ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Отливка чугунных двухслойных валков для станов 2000 и 2500 горячейпрокатки ведется в стационарные комбинированные формы-«промывки». Существующая технология позволяет получать требуемые структуру, твёрдость и глубину отбела рабочего слоя валков. Рост требований к качеству валков, одним из показателей которого является их эксплуатационная стойкость, заставляет изыскивать пути его улучшения. С этой целью проведена работа по исследованию влияния легирования на структуру, механические свойства и износостойкость рабочего слоя валковых чугунов. Содержание элементов варьировали в следующих пределах, %: 2,62-3,61 - С; 0,32-0,58- si;0,36-0,94- mn;0,054-0,15- s;0,07-0,05- Р; 0,6-4,98- cr;0,33-4,03- ni;0,24-0,87- Мо; 0,06-0,21 - v; 0,11-0,24- ti;0,01-0,025- В. Всего - 31 состав. Была определена твердость(hrc),микротвёрдость (Н50) перлита, мартенсита, карбидов, коэффициент относительной износостойкости (Ки) по ГОСТ 23.209-79. Изучены микроструктура и тип карбидов. Определены тип перлита и межпластинчатое расстояние (мкм), дисперсность мартенсита и его балл, наибольшая длина игл мартенсита (мкм). Методами математической статистики получены зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры и свойств исследуемых чугунов.

Определяющим фактором при работе валков в чистовых клетях станов горячей прокатки является износостойкость материала рабочего слоя валка. При повышении твёрдости (с 45 до 62 hrc) коэффициент износостойкости повышается линейно с 2,0 до 3,35; при увеличении микротвёрдости перлита (с 320 до 429 Н50) - с 2 до 2,6; при увеличении микротвёрдости мартенсита (с 986 до 1180 Н50) - с 2,5 до 3,35; при увеличении микротвёрдости карбидов (с 690 до 1490 Н50) - с 2,0 до 3,35. При увеличении игл мартенсита с 4 до 12 мкм коэффициент износостойкости линейно снижается с 3,35 до 2,6.

Углерод.

Присутствует в чугуне в виде графита и в составе цементита и перлита. Такие структурные формы различно влияют на физические и механические свойства чугуна. Изменения в химическом составе чугуна общего количества углерода и соотношения его форм определяют характер структуры металла. Повышение содержания углерода увеличивает твёрдость и хрупкость, снижая прочность, и затрудняет образование чистого отбела.

В исследуемом случае повышение содержания углерода с 2,6 до 2,85% привело к увеличению твёрдости(с 45 до 62 hrc), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35) и микротвёрдости карбидов (с 690 до 1490 Н50). Дальнейшее повышение содержания углерода до 3,2% привело к снижению твёрдости (с 62 до 47hrc),коэффициента износостойкости (с 3,35 до 2,0) и микротвёрдости карбидов (с 1490 до 705 Н50). Увеличение содержания углерода с 3,2 до 3,61% привело к увеличению твёрдости (с 47 до 60hrc),коэффициента износостойкости (с 2,0 до 2,7) и микротвёрдости карбидов (с 705 до 1380 Н50). С повышением содержания углерода с 2,6 до 3,61 микротвёрдость перлита повышается с 320 до 429 Н50. Длина игл мартенсита с увеличением углерода до 3,0% незначительно уменьшается.

Кремний.

Повышенное содержание кремния увеличивает жидкотекучесть чугуна, способствует выделению графита, уменьшению твёрдости, хрупкости, температуры затвердевания и склонности к образованию усадочных раковин. Пониженное содержание кремния увеличивает линейную усадку. На формирование структуры кремний оказывает весьма существенное влияние.

Повышение содержания кремния с 0,32 до 0,58% приводит к снижению твёрдости (с 62 до 45 hrc), коэффициента износостойкости (с 3,35 до 2,0), микротвёрдости карбидов (с 1490 до 690 Н50), микротвёрдости мартенсита (с 1180 до 930 Н50) и увеличению длины игл мартенсита (с 4 до 10 мкм). Микротвёрдость перлита при содержании 0,36-0,4% кремния повышается с 338 до 386 Н50. Дальнейшее повышение содержания кремния до 0,58 приводит к снижению микротвёрдости перлита до 320 Н50.

