени  указанной цели в чугун рабочего сло  дополнительно введена медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,8-3,2

кремний1,5-2,5

марганец0,5-1,0

хром14,0-10,0

медь1,5-2,0

ванадий0,3-0,5

железоостальное

сердцевина содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,6-3,5

кремний1,0-2,0

марганец0,2-0,4

хром0,7-1,3

магний0,05-0,08

железоостальное,

промежуточный слой содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,5-3,0

кремний0,8-1,6

марганец0,4-0,9

хром1,0-1,5

железоостальное.

Предложенный чугун дл  рабочего сло  валков характеризуетс  высокой стойкостью к растрескиванию поверхности бочки, равномерным износом, что обеспечивает повышение срока службы изделий.

По имеющимс  у за вител  данным в известных решени х отсутствуют признаки, сходныес признаками, которые отличают от прототипа за вл емое решение, что позвол ет сделать вывод о его соответствии критерию существенные отличи .

Выбранные пределы содержани  химических элементов в предложенном чугуне обеспечены следующими аргументами.

Дополнительно введенна  в чугун дл  рабочего сло  валков медь в количестве 1,5- 2,0% в сочетании с высоким содержанием кремни  в количестве 1,5-2,5% позволили значительно улучшить эксплуатационные свойства материала, повысить его трещино- стойкость при литье и термообработке, а, следовательно, и увеличить срок службы валков.

Высока  износостойкость предлагаемого материала достигаетс  за счет получени  структуры эвтектического состава. состо щей из дисперсных карбидов типа МеуСз и мартенситной матрицы. В то же врем  наличие включений шаровидного графита за счет кремни  и меди, суммарное содержание которых составного пт 3,0 до

4,5% обеспечивает значительное повышение термостойкости при сохранении равномерного износа по всей глубине рабочего сло .

5Введение меди в количестве 1,5-2,0%

обусловлено ограниченной растворимостью меди в железе. Содержанием меди менее 1,5% не достигаетс  эффект повышени  трещиностойкости из-за наличи  большого 10 количества карбидов в чугуне. При содержании меди свыше 2,0% происходит интенсивной торможение перлитного превращени , что приводит к увеличению количества остаточного аустенита и понижению термостой- 15 кости материала.

Кроме того, медь в предлагаемый чугун вводили в качестве заменител  никел , поскольку ее вли ние аналогично вли нию никел  на комплекс свойств материала, а 0 себестоимость значительно ниже.

При содержании кремни  до 1,5% повышаетс  количество остаточного аустенита при затвердевании чугуна, что ухудшает термостойкость материала. Увеличение со- 5 держани  кремни  свыше 2,5% из-за значительной графитизации вызывает снижение механических и служебных свойств.

Содержание кремни  в интервале 1,5- 2,5% способствует графитизации, что повы- 0 шает термостойкость материала.

При данном химсоставе следует рассматривать только совместное вли ние меди и кремни , при введении которых обеспечиваетс  процесс графитизации, в 5 результате чего получаем материал с высокой термостойкостью и трещиностойкостью при литье и термообработке.

Введение ванади  в количестве 0,3- 0,5% необходимо длт упрочнени  металли-, 0 ческой матрицы и измельчени  карбидной фазы, Кроме того, ванадий приводит к росту доли сфероидизированной мелкозернистой матрицы, что также способствует повышению термостойкости материала. Атомы ва- 5 нади  в равной степени замещают атомы хрома и железа в карбиде МуСз. в отличие от молибдена и титана, которые замещают, главным образом, атомы хрома,

При содержании ванади  0,3% в 0 структуре чугуна сохран етс  дендритное строение, что резко ухудшает его механические и специальные служебные свойства.

