СТАЛЬ ДЛЯ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
STEEL FOR FORMING ROLLS

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к составом сталей для изготовления рабочих валков многовалковых станов холодной прокатки тончайших полос, лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов.
Известна сталь для холодной обработки металлов следующего химического состава, содержащая, мас.%:
Углерод
Не менее 0,5
Кремний
0,1-1,5
Марганец
0,1-1,5
Хром
4,0-5,5
Вольфрам
Не более 0,5
Ниобий
Не более 2
Сера
Не более 0,3
Железо и примеси
Остальное
(Патент РФ №2437951, МПК C22C 38/02, C22C 38/24, B22F 3/24, 2011)
Известна также сталь для прокатных валков следующего химического состава, мас.%:
Углерод
1,45-1,65
Кремний
0,10-0,40
Марганец
0,15-0,45
Хром
11,0-12,5
Ванадий
0,15-0,30
Молибден
0,40-0,60
Никель
0,20-0,40
РЗМ
0,01-0,03
Сера
Не более 0,03
Фосфор
Не более 0,03
Железо
Остальное
(Патент РФ №2437953, МГЖ С22С38/46, 2011).
Недостаток сталей упомянутых составов состоит в том, что при прокатке тончайших лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов рабочие валки многовалковых прокатных станов из этих сталей имеют низкую эксплуатационную стойкость, что отрицательно сказывается на качестве тончайших полос, лент и фольг.
Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению является сталь следующего химического состава, мас.%:
Углерод
0,85-0,95
Марганец
0,20-0,35
Кремний
0,25-0,45
Хром
1,7-2,1
Молибден
0,20-0,30
Ванадий
0,10-0,20
Никель
0,01-0,30
Азот
0,03-0,04
Железо
Остальное
(Авт. св. СССР №496323, МПК С22С 39/00, 1975).
Недостатки стали данного состава состоят в том, что изготовленные из нее рабочие валки многовалкового прокатного стана при холодной прокатке тончайших полос, лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов имеют низкую эксплуатационную стойкость. Это, в свою очередь, отрицательно сказывается на качестве проката.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стойкости валков и качества проката.
Для решения поставленной технической задачи сталь для прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, хром и ванадий, дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении содержания компонентов, мас.%:
Углерод
2,13-2,29
Кремний
0,20-0,40
Марганец
0,24-0,60
Хром
1,90-2,52
Ванадий
0,09-0,26
Алюминий
0,05-0,10
Кальций
0,04-0,10
Железо
Остальное
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Исследования показали, что при прокатке тончайших полос, лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов на участках контакта рабочих валков с прокатываемым металлом имеет место скольжение металла по рабочим валкам в зонах опережения и отставания очага деформации. В условиях циклически действующих реверсивных касательных механических напряжений это приводит к отрыву частиц металла от поверхности бочек валков, что приводит к разрушению их поверхности, т.е. износу.
Эксперименты показали, что износ рабочих валков может быть уменьшен как за счет увеличения твердости их бочек, так и за счет увеличения усилия отрыва частиц с их поверхности, которое определяется химическим составом стальной бочки. Исходя из этого, химический состав предложенной стали в процессе экспериментов был оптимизирован по критерию достижения максимально возможной твердости (не менее 64 HRC) в закаленном состоянии при одновременном максимальном значении напряжения отрыва частиц металла от бочки рабочего валка скользящей по его поверхности полосой. В результате достигается повышение стойкости валков и качества проката.
Углерод упрочняет сталь, повышает ее твердость. При содержании углерода менее 2,13% не достигается высокая твердость стали в закаленном состоянии, а при его содержании более 2,29% снижается вязкость, возрастает хрупкость, ускоряется разрушение поверхности бочки рабочего валка.
Кремний раскисляет сталь, повышает ее твердость и упругость. При концентрации кремния менее 0,20% твердость стали снижается, а при концентрации более 0,40% уменьшается усилие отрыва частиц металла от валков, т.е. ухудшается их износостойкость.
Марганец раскисляет и упрочняет сталь, связывает примесную серу. При содержании марганца менее 0,24% прочность и твердость стали снижаются, возрастает износ рабочих валков. Увеличение содержания марганца более 0,60% приводит к снижению усилия отрыва частиц закаленной стали при фрикционном скольжении металла, что недопустимо.