Марганец.

Карбидообразующий элемент марганец способствует обессериванию, очищению чугуна от неметаллических включений и улучшает механические свойства. Повышенное содержание марганца препятствует графитизации, повышает жидкотекучесть, твёрдость и плотность, но вызывает сильное увеличение глубины переходной зоны и хрупкости, уменьшающих прочность валков. Увеличение содержания марганца способствует повышению износостойкости и снижению термостойкости и прочности валка.

Повышение содержания марганца с 0,36 до 0,61% приводит к увеличению твёрдости (с 48 до 62 hrc), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35), микротвёрдости карбидов (с 745 до 1490 Н50) и микротвёрдости мартенсита (с 986 до 1180 Н50). Микротвёрдость перлита повышается с 323 до 386 Н50 при содержании 0,36-0,42% марганца и снижается с 429 до 320 Н50 при 0,85-0,94%. Повышение содержания марганца с 0,76 до 0,94% приводит к снижению твёрдости (с 57 до 45 hrc), коэффициента износостойкости (с 3,0 до 2,0), микротвёрдости карбидов (с 1210 до 690 Н50) и микротвёрдости мартенсита (с 1080 до 930 Н50). В интервале 0,36-0,61% марганца длина игл мартенсита уменьшается с 10 до 4 мкм, а в интервале 0,76-0,79% она составляет около 9 мкм.

Фосфор.

Повышение содержания фосфора увеличивает жидкотекучесть чугуна, снижает температуру затвердевания и линейную усадку. Снижение его содержания незначительно понижает твёрдость. Содержание в структуре чугуна большого количества грубой фосфидной эвтектики уменьшает износостойкость и повышает склонность к поломкам.

При содержании 0,07-0,14% Р коэффициент износостойкости составляет 2,0-2,7, при повышении Р до 0,42% коэффициент повышается до 3,35 и затем снижается до 2 при повышении содержания Р до 5%. Повышение содержание Р с 0,07 до 0,38% приводит к увеличению твёрдости (с 48 до 62hrc),микротвёрдости карбидов (с 705 до 1490 Н50) и микротвёрдости мартенсита (с 986 до 1180 Н50). Повышение содержания Р с 0,38 до 0,5% приводит к снижению твёрдости (с 62 до 45 hrc), микротвёрдости карбидов (с 1490 до 690 Н50) и микротвёрдости мартенсита (с 1180 до 930 Н50). Длина игл мартенсита в интервале 0,3-0,48% Р увеличивается с 4 до 10 мкм.

Сера.

Повышение содержания серы уменьшает жидкотекучесть, термостойкость и прочность чугуна, но способствует повышению глубины отбела, твёрдости и хрупкости валков. Способствует торможению графитизации и увеличению усадки.

Повышение содержания серы с 0,054 до 0,15% приводит к линейному снижению твёрдости (с 62 до 45 hrc), коэффициента износостойкости (с 3,35 до 2,0), микротвёрдости карбидов (с 1490 до 690 Р50), микротвёрдости мартенсита (с 1180 до 930 Н50), микротвёрдости перлита (с 429 до 320 Н50) и увеличивает длину игл мартенсита (с 4 до 12 мкм).

Хром.

Хром входит в состав карбидов как легирующий элемент, увеличивает отбеливаемость, повышает твёрдость и хрупкость чугуна. Способствует повышению усадки и глубины переходной зоны. Совместно с никелем хром в количестве до 1,0% повышает прочность чугуна, способствует увеличению износостойкости.

При повышении хрома до 1,0% твёрдость, коэффициент относительной износостойкости, микротвёрдости карбидов и мартенсита возрастают. При дальнейшем повышении содержания Сг все характеристики несколько снижаются, за исключением микротвёрдости перлита, которая в интервале 0,6-4,98 увеличивается с 320 до 390 Н50.

