Влияние легирующих элементов на свойства рабочего слоя двухслойных валков

Известно, что первичная литая структура оказывает решающее влияние на формирование свойств чугунов в отливках при их охлаждении в форме или во время термической обработки. Первичная кристаллизация легированного рабочего слоя валков может протекать с выделением либо избыточных кристаллов твердого раствора аустенита, либо высокоуглеродыстых фаз - цементита, специальных карбидов. Кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением. Последовательность образования фаз и их количество определяется составом сплава и степенью переохлаж­дения расплава, которая напрямую связана с его перегревом.

Литая структура окончательно формируется в результате про­цессов, протекающих в твердом состоянии: выделение избыточных фаз из твердых растворов, эвтектоидное превращение и т.д.

В легированных чугунах природа высокоуглеродистой фазы на­прямую связана с вводимыми добавками. Элементы, стимулирующие межатомные связи типа С-С, способствуют графитизации, а Ме-С - карбидообразованию. Поэтому еще в жидком состоянии в предкристаллизационном периоде закладываются условия, определяющие природу первичных фаз, особенно карбидов и эвтектики. Количество вводимых при этом карбидообразующих элементов может быть различным. Не­обходимо установление оптимального их количества при минималь­ной стоимости.

В чугунных валках, кроме железа и обычно сопутствующих элементов (углерода, кремния, мар­ганца, фосфора и серы) могут содержаться хром, церий, никель, кальций, молибден, медь, магний и алюминий.

В ограниченных количествах для легиро­вания валков применяют бор, титан, ванадий, ниобий, теллур. Кроме того, в любом валковом расплаве содержатся газы: кислород (почти весь в виде оксидов), водород и азот.

Перечисленные элементы оказывают влияние на структуру валка, а через нее на свойства.

Известно, что повышение содержания углерода в металле с 1,5 до 4,0 % приводит к увеличению износостойкости закаленных белых хромистых чугунов, она повышается примерно в три раза, а твердость - всего на 6 %. В производственных условиях добиться повышения твердости чугуна за счет увеличения содержания углерода затрудни­тельно. Износостойкость чугунов определяется не столько значе­ниями твердости, сколько структурой: количеством и характером (природной) карбидных фаз и эвтектических составляющих.

Углерод при быстром охлаждении образует карбиды железа (цементит), а при медленном - графит. Эту особенность углерода ис­пользуют при производстве валков.

Повышение содержания углерода при условии его графитизи­рующего влияния приводит к росту твердости и износостойкости за счет увеличения количества весьма твердых карбидов (табл. 7.7).

Таблица 7.7

Максимально возможное количество свободных карбидов в рабочем слое валков

Содержание углерода, %	2,46	2,68	2,78	2,83	3,00	3,09	3,52
Количество карбидов, %	30,3	33,4	33,9	34,9	37,3	38,5	41,8

Никель является основным легирующим элементом для большинства типов белых чугунов высокой твердости, в том числе и для валковых. Но при этом необходимо учитывать две стороны его влияния на их структуру и свойства.

Первая. Увеличение склонности к графитизации при эвтектоидном превращении (снижает «точку» этого превращения). Это ком­пенсируют вводом в чугун хрома в определенных пропорциях. При содержании никеля 4 - 5 % эта пропорция составляет около 3:1 (такое соотношение принято за рубежом), на отечественных заводах вводят никель и хром в соотношении (5,5 - 5,0):1, а нескомпенсированный графитизирующий эффект никеля снижают путем уменьшения содержания кремния до 0,25 - 0,30 %. Лучше использовать соотношение никеля к хрому, принятое на зарубежных заводах.

Вторая. Увеличение склонности к образованию графита отжига при содержании выше 3,6 % и особенно выше 4,0 %. Это наблю­дается при медленном охлаждении валков массой 5 – 7 т, в которых процесс графитизации идет достаточно быстро.

Хром тормозит графитизацию, однако слабее, чем при эвтектическом превращении. Предотвратить полностью образование графита отжига в рабочем слое валка не удается даже при соотношении Ni:Cr < 2,2 - 2,3.