При содержании ванади  свыше 0,5% в чугуне образуютс  самосто тельные карби- 5 ды типа VC и УгС, что приводит к снижению содержани  углерода в матрице сплава и стабилизации аустенита за счет повышенного содержани  хрома в матрице, что, в свою очередь, приведет к снижению стойкости к трещинообразованию

При этом, такие элементы, как хром и марганец, понижающие активность углерода и увеличивающие растворимость ванади  в расплаве и аустените, способствуют образованию пересыщенного аустенита и его распаду при медленном охлаждении или в процессе термообработки при отпуске чугуна с эффектом дисперсионного упрочнени . Таким образом, использование хрома и марганца в сочетании с ванадием повышает срок службы отливок.

Введение хрома в количестве 14-16% и углерода в количестве 2,8-3,2% определ етс , прежде всего, необходимостью получени  эвтектической структуры.

При повышении хрома в чугуне менее 14% в структуре преобладают не спецкарбиды хрома, а карбидна  фаза представлена , преимущественно, цементитом, что резко снижает трещиностойкость из-за.наличи  глубокой цементитной сетки по границам зерен, Повышение содержани  хрома в чугуне свыше 16% увеличивает содержание карбидной фазы и твердость материала , что также повышает склонность материала к образованию трещин и снижает срок службы валков.

Уменьшение содержани  углерода менее 2,8% приводит к снижению количества карбидной фазы, а, следовательно, и к ухудшению служебных свойств валков. Повышение содержани  углерода выше 3,2% приводит к снижению содержани  углерода в аустените и к увеличению количества грубой карбидной фазы (К 12,33(% С) + 0,55 +(% Сг) -15,2), что, в свою очередь, ухудшает термостойкость материала, привод  к преждевременному выходу валков из стро .

Таким образом, наличие перлитной матрицы с равномерно распределенными спецкарбидами хрома типа {Cr, Fe) Сз эвтектического состава и включени м и шаровидного графита приводит к получению в термообработанном состо нии дисперсной мартенситной матрицы, включений шаровидного графита и дисперсных спецкарбидов , что обеспечивает равномерный износ по глубине рабочего сло , высокую термостойкость и трещи нестойкость при литье и термообработке, что, в свою очередь, повышает срок службы валков.

Дл  обеспечени  указанных свойств состав чугуна должен быть стабилизирован таким образом, чтобы отношение суммарного произведени  грайитообразующих и карбидообразующих элементов рабочего сло  на соответствующие коэффициенты к суммарному произведению графитообразу- ющих и карбидообразующих элементов сердцевины на соответствующие коэффициенты удовлетвор ют уравнению:

2 ( Кх % эл р. ел ) 2 ( Кх % эл. сердц. )

E(Kl%C+ 3%Sr-fK3%Mn-fK4%Cf+К Си% + К«%У)

2( Ki % С + Kj % SI + Кэ % Мл + Кч % Сг + Kl % Мд )

где Ki 1,0; К2 2,2; Кз 0,5; К4 0,25; КБ

2,0; Кб 0,4; К 3,0.

Коэффициенты, приведенные в уравнении , определены экспериментально. Основное требование к предложенному чугуну - получение мелкозернистой структуры с равномерно распределенными включени ми шаровидного графита и карбидов с целью обеспечени  повышени  срока службы валков за счет равномерного износа и высокой трещиностойкости.

При 2(Ф+кар6)%элр.сл К 2 Q

2 (гр-I-карб ) % эл. сердц. К из-за недостаточного количества карбидообразующих элементов не обеспечиваетс 

равномерный износ и формирование промежуточного сло  необходимого cocfaea, сокращаетс  срок службы валков.

30

При 2 (ф + карб)%элр. ел К 2 g 2(гр+ карб) % эл. сердц. К

формируютс  большое количество карбидной фазы в переходной зоне при мартенситной основе, что ухудшает термостойкость, а,

следовательно, и сокращаетс  срок службы валков. Изготавливают валок следующим образом: сначала заливают расплавленный металл во вращающуюс  изложницу на установке дл  центробежного лить  и формируют наружный слой, затем, не ожида  затвердевани  внутренней поверхности наружного сло , заливают металл дл  промежуточного сло . После этого, производ т заливку сердцевины валка. Промежуточный

слой валка необходим дл  предотвращени  смешивани  наружного сло  с сердцевиной и получени  сердцевины чистой по содержанию хрома.

