Чугун для изготовления прокатных валков

Развитие прокатного производства в сторону расширения сортамента связано с увеличением выпуска различных прокатных валков, проводок, роликов, направляющих прокатных станов. Такие детали изготавливают из чугуна, литой или деформированной стали, твердых сплавов. Прокатные валки являются основной рабочей частью прокатного стана, которая создает определенные размеры, форму и качество поверхности проката. К материалу валков предъявляют разнообразные и, часто, противоречивые требования, поэтому универсальной стали или сплава для их изготовления нет.

В общем случае материал валков должен обладать высокой поверхностной твердостью и прочностью, износостойкостью. Если валок работает в условиях теплосмен (горячая прокатка), материал должен иметь достаточную теплостойкость. При выборе чугуна в качестве материала для изготовления валка необходимо учесть тип стана, способ прокатки, производительность стана и другие технологические характеристики. Кроме прокатных, чугунные валки применяют в резинотехнической, бумагоделательной, мукомольной и других отраслях промышленности. Преимущества чугуна, как материала для их изготовления, возрастают с увеличением размеров валка. Существующие технологии производства чугунных отливок позволяют получать заготовки валков массой от 0,5 до 40 т и более.

Износостойкость и термостойкость чугуна при заданных условиях эксплуатации может колебаться в весьма широких пределах и регулируется в первую очередь природой и количеством структурных составляющих, обладающих высокой стойкостью.

Такими составляющими являются карбиды. В чугуне с обычным содержанием элементов наиболее распространенным является карбид железа – цементит Fe₃C. Можно считать, что износостойкость определяется твердостью чугуна с однотипным фазовым составом и чем выше твердость, тем выше износостойкость. Следует иметь в виду, что повышение твердости, как правило, сопровождается очень резким ухудшением литейных свойств, склонности к образованию трещин, обрабатываемости резанием. Поэтому при выборе марки чугуна в каждом конкретном случае следует учитывать, наряду с механическими свойствами, конфигурацию и размер отливки. Придание конструкции заготовки технологичных литейных форм, сокращение объемов механической обработки, являются обязательным условием получения качественной отливки.

Основные структурные составляющие чугуна располагаются по возрастанию твердости и износостойкости в такой ряд: графит, феррит, перлит, аустенит, мартенсит, цементит, легированный цементит, специальные карбиды хрома, вольфрама, ванадия и др., бориды. Износостойкость находится в сложной зависимости от количественного соотношения и распределения твердой, хрупкой фазы и сравнительно мягкой, пластичной основы.

Требованиям, предъявляемым к материалу валков, отвечает чугун, имеющий в поверхностном слое отливки большое количество структурно свободной карбидной фазы (см. глава 1, белый чугун). Регулирование состояния металлической основы за счет легирования позволяет в достаточно широком интервале изменять износостойкость, термостойкость и обрабатываемость такого чугуна. Более глубокие внутренние слои могут не содержать карбиды, поэтому в отливке формируется несколько слоев, отличающихся структурой и свойствами. Таким образом, в поверхностном слое чугун содержит карбидную эвтектику, в более глубоких слоях углерод может выделяться в виде графита. Матрица может быть различной и зависит от состава чугуна, скорости охлаждения отливки и проведения термической обработки. В результате появления фаз с различными коэффициентами термического расширения в отливках возникают значительные внутренние напряжения. Для снятия напряжений и получения требуемых механических свойств литье подвергают термической обработке. При этом основное требование – отбеленная часть не должна претерпевать существенных изменений ни при термической обработке, ни в процессе эксплуатации.

Выделяют глубину чистого отбела, которая соответствует расстоянию от поверхности валка до первого серого пятна на макрошлифе – скопления зерен графитной эвтектики. Глубина переходной зоны определяется расстоянием от этого пятна до места полного исчезновения белых пятен, т.е. отдельных видимых невооруженным глазом скоплений цементитной эвтектики.

Рекомендованный химический состав чугуна для отбеленных прокатных валков приведен в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Химический состав чугуна для прокатных валков с отбеленным рабочим слоем, мас. %

Примечание. Содержание фосфора ограничено < 0,50 %; серы в не модифицированном чугуне < 0,12 %; в модифицированном < 0,02 % S.

По содержанию основного элемента – углерода чугун может быть с пониженным (2,8-3,2 %), средним (3,2 – 3,6 %) и повышенным (3,6 – 3,8 %) углеродом. С увеличением содержания углерода уменьшается глубина отбела, одновременно сокращается глубина переходной зоны. Повышенное содержание углерода увеличивает твердость, износостойкость и чистоту валков, однако в ряде случаев рекомендуется снижать углерод (валки для горячей прокатки, жестепрокатные валки, рифленые валки). Повышенное содержание углерода снижает прочность, так как при этом растет количество графита во внутренних слоях и повышенное содержание хрупкого цементита в поверхностных. Глубина отбеленного слоя на валках различных типов составляет 10 – 40 мм. Количество цементита в поверхностном слое доходит до 50 %, наиболее распространенные марки чугуна имеют 25 – 30 % карбидов. Дисперсность карбидов зависит от состава чугуна и скорости охлаждения поверхности отливки. Обычно размер карбидов 4 – 12 мкм, длина может быть в несколько раз больше. Чем выше степень дисперсности карбидов, тем выше износостойкость. Однако с ростом количества карбидов в поверхностном слое падает термостойкость валка. Твердость зависит от содержания углерода и других элементов, а также размеров заготовки (рис. 5.1). Приведены значения динамической твердости по Шору, которую часто используют при контроле качества валков. При содержании углерода более 3,8 % твердость поверхностного слоя начинает падать. Для неметаллургических валков используют аналогичные чугуны, однако содержание углерода в них поддерживают на уровне 3,4 – 3,7 %, а хром и никель ограничивают до 0,45 % и 0,5 – 0,8 %, соответственно. Недопустимо выделение графита в поверхностных слоях, так как в этом случае резко падает износостойкость и качество поверхности валка.

