Двухслойный прокатный валок Советский патент 1992 года по МПК B21B27/02 C22C37/00 

1

(21)4909997/27 (22)11.02.91 (46)15.12.92. Бюл.Мг46

(71)Украинский научно-исследовательский институт металлов

(72)Е.Н.Вишнякова, В.К.Парфенюк, В.В.Коробейник, В.П.Приходько, Н.А.Крупа, В.А.Рямов., В.И.Комляков и С.П.Павлов (56) Заявка Японии № 59-225806,

кл. В 21 В 27/02, 1984.

Авторское свидетельство ЧССР № 218329, кл. В 21 В 7/00, 1985.

Патент США ISfc 3997370, кл. 148-12R, 1976.

(54) ДВУХСЛОЙНЫЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК (57) Использование: прокатные валки станов холодной прокатки. Сущность изобретения: наружный рабочий слой прокатного валка выполнен из легированного чугуна состава, мас.%: С 3,0-3,3; Si 1,0-1,5; Мп 0,3-0,6; N1 2,0-2,8; Сг 0,2-0,4; Си 0,5-1.5; Мд 0.001- 0,05; Мо 0,2-0,4; Fe остальное. Сердцевина и шейки валка выполнены из чугуна состава, мас.%: С 3.0-4,0; Si 1,5-2,0; Мп 0,2-0,4; Сг 0,1-0,3; Мд 0,02-0,06; Fe остальное. При этом суммарное отношение графитизирующих и карбидообразующих элементов материала наружного слоя к материалу сердцевины составляет 1,45-1,6. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к изысканию материалов для валков листовых станов холодной прокатки, характеризующихся высоким уровнем прочностных и эксплуатационных свойств бочки валка, хорошей обрабатываемостью шеек валков с высокой стойкостью к растрескиванию, предназначенных для использования при изготовлениймассивных изделий, работающих в условиях интенсивного истирания.

Известен прокатный валок с приводными шейками из вязкой стали и способ его изготовления.

Применена вязкая сталь для концов шеек, которые соединяются с шейкой сваркой. Подогрев перед сваркой производится индукторами. Конец валка поджимают к шейке при сварке гидродомкратом. Материал наружного слоя - адамит или легированный чугун. Материал сердцевины - литой чугун

(Л

С

со сфероидальной формой графита химического состава, мас.%1:

Углерод

Кремний

Марганец

Никель

Хром

Молибден

Железо

Весьма

3,0-3,8 1,5-2.5 0,4-1,0 2,0

0,1-1,0 0,2

Остальное сложное осуществление проч

00

о

00

чэ о

цесса сварки и значительная зона термического влияния не могут обеспечить необходимый уровень качества валков малого диаметра, а материал бочки валка не обеспечивает требований к валкам листовых станов холодной прокатки.

Известны чугунные металлургические валки для горячей прокатки толстолистового металла, химического состава, мас.%: Углерод2,8-3,5

Марганец0,6-1,2

Кремний0,8-1,4

Фосфор0,05-0,25

Сера0,001-0.03

Магний0,02-0,08.

Кроме того, чугун должен иметь не менее четырех из следующих легирующих элементов, мас.%:

Хром0,05-0,5

Никель3,2-4,0

Молибден. 0,03-0,6

Медь0,5-1,0

Ванадий0,03-0,2

ЖелезоОстальное

Валки, изготовленные из такого чугуна характеризуются недостаточным уровнем свойств и твердостью, необходимых для валков холодной прокатки. Это объясняется тем, что при таком составе реализуется пер- литобейнитная основа и зернистый графит. Известны многослойные чугунные валки для прокатки при температурах до 1800°С следующего химсостава наружного слоя, мас.%:

Углерод3,3-3,7

Марганец0,35-1,25

Кремний,1,0-2.0

Никель3,75-5.75

Хром0,75-1,35

.Молибден0,4-1,1

Магний0,3-0,08

ЖелезоОстальное

Валки из таких материалов характеризуются высокой разгаростойкостью, что необходимо при горячей прокатке изделий. Однако для работы валков при холодной прокатке необходимо получение бейнито- карбидной структуры, что позволит обеспечить высокую износостойкость при достаточно высокой твердости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является многослойный бандаж валка с калибром, изготовленный методом центробежного литья, наружный слой которого имеет химический состав, мас.%:

Углерод3,0-3,7

Кремний1,5-2,5

Марганец0,2-1,0

Никель0,7-3,0

Хром.0,1-0,5

Молибден0,1-1,0

Магний0,02-0,1

ЖелезоОстальное

внутренний слой, мас.%:

Углерод2,8-3,8

Кремний1,8-2,8

Марганец0,1-1,0

Никель 2,0

Хром 0,4

Молибден 1,0

Магний0.02-0,1

ЖелезоОстальное

Недостатком бандажа такого состава являются неприменимость переноса материала для валков горячей прокатки сорто- 5 вых станов на валки листовых станов холодной прокатки из-за значительных адгезионных процессов, приводящих к преждевременному выходу валков из строя по наварам.

0 Целью изобретения является предотвращение поломок шеек валков, улучшение их обрабатываемости, уменьшение адгези- ционных процессов, а также повышение надежности валков.

5 Для достижения указанной цели в чугун наружного слоя дополнительно введена медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,0-3.3

0 Кремний1,0-1,5

Марганец0,3-0,6

Никель2,0-2,8

Хром0,2-0,4

Медь0,5-1.5

5 Магний0,001-0,05

Молибден0,2-0,4

ЖелезоОстальное,

сердцевина содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%: 0 Углерод3,0-4,0

Кремний1,5-2,0

Марганец0,2-0,4

Хром0,1-0,3

Магний0.02-0,06

5 ЖелезоОстальное,

причем суммарное отношение графитизиру- ющих и карбидообразующих элементов наружного слоя к сердцевине составляет 1,45-1,6.;.,

0 Предложенный материал для наружного (рабочего) слоя валков характеризуется высокой стойкостью к наварам, а внутренний к растрескиванию шеек, что обеспечивает повышение надежности валков. 5 По имеющимся у заявителя данным в известных решениях отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые отличают от прототипа заявляемое решение, что позволяет сделать вывод о его соответствии 0 критерию существенные отличия.

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

Дополнительно введенная в чугун для

5 рабочего слоя валков медь в количество 0,51,5% позволяет повысить твердость, изноСОСТОЙКОСТЬ.И ВЯЗКОСТЬ, СНИЗИТЬ СКЛОННОСТЬ

к адгезиционным процессам, что очень важно для валков холодной прокатки. Это свя- зано с тем, что одним из основных дефектов,

служащих причиной преждевременного выхода из строя являются навары, что составляет 50% от общего выхода валков по дефектам. Введение меди в количестве до 1,5% позволяет ограничить содержание дефицитных и дорогостоящих элементов: Ni не выше 2,8% и молибдена 0,4% соответственно, что свидетельствует об эффективности использования меди в качестве их заменителя. Повышение эксплуатационных свойств металла и стойкость к наварам связаны с упрочнением твердого раств бра а -Ре медью. При этом происходит дисперсионное выделение меди на плоскостях скольжения a-Fe, что затрудняет их взаимное перемещение, предотвращая тем самым схватывание металла. Повышение износостойкости при легировании меДью достигается увеличением количества перлитной составляющей, понижением критических точек и стабилизацией аустенита в бейнитных и мартенситных чугунах с шаровидным графитом, выделением на поверхности трения медистых включений. Таким образом, для повышения эксплуатационных свойств необходимо вводить медь в высокоуглеродистые сплавы в количестве, превышающем пределы ее растворимости при температурах эксплуатации.

Введение до 0,5% Си не оказывает влияния на эксплуатационные свойства валков,

Введение меди свыше 1,5% приводит к снижению термической выносливости чугуна.

Кроме того, в предлагаемом чугуне следует рассматривать совместное влияние меди, никеля и молибдена, так как медь служит частичным заменителем никеля и молибдена. При этом суммарное содержание их находится в пределах 2,7-4,7%.