Так как прокатные валки работают в услови х термоциклического воздействи  и склонны к хрупкому разрушению, оценку стойкости материалов к выкрашиванию производили на основе изучени  структуры на поверхности трени  после испытани  на

износ, склонности материала к трещинооб- разованию при термоциклическом воздействии .

Дл  определени  комплекса свойств чугуна , включающего механические и эксплуатационные характеристики, были отлиты 4 сплава с граничными и оптимальными соотношени ми всех ингредиентов. Дл  обеспечени  сопоставительного анализа были отлиты 4 сплава с отклонени ми от граничных значений ингредиентов и 4 сплава с граничными и оптимальными соотношени ми ингредиен-а по прототипу (табл. 1).

Сплавы были приготовлены путем выплавки в 200 кг индукционной печи. В качестве шихтовых материалов использовали: стальной лом, FeSi (75%), медь гидролизную , FeCr (72%), FeMn (45%), FeV (46%). Валки отливали на центробежной горизонтальной машине 522-2

Из полученных сплавов были изготовлены образцы, которые испытывали на твердость , прочность при изгибе, прочность на сжатие, термическую стойкость, трещино- стойкость при литье и термообработке, определ ли равномерность износа по глубине рабочего сло .

Механические свойства определ ли по обычным известным методикам. Испытывали не менее 5 образцов на каждую опреде- л емую характеристику. Твердость измер ли по радиусу поперечного селени  отливки.

Испытани  на термическую стойкость производили термоциклированием образцов с нагревом до 600°С и с последующим охлаждением водой до температуры 20°С до по влени  первых трещин, что отражает услови  нагрева и охлаждени  валков в процессе их эксплуатации.

Были проведены исследовани  по вли нию легирующих элементов на трещино- стойкость сплавов. Пробы отливали в виде квадратной решетки и оценивали размер трещин в местах перехода.

Как показали данные проведенных испытаний , полученные сплавы (1-4) характеризовались следующим уровнем свойств: предел прочности при изгибе 700-710 Н/мм2, предел прочности на сжатие 2260- 2290 Н/мм2, термостойкость 1850-2100 циклов до разрушени , твердость 88-94 HSD, трещиностойкость - 3,0-4,3 мм (табл.2).

При выходе за граничные значени  ингредиентов и соотношений карбидообразую- щих и графитообразующих элементов наружного сло  и сердцевины показатели уровн  механических и эксплуатационных свойств ниже.

На основании приведенных данных можно сделать вывод о том, что за вл емый чугун (варианты 1-4) по сравнению с прототипом (варианты 9-11) обеспечит повышение прочности при изгибе в 1,3 раза предела прочности на сжатие в 1,14 раз , термостойкости

в 1.3 раза, твердости в 1,2 раза, трещино- стойкости при литье и термообработке в 1,6 раза.

Проверку эффективности за вл емого 5 материала, в частности, равномерности износа по глубине рабочего сло  дл  валков проводили в опытно-промышленных услови х . Дл  испытаний были отлиты валки, состав которых соответствовал предложен0 ным валкам и по прототипу.

Испытани  проводили в услови х, приближенных к серийному производству проката по удельному давлению на валке, скорости, температуре прокатки, сортамен5 ту, режиму охлаждени  валков. Проверке подвергали опытные валки, занимающие одинаковое положение в клетки и одинаковую наработку на завалку. Глубина наружного сло  на опытных валках составила 10

0 мм, что равнозначно глубине рабочего сло . После сн ти  из клети валки охлаждали на воздухе. Перешлифовку всех валков производили на посто нном режиме. Температура окружающей среды была по5 ложительной. Съем рассчитывали с учетом величины износа бочки.