Кинетика превращения аустенита в белых чугунах с различным содержанием никеля исследована на образцах, взятых из рабочего слоя валков (диаметр валков 0,5 - 0,7 м). Изучали процесс изотермического распада, хотя на самом деле рабочий слой валка ох­лаждался непрерывно, а скорость охлаждения влияет на положение критических точек. Несмотря на это, по кривым изотермического пре­вращения можно объяснить влияние никеля на структуру и твердость двухслойных валков.

Повышение содержания никеля увеличивает устойчивость ау­стенита в области перлитного и бейнитного распада, сдвигает кривые начала превращения вправо, понижает критические точки и смещает область аустенита к более низким температурам. Поэтому облегчаются условия получения игольчатых структур в литом состоянии.

При содержании никеля 4,40 % структура состоит в основном из мартенсита и остаточного аустенита. Кроме того, имеются иглы бейнита. Такая неоднородность структуры продуктов распада аустенита как в сечении одной ветви дендрита, так и в разных ветвях является характерной для рабочего слоя двухслойных хромоникелевых валков.

При содержании никеля 4,12 - 3,82 % бейнитная структура при­обретает доминирующее положение. При концентрации никеля 4,13 % в структуре с нижним и верхним бейнитом имеется мартенсит; при 3,82 % никеля в структуре наблюдаются иглы нижнего бейнита и перистые иглы верхнего бейнита. При снижении содержания никеля в чугуне доля игольча­тых структур уменьшается, грубеет и их внутренняя структура, появ­ляются колонии сорбитообразного перлита, которые затем и преобладают при содержании никеля менее 3,0 %.

Никель содержится преимущественно в продуктах распада аустенита, коэффициент его распределения между карбидами и матрицей в чугунах из рабочего слоя двухслойных валков мал. Поэтому максимум твердости сдвигается в сторону меньших содержаний никеля при увеличении количества карбидов в чугуне.

Двухслойные валки с содержанием никеля 3,5 - 4,5 % отличаются весьма мелкозернистым характером излома, в них отсутствует выра­женная столбчатость.

Кремний, являясь сильным графитизирующим элементом, значительно увеличивает разность тем­ператур стабильного и метастабильного эвтектического равнове­сия за счет снижения температуры метастабильного равновесия. При 0,5 % кремния в чугуне эта разность составляет около 10°, при 2 % кремния около 40°. Поэтому затрудняется переохлаждение чугуна ниже температуры метастабильного равновесия и облегчаются условия образования графита при кристаллизации рабочего слоя валков.

Совместное влияние углерода и хрома на твердость вал­кового чугуна положительно. Достичь твердости 65 - 75 HS можно при содержаниях уг­лерода 2,5 - 3,5 % и хрома 1,0 - 1,3 %, Но при повышении содержания хрома более 1,0 % резко увеличивается количест­во трещин, достигая 30 и более процентов. То же происходит при увеличении концентрации углерода более 2,9 %.

Увеличение содержания кремния от 0,2 до 1,2 % приводит к уменьшению количества трещин, но одновременно это способствует снижению твердости рабочего слоя валка. Содержание кремния, при котором процент трещин не превышает 10 %, равно 0,35 - 0,45 %, а максимальное количество трещин приходится на со­держание кремния 0,55 - 0,70 % (в основном горячие).

При дальнейшем увеличении содержания кремния количество трещин уменьшается. Наибольшая твердость рабочего слоя валков при данном химическом составе колеблются в пределах 68 - 69 единиц, что соответствует концентрации кремния 0,35 %, и не устраивает про­изводственников. Разница в содержании кремния в металле рабочего слоя и промывочном, превышающая 0,6 %, приводит к увеличению количества трещин более чем в два раза.

Низкое содержание кремния (до 0,35 % в текущем производстве) и хрома (до 0,8 %) диктовалось необходимостью получения отбела, чистого от включений эвтектического и отжигового графита. Такое сочетание кремния и хрома нельзя считать наилучшим. Оно приводит к интенсивному насыщению чугуна газами, особенно при перегреве его в печи до 1500 - 1550 °С, и повышенной склонности чугуна к образова­нию газовых раковин.