Медь, никель и молибден, уменьшая свободную энергию смеси аустенита и графита, способствуют повышению термодинамического потенциала для прямого выделения графита. Кроме того, они обеспечивают формирование стабильной структуры в промежуточной области, способствуя повышению прочностных свойств, твердости, термической выносливости и увеличению стабильности карбидной фазы, измельчая включения графита и продукты распада аустенита.

Наличие в чугуне меди, никеля и молибдена в количествах менее 0,5, 2,0 и 0,2% соответственно приводит к формированию в отливках структуры, состоящей из грубых продуктов распада аустенита различной степени дисперсности, которая существенно охрупчивает материал, снижает уровень

механических свойств, увеличивает анизотропию и снижает термическую выносливость.

С увеличением содержания меди, нике- ля и молибдена в количествах более 1,5, 2,8 и 0,4 соответственно снижается уровень механических свойств чугуна, что связано с нарушением оптимального соотношения графитизирующих и карбидообразующих

0 элементов, происходит ухудшение формы включений графита, они укрупняются и разветвляются, что также отрицательно сказывается на термической выносливости материала.

5 При содержании углерода и кремния менее 3,0 и 1,0% соответственно в структуре отливок появляются грубые карбидные включения по границам зерен, что снижает пластические характеристики и термиче0 скую выносливость, способствуя выкрашиванию рабочего слой валка в процессе эксплуатации. Повышение содержания углерода и кремния свыше 3,3 и 1,5% соответственно приводит к флотации графита, что

5 особенно характерно для массивных отливок, в результате чего будет иметь место неравномерное распределение твердости, а, следовательно, и износа по сечению валка. Кроме того, повышение содержания

0 кремния свыше 1,5%, вследствие его склонности к ликвидации, ухудшает прочностные характеристики.

Марганец, хром и молибден являются карбидообразующими элементами. Однако

5 в заявляемом составе в результате взаимодействия графитообразующих элементов . (кремния, никеля и меди) происходит объединение аустенита углеродом, в результате чего марганец, хром и молибден в выбран0 ных количествах идут в основном не на образование избыточной карбидной фазы, а на легирование, что обеспечивает повышение механических свойств чугуна и повышает стабильность карбидной фазы в условиях

5 термоциклирования, которое имеет место при эксплуатации валков.

Установлено, что оптимальное содержание марганца - 0,3-0,6%. При содержании марганца,0,3% возможно появление фер0 ритной составляющей, снижение твердости и формирование неоднородной структуры, что способствует интенсивному износу при эксплуатации. Содержание марганца 0,6% приводит к снижению активности углерода

5 и уменьшению числа зародышей графита, что создает условия к формированию избыточного цементита и снижению пластичности.

Введение хрома в количестве 0,2% недостаточно для повышения твердости и

прочности чугуна, а повышение его содержания свыше 0,4%, особенно в присутствии других карбидообразующих элементов, способствует формированию более грубой карбидной фазы, склонной к выкрашиванию при термоциклическом воздействии и высоких удельных давлениях.

Для получения шаровидного графита чугун модифицируют магнием в количестве 0,001-0,05%. При содержании магния менее 0,001 % происходит нарушение шаровидной формы графита и появляются пластинчатые его выделения. Повышение содержания магния выше 0,05% способствует повышению устойчивости структурно-свободного цементита, ухудшает форму и характер распределения неметаллических включений, не оказывая положительного влияния на свойства чугуна.

Для обеспечения указанных свойств состав чугуна должен быть стабилизирован таким образом, чтобы суммарное отношение графитизирующих и карбидообразую- щих элементов наружного слоя к сердцевине составлял 1,45-1,6.

При таком отношении достигается обеспечение прочного рабочего слоя, вязкой сердцевины и шеек валков, что повышает срок их службы.

При суммарном отношении графитизирующих и карбидообразующих элементов наружного слоя к сердцевине 1,45 из-за недостаточного количества графитизирующих элементов в металле наружного слоя не обеспечивается снижение склонности к адгезионным процессам, что приводит к сокращению срока службы валков. При суммарном отношении графитизирующих и карбидообразующих элементов наружного слоя к сердцевине 1,6 формируется большое количество графитизирующих элементов в металле наружного слоя валков, что не обеспечит достаточную износостойкость и, следовательно, понижает их надежность.