Хром повышает твердость и износостойкость стали. При его концентрации менее 1,9% твердость стали в закаленном состоянии снижается. Увеличение содержания хрома более 2,52% приводит к увеличению размеров отрываемых частиц износа, что снижает стойкость рабочих валков и качество прокатываемого металла.
Ванадий способствует повышению пластичности и вязкости закаленной стали, но при его содержании более 0,26% повышается содержание в закаленной стали остаточного аустенита, что снижает ее твердость и износостойкость. Снижение содержания ванадия менее 0,09% приводит к уменьшению напряжения отрыва частиц износа от поверхности рабочего валка при контактном скольжения по ней прокатываемого металла. В результате возрастает износ рабочих валков и снижается качество прокатываемых полос.
Алюминий связывает вредные примеси в стали, очищает границы зерен микроструктуры стали и повышает, тем самым, силы межзеренных связей. Благодаря этому сокращается количество частиц износа при скольжении прокатываемого металла по поверхности рабочего валка, возрастает его износостойкость. При содержании алюминия менее 0,05% в стали сохраняется окисленность и количество несвязанного азота, снижается ее износостойкость. Увеличение его содержания более 0,10% приводит к графитизации стали, падению твердости и износостойкости.
Кальций обеспечивает модифицирование микроструктуры стали. При содержания кальция менее 0,04% его модифицирующее влияние в стали данного состава практически не проявляется. Увеличение содержания кальция более 0,10% ведет к возрастанию количества неметаллических включений, которые ослабляют границы зерен и способствуют фрикционному разрушению поверхности бочки рабочего валка и ухудшению качества прокатываемых лент и фольг.
Стали различного химического состава (табл.) выплавляли в электродуговой печи. В ковше стали раскисляли ферромарганцем, ферросилицием, легировали феррохромом, вводили силикокальций и металлический алюминий.
Полученные слитки подвергали ковке в круглые прутки, из которых механической обработкой производили рабочие валки диаметром 40 мм с для двадцативалкового стана 720. После механической обработки рабочие валки нагревали до температуры 880°C и закаливали в масле. Закаленные валки отпускали при температуре 200°C.
На отшлифованных рабочих валках измеряют твердость бочки, которая составляет 68-69 HRC, после чего их заваливают в клеть одноклетевого реверсивного 20-валкового стана 720 и производят холодную прокатку за 17 проходов горячекатаного термообработанного подката сечением 2,0×500 мм из прецизионного высокопрочного дисперсионно-твердеющего сплава марки ЭП679ВД в полосы толщиной 0,07 мм для изготовления сотовых конструкций плоскостей крылатых ракет. Прокатку ведут до появления на валках следов износа, о чем свидетельствует увеличение шероховатости поверхности и поперечной разнотолщинности холоднокатаных полос, после чего осуществляют перевалку рабочих валков.
В таблице приведены составы исследованных сталей и их эффективность. Из данных, представленных в таблице, следует, что при использовании стали предложенного состава для изготовления рабочих валков стана холодной прокатки (варианты №2-4) достигается их максимальная эксплуатационная стойкость Q=36,2-37,8 тонн холоднокатаной тончайшей ленты из труднодеформируемого сплава при максимальном выходе годного S=99,7-99,8%. В случае запредельных значений содержания химических элементов в стали для рабочих валков (варианты №1 и №4) их эксплуатационная стойкость снижается, ухудшается качество лент и полос, о чем свидетельствует снижение выхода годного S до 75,5-78,2%. Также более низкие стойкость рабочих валков и качество холоднокатаных лент и полос имеет место при использовании для изготовления рабочих валков стали известного состава 6 [3], твердость которых составляет 64 HRC.
Технико-экономические преимущества предложенной стали для рабочих валков стана холодной прокатки состоят в том, что дополнительное введение в ее состав 0,05-0,10% Al и 0,04-0,10% Ca при регламентированной концентрации остальных химических элементов позволяет измельчить микроструктуру закаленной стали, повысить твердость, увеличить прочность границ зерен и напряжение отрыва частиц металла от поверхности бочки при контактном скольжении полосы по рабочему валку в очаге деформации. Благодаря этому достигается повышение стойкости рабочего валка к износу, и, как следствие, качество холоднокатаных тончайших полос, лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов.
В качестве базового объекта принята известная сталь - ближайший аналог. Использование стали предложенного состава для изготовления рабочих валков многовалкового стана позволит повысить рентабельность передела холодной прокатки тончайших полос, лент и фольг из высокопрочных сталей и прецизионных сплавов на 20-27%.