СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОВАНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
STEEL FOR MANUFACTURE OF FORGED FORMING ROLLS

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
σ<sub>в</sub>, 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: σ<sub>в</sub> - 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.
-4
Соотношение содержаний V/Nb=2…2,5 выбрано из соображений, во-первых, большей дефицитности и стоимости ниобия (его содержание в земной коре 10% 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%):
макс
макс
(V+Nb)=C/12=1,4/12=0,12%;
мин
мин
(V+Nb)=C/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:
макс
мин
Nb=0,12/3=0,04; Nb=0,10/3=0,033%.
Содержание ванадия в 2 раза больше:
макс
мин
V=0,08; V=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.