Для валков с высокой твердостью и хорошими литейными свойст­вами лучше применять чугун с содержанием 0,8 - 1,1 % кремния и 1,2 - 1,8 % хрома. Максимальная твердость чугуна с 3,8 - 4,1 % никеля достигается при 1,6 - 1,8 % хрома.

Марганец подобно никелю, увеличивает устойчивость аустенита, а поэто­му иногда используется для его частичной замены. При повышении его содержания в чугуне более 1,2 - 1,4 % существенно увеличивается транскристаллизация структуры, усиливается анизотро­пия механических свойств в рабочем слое валков, а поэтому валки с высоким содержанием марганца могут эксплуатироваться, в условиях прокатки, не сопровождающихся применением значительных динами­ческих, нагрузок.

Действие марганца на износостойкость при постоянном содер­жании углерода носит экстремальный характер. Максимальную изно­состойкость имеют сплавы с содержанием марганца 6 - 11 %.

Наибольшее количество трещин (более 45 %) в валках приходится на содержание марганца в чугуне 0,85 - 1,05 %, а наименьшее (6 - 7 %) на концентрацию его 0,65…0,80 %. Марганец относится к карбидообразующим элементам и существенно это свойство проявляется при содержании более 0,8 %.

Основным карбидообразующим элементом чугунов для валков яв­ляется хром при его содержании 0,6 - 1,8 %. При таком его количестве образуется легированный хромом цементит (Fe,Cr)₃C и эвтектика (ледебу­рит) с неблагоприятной морфологией, совершенно неудовлетворяющей принципу Шарли для обеспечения высокой износостойкости. В ледебуритной колонии легированный хромом цементит (Fe,Cr)₃C является матричной фазой, а аустенит- разветвленной. Принцип Шарпи предпола­гает обратное. Поэтому механические свойства, износо- и теплостойкость чугуна с карбидами цементитного типа напрямую связаны как с хрупко­стью цементита, так и с тем, что он является матричной фазой в ледебури­те.

Хром растворяется преимущественно в карбидах. Так, в вал­ковом чугуне при общем содержании хрома 0,94 - 1,38 % он рас­пределяется между карбидами и матрицей в отношении 4:1 - 10:1. Но в хромоникелевых валковых чугунах типа «Нихард», где содержание хрома не превышает 1,5 - 1,6 %, он не образует специальных карбидов.

Хром оказывает влияние и на структуру матрицы. Он стаби­лизирует аустенит и препятствует его превращению при высоких температурах. При увеличении содержания хрома до 1,8 % несколько уменьшается количество никеля, необходимое для создания мартенситной основы.

Хром, при его содержании до 1,2 %, оказывает весьма слабое инокулирующее влияние. Поэтому в чугунах, применяемых при производ­стве двухслойных валков, не замечено влияние хрома на величину зерна. При повышении содержания хрома более 1,0 % все характери­стики чугуна несколько снижаются, за исключением микротвердости перлита, которая в интервале 0,6 - 4,98 % хрома увеличивается с 320 до 390 Н₅₀.

Если переход от одного типа карбида хрома к другому реали­зовывать за счет повышения содержания углерода, то увеличение износостойкости может не наступить, так как в процессе изнашива­ния усиливается склонность крупных и хрупких карбидов к растрескиванию и выкрошиванию из матрицы.

Чем ниже содержание хрома, тем меньший брак по тре­щинам в валках. При наиболее частом содержании хрома в чугуне 0,8 - 1,1 % (более 55 %), количество трещин колеблется в пределах 12 - 17 %, при содержании хрома менее 0,6 % трещин становится еще меньше, но при этом не обеспечивает­ся необходимая твердость рабочей поверхности валка.

Изменить неблагоприятную морфологию хромистого цементита и ледебурита можно путем введения в состав чугуна титана, ванадия и молибдена, лучше в комплексе.