Изготавливают валок следующим образом- сначала заливают расплавленный металл во вращающуюся изложницу на установке для центробежного литья и формируют наружный слой, затем, после затвердевания внутренней поверхности наружного слоя, производят заливку сердцевины валка.

Так как прокатные валки работают в условиях термоциклического воздействия и склонны к адгезионным процессам, оценку стойкости материалов к выкрашиванию производили на основе склонности металла к наварам.

Для определения механических и эксплуатационных свойств предлагаемого валка были отлиты 6 сплавов с граничными и оптимальными соотношениями ингредиентов для рабочего слоя и сердцевины. Для

сопоставительного анализа были отлиты 4 сплава с граничными и оптимальными соотношениями сплавов по прототипу и 1 сплав из кованой стали 9 Х2 текущего производст- 5 ва (табл.1).

Каждый сплав был выплавлен в 200 кг индукционный печи. В качестве шихтовых материалов использовали: стальной лом, FeSi (75%), FeMn (45%), FeCr (72%), никель грану- 0 лированный, медь гидролизную. Валки отливали на центробежной горизонтальной машине 552-2. Из полученных сплавов были изготовлены образцы, которые испытывали на твердость; прочность, термостойкость, 5 обрабатываемость, определяли величину износа, склонность к адгезиционным процессам.

Испытания на термостойкость производили термоциклированием образцов при температурах 600 fc200C до появления пер- 0 вых трещин, что отражает условия нагрева и охлаждения в процессе эксплуатации валков на листовых станах.

Обрабатываемость опытных сплавов после отжига оценивали методом сверления 5 темплетов толщиной 20 мм. Для стандартных сверл осевое усилие при сверлении определяли по формуле

Foc 0,195(HB)f 0,8o + 90,02 , где НВ - твердость чугуна по Бринелю; 0 f-подача, мм на оборот;

D - диаметр сверла, мм.

При обеспечении постоянного осевого усилия, диаметра материала сверла число оборотов шпинделя, подача на оборот f яв- 5 ляется критерием обрабатываемости материала. При сверлении каждого темплета использовали новые сверла диаметром 10 мм из стали R 6M5K5. Сверление производили без охлаждения инструмента, фиксируя 0 время прохода сверла через темплет и рассчитывая подачу на оборот. Каждый темплет сверлили не менее 5 раз,

Как показали данные проведенных испытаний (табл.2), полученные сплавы (1-4) 5 характеризовались следующим уровнем свойств: металл наружного слоя - предел прочности при изгибе 900-950 Н/мм2, ударная вязкость - 9-10 Дж/см2, термостойкость

-1900-2150 циклов до разрушения,твер- 0 дость 82-85 НЗД.металл сердцевины и шеек

-предел прочности при изгибе - 480-550 Н/мм v/дарная вязкость 13,8-15,0 Дж/см .термостойкость 2900-2980 циклов до разрушения, твердость - 300-311 НВ.

5 При выходе за граничные значения ингредиентов и соотношений карбидообразующих и графитизирующих элементов наружного слоя и сердцевины показатели уровня механических и эксплуатационных свойств ниже.

На основании приведенных данных можно сделать выводе том, что заявляемый прокатный валок (варианты 1-4) по сравнению с прототипом (варианты 9-11) обеспечит повышение термостойкости металла шеек валков в 1,6 раза, ударной вязкости - в 1,8 раза при улучшенной обрабатываемости в 1,25 раза, что способствует предотвращению поломок шеек.

Проверку эффективности заявляемого материала, в частности, по склонности к адгезионным процессам (наварка), количеству прокатанного металла за установку, по износу производили в опытно-промышленных условиях. Для испытаний были отлиты валки, состав которых соответствовал предложенным валкам, валкам по прототипу и валкам из кованой стали текущего производства.