Никель.

Никель присутствует в твердом растворе в качестве легирующего элемента, повышает прочность и термостойкость чугуна. При этом измельчение структуры и повышение вязкости чугуна способствует увеличению износостойкости валков. Никель обеспечивает равномерную твёрдость и выработку рабочего слоя валков, повышая стойкость их между переточками. Количество никеля в чугуне существенно влияет на эксплуатационные свойства валков.

Повышение содержания никеля с 0,33 до 4,03% приводит к увеличению твёрдости (с 48 до 62 hrc), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35), микротвёрдости карбидов (с 690 до 1490 Н50), микротвёрдости мартенсита (с 986 до 1180 Н50) и снижению длины игл мартенсита.

Молибден.

Молибден входит в состав карбидов как легирующий элемент, облагораживая и измельчая структуру. Он способствует повышению износостойкости и устойчивости против растрескивания отбеленного слоя валков, работающих в условиях высокого нагрева. Молибден благоприятно влияет на эксплуатационные свойства. Измельчение структуры валка улучшает качество поверхности проката и способствует увеличению стойкости и равномерности выработки рабочей поверхности валка.

Повышение содержания молибдена с 0,24 до 0,87% приводит к увеличению твердости (с 49 до 62 НРС), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,17),микротвёрдости карбидов (с 745 до 1430 Н50), микротвёрдости мартенсита (с 1020 до 1120 Н50) и снижению длины игл мартенсита (с 10 до 5 мкм).

Ванадий.

Ванадий входит в состав карбидов, способствует заметному очищению отбеленного слоя от мелких включений серой составляющей структуры и вызывает измельчение графита в серой зоне валков. Способствует повышению твёрдости и глубины отбеленного слоя.

Повышение содержания ванадия с 0,06-0,21% приводит к увеличению твёрдости (с 49 до 62hrc),коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35), микротвёрдости карбидов (с 745 до 1490 Н50), микротвёрдости мартенсита (с 995 до 1180 Н50) и снижению длины игл мартенсита (с 10 до 4 мкм).

Титан.

Титан входит в состав карбидов, улучшает служебные свойства отбеленного слоя и серой зоны валков. Образует термически устойчивые карбиды и, вследствие этого, увеличивает глубину чистого и общего отбела валков. Повышает вязкость чугуна.

Повышение содержанияtiс 0,11-0,24% приводит к увеличению твёрдости (с 46 до 62 hrc), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35), микротвёрдости карбидов (с 915 до 1490 Н50), микротвердости мартенсита (с 987 до 1180 Н50) и снижению длины игл мартенсита (с 10 до 4 мкм).

Бор.

Небольшие присадки бора повышают глубину отбела и твердость. Бор - интенсивный раскислитель. Первичная структура чугуна измельчается, повышается чистота отбела, протяженность переходной зоны несколько сокращается.

Повышение содержания бора с 0,01-0,025% приводит к увеличению твёрдости (с 48 до 62 hrc), коэффициента износостойкости (с 2,0 до 3,35), микротвёрдости карбидов (с 915 до 1490 Н50), микротвердости мартенсита (с 995 до 1180 Н50) и снижению длины игл мартенсита (с 10 до 4 мкм).

Таким образом, для повышения эксплуатационных свойств валков (прежде всего для увеличения коэффициента износостойкости) необходимо увеличение твердости, микротвёрдости перлита, мартенсита, карбидов и снижение длины игл мартенсита.

Коэффициент износостойкости ЛПХНд-71 при твёрдости 72hsdсоставляет 2,63. Комплексное экономное легирование чугуна(cr, ni, mo, v, ti,В) позволяет увеличить твердость до 86 hsd и коэффициент износостойкости до 3,35 при одинаковых технологических параметрах отливки.

Проведенные исследования показали, что для повышения эксплуатационных свойств рабочего слоя двухслойных листопрокатных валков и качества проката валковый чугун (основной) целесообразно комплексно легировать небольшими добавками cr, ni, mo, v, ti, В.