Особое место среди легирующих элементов, применяющихся при производстве валков типа ЛПХНд, занимает молибден. Его использование до сих пор в нашей стране носит весьма огра­ниченный характер, часто из-за противоречивости мнений, по вопро­су эффективности его влияния на служебные свойства валков. В то же время, анализ технической литературы, патентных источников и проспектов фирм свидетельствует о том, что в вальцелитейном про­изводстве США, Швеции, Японии, Великобритании, ФРГ молибден является наиболее часто применяемой легирующей добавкой не только в хромоникелевых чугунах для двухслойных валков, но и в чугунах для валков различного назначения. Отмечается, что он повышает прочность чугуна при высокой температуре, а также его сопротивление значительным термоциклическим нагрузкам. Та­кое его свойство используется при присадке даже в чугун для вал­ков, который не содержит других легирующих элементов. В отечест­венной практике в соответствии с техническими условиями на чу­гунные прокатные валки молибден вводят в количестве 0,2 - 0,5 % в чугун для отливки отдельных типов двухслойных листопрокатных вал­ков исполнения ЛПХНМд.

При исследовании влияния молибдена на структуру и свойства низколегированного белого валкового чугуна (2,6 - 2,8 % никеля; 0,8 - 0,9 % хрома) и среднелегированного чугуна (3,8 - 4,0 % никеля; 0,8 - 0,9 % хрома) в лабораторных условиях было установлено, что уровень свойств регулируется в основном степенью легирования, а мо­либден в условиях каждого из исследованных разновидностей белого чугуна обуславливает дополнительное приращение предела прочности и твердости.

В низколегированном никелем чугуне его влияние связано с об­разованием игольчатых структур (бейнита) вместо перлита. При исход­ном среднелегированном чугуне бейнит и частично мартенсит образу­ются и без молибдена. В этом случае ввод молибдена способствует увели­чению количества мартенсита. При испытании термостойкости отмечено ее повышение во всех исследованных чугунах при увеличении концен­трации молибдена.

Анализ образцов от двухслойных валков показал, что добавка в чугун 0,3 - 0,5 % молибдена заметно уменьшает количество «графи­та отжига» в рабочем слое и способствует устойчивому получению в них высокой твердости 76 - 83 HSh. Данные по критериальной оценке служеб­ных свойств валков свидетельствует о целесообразности легирования чугуна двухслойных валков молибденом, особенно при получении валков с высокой твердостью (ЛПХНМд-76);

Повышение содержания молибдена с 0,24 до 0,87 % приводит к увели­чению твердости с 49 до 62 HRC, коэффициента износостойкости с 2,0 до 3,17.

Твердость рабочего слоя двухслойных валков можно регулировать как содержанием карбидов, так и структурой продуктов превращения аустенита. На Кушвинском заводе прокатных валков проведено промышленное опробование комплексно-легированных отбеленных и полутвердых чугунов, содержащих кроме хрома, никеля и молибдена, 0,8 – 3,4 % меди и 0,15 – 0,17 % ванадия.

Выполненные на Кушвинском заводе прокатных валков исследо­вания показали, что содержание никеля может быть снижено до 2,6 - 3,2 % при вводе в состав чугуна более дешевой (в 4,0 - 4,2 раза) меди, при усло­вии обеспечения их суммарного содержания 4,0 - 4,4 %. Указанное со­отношение обеспечивает получение бейнито-мартенситной структуры без остаточного аустенита. Промышленные испытания партии валков из чугуна с частичной заменой никеля медью показа­ли, что общая средняя стойкость их на 7 % выше стойкости валков серий­ного производства.

В качестве аналога никеля по влиянию на структуру, при частич­ной его замене, в составе чугуна более целесообразно использовать медь, которая не вызывает усиления транскристаяличности. Установлена це­лесообразность использования меди совместно с бором.

Однако ввод ее в состав чугуна не решает вопрос уменьшения в его структуре графитных включений, поэтому исследовали возмож­ность дальнейшего повышения износостойкости путем дополнитель­ного легирования ванадием, являющимся карбидизирующим элемен­том.

