инструментальная теплостойкая сталь для прокатных валков

Формула изобретения

1. Инструментальная теплостойкая сталь для прокатных валков, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит никель, титан, теллур, алюминий, и молибден или молибден и вольфрам в сумме при следующем соотношении элементов, мас. %:

Углерод 0,21-0,40

Кремний 0,60-1,50

Марганец 0,20-0,60

Хром 4,00-6,00

Никель 0,20-2,00

Ванадий 0,30-0,60

Титан 0,01-0,50

Теллур 0,001-0,020

Алюминий 0,01-0,50

Молибден или

молибден и вольфрам в сумме 1,00-2,00

Железо Остальное

при этом содержание молибдена в стали составляет не менее 0,40 мас.%, а одна массовая доля молибдена эквивалентна двум массовым долям вольфрама.

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, мас.%:

Кальций До 0,30

Цирконий До 0,35

Церий До 0,35

Бор До 0,015

3. Сталь по любому из п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, мас.%:

Серу, фосфор и медь Не более 0,040 каждого

Свинец, мышьяк и сурьму Не более 0,10 каждого

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к выбору химического состава теплостойкой стали для прокатных валков станов горячей деформации металлов.

Известна сталь марки 45ХНМ следующего химического состава (мас.%): углерод 0,40-0,50; кремний 0,17-0,37; марганец 0,50-0,80; хром 1,30-1,70; никель 1,20-1,60; молибден 0,10-0,30; сера и фосфор не более 0,040 (Марочник сталей и сплавов/Под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989, стр. 438-440).

Сталь 45ХНМ применяется для изготовления прокатных валков, используемых для горячей прокатки металлов. Эта сталь обладает теплостойкостью до 600-650°С, но при этом обеспечивает твердость не более 341НВ. Недостатком указанной стали является повышенный износ валков вследствие низкой твердости.

Известна другая сталь марки 4Х5МФС (принята в качестве прототипа), имеющая следующий химический состав (мас.%): углерод 0,32-0,40; кремний 0,90-1,20; марганец 0,20-0,50; хром 4,50-5,50; ванадий 0,30-0,50; молибден 1,20-1,50; никель не более 0,35; медь не более 0,30; сера и фосфор не более 0,030 (см. там же, стр. 405-406). Эта сталь обладает высокой теплостойкостью (590°С) и при этом имеет значительно более высокую твердость - 47 HRC. Назначение стали 4Х5МФС - для изготовления штампов горячего деформирования и пресс-форм литья металлов под давлением. Однако на практике она применяется и для валков горячей прокатки металлов.

Недостатком стали 4Х5МФС является образование трещин и сетки разгара на рабочей поверхности валков, что приводит к выходу их из строя. Трещины образуются под воздействием высоких знакопеременных циклических нагрузок в условиях вращения, которые испытывают валки в процессе эксплуатации. Сетка разгара образуется вследствие теплового воздействия деформируемого металла.

Целью изобретения является уменьшение склонности стали к образованию трещин и сетки разгара.

Указанная цель достигается тем, что в сталь дополнительно введены никель, титан, теллур и алюминий, а компоненты выбраны в следующем соотношении (мас.%): углерод 0,21-0,40; кремний 0,60-1,50; марганец 0,20-0,60; хром 4,00-6,00; никель 0,20-2,00; молибден или молибден и вольфрам в сумме 1,00-2,00; ванадий 0,30-0,60; титан 0,01-0,50; теллур 0,001-0,020; алюминий 0,01-0,50; железо - остальное, при этом содержание молибдена в стали составляет не менее 0,40 мас.%, а одна массовая доля молибдена эквивалентна двум массовым долям вольфрама.

Кроме того, сталь может содержать остаточные элементы: сера, фосфор и медь не более 0,040% каждого; свинец, мышьяк и сурьма не более 0,10% каждого. В качестве технологической добавки при выплавке предлагаемой стали в жидкий металл могут присаживаться (мас.%): кальций до 0,30; цирконий и церий до 0,35; бор до 0,015.

В предлагаемой стали содержание углерода установлено равным 0,21-0,40%. При содержании углерода ближе к нижнему пределу - 0,21-0,30% сталь имеет пониженную трещиночувствительность, что позволяет применять ее для изготовления валков, испытывающих большие (предельные) нагрузки. Содержание углерода ближе к верхнему пределу 0,31-0,40% обеспечивает повышенную прокаливаемость и позволяет применять сталь для валков большого диаметра и для валков с большой глубиной переточки калибров, но испытывающих малые и средние нагрузки.