Рисунок 5.1 – Влияние содержания углерода на твердость рабочего слоя валков различного диаметра: 1 – 250 – 350 мм; 2 – 400 – 600 мм; 3 – свыше 600 мм.

Влияние углерода на твердость и другие свойства поверхностного слоя нельзя рассматривать без учета влияния остальных элементов.

Кремний в чугунах является наиболее сильным графитизатором после углерода. При отливке отбеленных валков и с учетом строго регламентированного содержания других элементов, содержанием кремния регулируют глубину отбеленного слоя и переходной зоны. При уменьшении содержания кремния отбел возрастает, а переходная зона распространяется на большую глубину.

Содержание марганца в отбеленных валках для холодной прокатки и дрессировки рекомендовано повышать до 3 – 4 %. При таком содержании марганца повышается твердость поверхности, после шлифовки валок приобретает зеркальную поверхность. Более высокое содержание марганца ведет к охрупчиванию рабочего слоя.

Хром, являясь сильным карбидообразующим элементом, сильно повышает глубину отбеленного слоя и повышает его твердость. При содержании хрома, указанном в табл. 5.1 (< 5 %), он растворяется в цементите, повышая его стабильность. Образуется карбид типа (Fe, Cr)₃C. С увеличением содержания хрома последовательно образуются карбиды (Cr, Fe)₇C₃, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆. Заметное влияние хром оказывает на матрицу чугуна. Хром и никель увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, особенно сильно устойчивость аустенита растет при их совместной добавке. По мере увеличения легирования хромом и никелем структура в поверхностном слое переходит последовательно в сорбитную, трооститную, мартенситно-аустенитную и промежуточную (бейнитную). При таких изменениях твердость и износостойкость валков повышается. Валки с карбидно-мартенситной структурой из легированного чугуна сохраняют вязкость и прочность при повышенных температурах. Благодаря этому из такого чугуна можно отливать валки для высокопроизводительных станов горячей прокатки.

Модифицирование чугуна повышает стойкость валков. Это связано с получением в основном сечении шаровидного графита, существенно улучшающего свойства чугуна. Валки из магниевого чугуна имеют высокую прочность и во многих случаях пригодны для замены более дорогих стальных валков обжимных и черновых клетей.

В табл. 5.2 приведены значения микротвердости некоторых фаз и структурных составляющих в белых чугунах.

Таблица 5.2 – Микротвердость карбидных фаз и структурных составляющих в белом чугуне

Несмотря на допустимое содержание серы до 0,12 %, весьма желательно ее снижать. Сера несколько повышает отбел, но резко ухудшает основные механические свойства, особенно при высоких температурах. Это в целом снижает стойкость валков (рис. 5.2). Для нейтрализации вредного влияния серы необходимо не менее 0,45 – 0,50 % Mn. При содержании марганца более 1,5 % влияние серы не выражено.

Рисунок 5.2 – Влияние серы на стойкость чугунных отбеленных валков

Литейные свойства легированных чугунов для валков хуже, чем у обычных чугунов. Жидкотекучесть хромистых чугунов почти не уступает жидкотекучести серых чугунов (230 – 450 мм), линейная усадка выше – до 1,8 – 2,0 %, и близка к усадке стали.

Оценка литейных свойств легированного чугуна по углеродному эквиваленту (1.1) затруднительна из-за заметного влияния легирующих элементов на вид диаграммы состояния, а также эффектов их совместного взаимодействия. Предполагается, что при содержании углерода менее 4 % влияние основных легирующих элементов (коэффициенты в уравнении углеродного эквивалента) не является постоянным, а зависит от содержания углерода. На основании термодинамического анализа предложен метод расчета углеродного эквивалента С_экв (5.1):

где С – содержание углерода, мас. %; Х_i – содержание легирующего элемента; В_i – коэффициенты для соответствующего элемента.

Значения коэффициентов зависят, в свою очередь, от содержания углерода и приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 – Уравнения для расчета коэффициентов B_i при содержании элементов

Используя эти данные, рассчитаем углеродный эквивалент чугуна с мартенситной структурой (табл. 5.1). Подставляя значения содержания элементов в формулу (5.1), получим:

Следовательно, данный чугун при литье ведет себя как доэвтектический и, при кристаллизации из жидкости выделяется аустенит, обеспечивая получение относительно более мягкой и менее хрупкой матрицы по сравнению с карбидами (см. табл. 5.2). Необходимо отметить, что расчет СЭКВ по формуле (1.1) дает аналогичный результат – 3,45 %. Следовательно, содержание элементов в указанном количестве мало влияет на характер кристаллизации.