Испытания проводили в условиях, при- ближенных к серийному производству проката по удельному давлению на валок, скорости, температуре прокатки, сортаменту, режиму охлаждения валков. Проверке подвергали валки, занимающие одинаковое положение в клети. Глубина рабочего слоя 20 мм. Перешлифовку всех валков производили на постоянном режиме. После снятия из клети валки охлаждали на воздухе. Температура окружающей среды была положи- тельной. Съем за перешлифовку рассчитывали в учетом величины износа бочки.

Результаты испытанийпо вариантам 1-3 и 8, 9, 12 представлены в табл.3. Приведенные в таблицах результаты подтверждаются актом испытаний.

Лучшие результаты получены-на валках предложенного состава (вариант № 2), где износ металла меньше по сравнению с износом металла прототипа в 2,0 раза, а по сравнению с валками из кованой стали в 2,3 раза за счет снижения количества наваров, что и в свою очередь привело к повышению количества прокатанного металла в 1,3 раза по сравнению с прототипом и в 1,4 раза по сравнению со стальными коваными валками за счет получения оптимальной структуры. При этом за 30 установок рабочий слой использовали на 65%.

При предложенном химическом составе чугуна по вариантам 1 и 3 по сравнению с прототипом износ ниже в 1,6 и 1,9 раз, а по сравнению со стальными коваными в 1,9 и 2,1 раз соответственно, количество прокатанного металла больше в 1,3 раза по сравнению с прототипом и в 1,3-1,38 раза больше по сравнению со стальными коваными валками текущего производства соответственно.

При выходе за граничные значения ингредиентов (вариант 8) при 27 установках износ в 1,14 раз, а количество прокатанного металла всего в 1,04 раза больше посравне- нию с вариантом 1, 2 при 20 установках и незначительно отличается от прототипа (вариант 9).

Таким образом, согласно данным проведенных испытаний заявляемое изобрете- 0 ние по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

термостойкость металла шеек валков выше в 1,6 раза;

ударная вязкость металла шеек валков 5 выше в 1,8 раза;

обрабатываемость шеек легче в 1,25 раза;

количество прокатанного металла за установку выше в 1,2-1,3 раза; 0 срок службы валков больше в 1,3 раза. Заявляемый валок представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволяет повысить ритмичность и производительность прокатных станов, со- 5 кратить расход валков, обеспечить выход годного металла более высоких сортов, снизить трудоемкость изготовления валков и сократить расход топливно-энергетических ресурсов. 0 Формула изобретения

Двухслойный прокатный валок, рабочий слой которого выполнен из легированного чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, магний, молибден 5 и железо, а сердцевина и шейки выполнены из чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, магний и железо, отличающийся тем, что, с целью предотвращения поломок шеек валков, уменьшения адге- 0 зиционных процессов, а также повышения надежности валков, рабочий слой дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,0-3,3

5 Кремний1,0-1,5

Марганец0,3-0,6

Никель2,0-2,8

Хром0,2-0,4

Медь0,5-1,5

0 Магний0,001-0,05

Молибден0,2-0,4

ЖелезоОстальное,

а сердцевина содержит элементы при следующем соотношении компонентов, мас.%: 5 Углерод3,0-4,0

Кремний1,5-2,0

Марганец0,2-0,4

Хром0,1-0,3

Магний0,02-0,06

ЖелезоОстальное,

причем суммарное отношение графитизи- рующих и карбидообразующих элементов

9

ю 11

12

950 940 900 850 830 800 820

780 790 79$

10,5

9,0

10,0

8,5

8,0

3:

8,0 7,9 8,1

1000-1500 20-30

Предлагаемый состав

1ЭОО8255в13,829203009,45 10

2200 8ft52013,529803079,910

21008$50014,829003119,710

21508348015,029703009,310

19008046010,026902789,0ID2

1800824408,828002628,810

Бэ о«ыйсостав(прототип)

165072 5008,3i8603637,610

1720714606,019003597,810

Кованные валкитекущего производства из стали 9X2

150095-D8600-700 12-161000-1200 30-35 HSD

наружного слоя к сердцевине составляет 1,45-1,6.

Т в 6 л и u a 1

Таблица2

б л и ц а 3

Продолжение табл.3