Степень равномерности износа по сечению рабочего сло  валка определ ли с помощью среднеквадратичного отклонени  по

0 формуле:

On

- - rtzxF-l x,)2

Результаты испытаний по вариантам 1-3 и 7-8 представлены в табл. 3. Приведенные в таблицах результаты подтверждаютс  актом испытаний.

Лучшие результаты получены на валках

предложенного состава по варианту N° 2, где степень равномерности износа выше по сравнению с базовым вариантом Ms 9 (прототипом ) в 7,3 раза и при более равномерном съеме при перешлифовках (в 5 раз) при

28 установках за счет получени  оптимальной структуры эвтектического состава и шаровидного графита в количестве 10-14%.

При предложенном химическом составе чугуна по вариантам 1 и 3 по сравнению с

прототипом степень равномерности износа и съема при перешлифовке выше в 5 раз при 29 и 32 установках соответственно. При таких составах обеспечиваетс  эвтектическа  структура чугунов, однако содержание шаоовидного графита несколько ниже -до 7%. При выходе за граничные значени  ингредиентов (варианты 7, 8) степень равномерности износа по сравнению с прототипом выше всего лишь в 1,5-1,8 раза, равномерность съема при перешлифовках - в 1,3 раза при 21-25 установках.

Таким образом, согласно данным проведенных испытаний за вл емое изобретение по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

а)степень равномерности износа повышаетс  в 5,0-7,3 раза;

б)количество установок возрастает в 1,2 раза;

в)прочность при изгибе выше в 1,3 раза;

г)предел прочности на сжатие - в 1,14 раза;

д)трещиностойкость - в 1,6 раза;

е)термостойкость - в 1,3 раза;

ж)твердость - в 1,2 раза;

з)срок службы - в 1,3 раза. За вл емый трехслойный прокатный

валок представл ет значительный интерес дл  народного хоз йства; так как позвол ет повысить ритмичность и производительность прокатных станов, сократить расход валков, обеспечить выход годного металла более высоких сортов, снизить трудоемкость изготовлени  валков и сократить расход топливно-энергетических ресурсов.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Трехслойный прокатный валок, включающий рабочий слой, выполненный из легированного чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, ванадий и железо , сердцевину с шейками, выполненную из чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, магний и железо, и промежуточный слой, выполненный из чугуна, содержащего углерод, хром, кремний, марганец и железо, отличающийс  тем, что, с целью обеспечени  равномерного износа по глубине рабочего сло , повышени  термостойкости, трещиностойкости и срока службы валков, материал рабочего сло  дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

   углерод2,8-3,2

   кремний1,5-2,5

   марганец0,5-1,0

   хром14,0-16,0

   медь1,5-2,0

   ванадий0,3-0,5

   железо -остальное,

   материал сердцевины содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

   углерод 2,6-3,5

   кремний1,0-2,0

   марганец0.2-0,4

   хром0,7-1,3

   магний0,05-0,08

   железо -остальное,

   а материал промежуточного сло  содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

   углерод2,5-3,0

   кремний0,8-1,6

   марганец0,4-0,9

   хром1,0-1,5

   железо -остальное,

   причем отношение суммарного произведени  графитообрэзующих и карбидообразу- ющих элементов рабочего сло  на соответствующие коэффициенты к суммарному произведению графитообразующих и карбидообразующих элементов сердцевины на соответствующие коэффициенты составл ет

   2(К|%С + Кг%ЗИ-Кз%Мп+К4%Сг + КзСи%-И( 2(К1%С+Кг%81 + Кз%Мп+К4%Сг + )

   «2,0...г,5

   где Ki 1,0; К2 2,2; Кз 0,5; К 0,25; КБ 2,0; Кб 0,4; К 3,0.

   С, SI, Мп, Сг, Си, V, Мд - соответственно содержание указанных элементов в материале , мас.%.

   Таблица 2

   СП