Результат интеллектуальной деятельности: СТАЛЬ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОВАНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

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.%:

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.%:

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.%:

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.

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.

Соотношение содержаний V/Nb=2…2,5 выбрано из соображений, во-первых, большей дефицитности и стоимости ниобия (его содержание в земной коре 10^-4% 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%):

(V+Nb)_макс=C_макс/12=1,4/12=0,12%;

(V+Nb)_мин=C_мин/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:

Nb_макс=0,12/3=0,04; Nb_мин=0,10/3=0,033%.

Содержание ванадия в 2 раза больше:

V_макс=0,08; V_мин=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.