Предлагаемая сталь дополнительно содержит никель в количестве 0,20-2,00%. При содержании углерода 0,21-0,30% для обеспечения требуемой прокаливаемости вводится, примерно, 0,60-2,00% никеля. В этом случае сталь может применяться для валков большого диаметра и валков с большой глубиной переточки калибров. Если сталь используется с содержанием углерода 0,31-0,40%, то содержание никеля достаточно в количестве, примерно, 0,20-0,59%.

В целях повышения прокаливаемости при содержании углерода ближе к нижнему пределу верхнее содержание кремния увеличено до 1,50%. При содержании углерода, близком к верхнему пределу, для исключения охрупчивания стали содержание кремния снижено до 0,60%. Исходя из этого в предлагаемой стали содержание кремния установлено в пределах 0,60-1,50%.

Малорастворимые карбиды титана, при его содержании 0,01% и более, заметно измельчают зерно. Кроме того, с увеличением содержания титана до 0,10% и более карбиды титана повышают износостойкость стали. Однако в связи с тем, что образование карбидов титана уменьшает количество свободного углерода, при содержании титана более 0,50% происходит значительное понижение прокаливаемости стали. Исходя из этого в предлагаемую сталь титан введен в пределах 0,01-0,50%.

Остаточная сера в деформированной стали частично находится в виде сильно вытянутых сульфидов марганца и железа, а частично располагается в виде тонких плен этих соединений по границам зерен. При нагреве сера окисляется до соединения SO₃ , которое вызывает межзеренную коррозию и усиливает образование сетки разгара на рабочей поверхности валков. Теллур и сера в стали образует неограниченный раствор сульфоселенидов марганца и железа, которые коагулируются в гранулы и тем самым очищают границы зерен от серы. За счет этого образующееся соединение SO₃ контактирует с меньшим количеством границ, что резко уменьшает межзеренную коррозию и образование сетки разгара. Оптимально этот процесс происходит при соотношении селена к сере примерно 1:(3-10). На основании этого и исходя из фактического содержания серы в стали примерно от 0,010% до 0,040% пределы содержания теллура в предлагаемой стали выбраны равными 0,001-0,020%.

Определенная часть алюминия, введенного в сталь, находится по границам зерен. Так как алюминий имеет значительно большее сродство к кислороду, чем сера, то он предотвращает образование соединения SO₃. Это также способствует уменьшению сетки разгара. При большем содержании серы требуется введение большего количества алюминия и наоборот. Надежное влияние алюминия на уменьшение сетки разгара достигается при его содержании в пределах 0,01-0,50% и определяется фактическим содержанием остаточной серы в интервале 0,010-0,040%.

В предлагаемой стали для валков, испытывающих в комплексе особенно большие удельные нагрузки, износ и тепловое воздействие, молибден увеличен до 2,00%, при этом молибден сверх 0,40% может быть заменен вольфрамом из расчета: одна массовая доля молибдена эквивалента двум массовым долям вольфрама. Соотношение молибдена к вольфраму как 1:2 обусловлено примерно аналогичным соотношением их атомных весов (95,94: 183,85). Для обеспечения устойчивости против отпуска молибден до 0,40% на вольфрам не заменяется.

Таким образом, выбранный состав предлагаемой стали позволяет решить поставленную задачу: уменьшить образование трещин и сетки разгара на прокатных валках в широком диапазоне режимов их эксплуатации.

Наименование марки предлагаемой стали 25Х5НМФС.

В настоящее время ведется подготовка производства по изготовлению из предлагаемой стали валков для прокатки стальных труб. Параметры валков следующие: диаметр бочки - 935 мм, высота бочки 590 мм, масса валка - 3100 кг, нагрузка на валок - до 1000 тонн, радиус калибра - 220 мм, количество переточек калибра - до 10 (практически на всю глубину бочки), температура прокатываемого металла 1000-1150°С.

Исходя из этих параметров выбран следующий химический состав стали для изготовления валков (мас.%): углерод 0,23-0,31; кремний 0,90-1,50; марганец 0,20-0,60; хром 4,70-5,50; никель 0,40-1,00; молибден 1,00-2,00; ванадий 0,30-0,60; титан 0,02-0,08; теллур 0,002-0,006; алюминий 0,01-0,05; сера, фосфор, медь - до 0,040. В стали предусматривается замена 0,50-0,80% молибдена на 1,00-1,60% вольфрама.

Выплавка стали производится в основной дуговой печи емкостью 20 тонн. Масса отливаемых слитков - 10 тонн. Режим ковки - двукратная осадка и двукратная вытяжка, степень укова - не менее 2,5. Термическая обработка - закалка и двукратный отпуск на твердость 42-47 HRC.