Микроструктурный анализ отбеленного рабочего слоя двух­слойных валков опытных плавок показал, что дополнительное легиро­вание ванадием в пределах 0,1 - 0,2 % (валки исполнения ЛПХНДМФд-74) очищает отбеленный слой от графитных включений, повышает твердость и износостойкость чугуна. Отличие структуры рабочего слоя валков исполнения ЛПХНДМФд-74 от валков исполне­ния ЛПХНДМд-73 состоит в несколько большем (на 1 - 3 %) количе­стве цементита и мелкоигольчатых продуктов распада аустенита при небольшом количестве троостита. Ванадий в количестве 0,1 - 0,2 % способствует повышению дисперсности и существенному раздробле­нию дендритной структуры. По-видимому, нитриды и карбиды вана­дия являются дополнительными центрами кристаллизации, а поэтому способствуют получению мелкозернистой структуры. Ванадий снижа­ет активность углерода в карбидной фазе и стабилизирует ее. Отличи­тельной особенностью ванадия является то, что уже при содержании 0,10 - 0,15 % он способен образовывать собственные мелкозернистые карбиды VС. В структуре рабочего слоя по мере удаления от литой поверхности бочки валка увеличивается количество троостита. Микро-твердость структуры матрицы с удалением от поверхности уменьшает­ся в среднем от 4800 до 3950 МПа при твердости цементита в пределах 8850...9275 МПа. Усредненные механические свойства чугуна валков исполнения ЛПХНДМФд-74 приведены в табл. 7.8.

Таблица 7.8

Механические свойства чугуна опытных плавок с размерами бочки 700х1700 мм

Место отбора об­разцов	Механические свойства
НВ	sВ, МПа	аК, кДж/м2	Износ, г
Рабочий слой				0,0358
Нижняя шейка	Л*9Л			-
Верхняя шейка				-

 

Определение механических свойств образцов, вырезанных в ра­бочем слое валков, позволило установить, что дополнительное легиро­вание чугуна ванадием обеспечивает снижение анизотропии свойств (до 18,5 %), достигаемого за счет повышения прочности тангенциальных образцов при постоянном уровне свойств радиальных. На основании исследований структуры и, свойств были установлены оптимальные технологические параметры отливки валков, исполнений ЛПХНДМд-72 и ЛПХНДФд-74, химические составы которых приведены в табл. 7.9.

Таблица 7.9

Химический состав чугуна рабочего слоя двухслойных листопрокатных валков

Исполнение валков	Химический состав чугуна, масс. %
С	Si	Mn	Р	S
ЛПХНДМд-72	2,70-2,85	0,45-0,50	0,65-0,75	до 0,45	до 0,10
ЛПХНДФд-74	2,70-2,85	0,40-0,50	0,60-0,70	до 0,45	до 0,10

 

 

окончание табл. 7.9

Исполнение валков	Химический состав чугуна, масс. %
Cr	Ni	Cu	Mo	V
ЛПХНДМд-72	0,70-0,80	3,10-3,30	1,2-1,4	0,3-0,5	-
ЛПХНДФд-74	0,65-0,80	3,10-3,30	1,2-1,4	0,4-0,5	0,1-0,2

 

Сопоставление механических свойств опытных валков и валков текущего производства показало, что дополнительное легирование чу­гуна рабочего слоя двухслойных валков медью и ванадием обеспечивает повышение изно­состойкости на 25 - 35 % и прочности на 15 – 20 %.

Эксплуатационные испытания валков исполнения ЛПХНДМд-73 и ЛПХНДМФд-74 на станах 1450 ММК и 1700 КapMК и 2000 ЧерМК показали, что стойкость их на 37,4 - 58,7 % выше, чем стойкость валков исполнения ЛПХНд-70.

В чугунах с добавками ванадия в структуре появляется аустенитно-цементито-хромисто-ванадиевокарбидная эвтектика (A+(Fe,Cr)₃C+VC). Также как и при легировании титаном, доля VC в эвтектике растет с уве­личением добавок ванадия. Однако полной замены ледебурита на эвтекти­ку A+VC не происходит вследствие недостаточного количества ванадия. В чугунах полная замена ледебурита может произойти при [V] > 6,5 %.