Использование перспективных высоколегированных быстрорежущих сталей для прокатных валков

Среди перспективных материалов все большее внимание исследователей и производственников привлекают новые быстрорежущие стали. С металлургической и металловедческой точки зрения их зачастую следует относить к высоколегированным белым чугунам, та как содержание углерода в них достигает 2,5 %, а суммарное количество вводимых легирующих элементов – от 15 до 50 %. Тем не менее, можно отметить, что при суммарном содержании углерода и карбидообразующих элементов до 15 %, стали относят к инструментальным; при суммарном содержании углерода, хрома, вольфрама, молибдена и ниобия более 15 % – к быстрорежущим.

Наиболее активно эти материалы рекламирует компания “Nippon Steel” (Япония). В странах СНГ центробежнолитые двухслойные валки с рабочим слоем из быстрорежущих сталей в основном пропагандирует фирма “Гонтерманн – Пайперс ”(Германия).

Отмечается, что быстрорежущая сталь отличается высокой красностойкостью или устойчивостью термически обработанной стали против ее смягчения при повышенных температурах. Принято считать, что максимальная твердость при отпуске зависит в основном от интенсивности выделения упрочняющих фаз и их структуры, а красностойкость – от склонности фаз – упрочнителей к коагуляции. Прочность и твердость после термической обработки и при нагреве зависят также от природы и структуры матрицы упрочняемых материалов.

У углеродистой инструментальной стали имеющей при обычной температуре ту же твердость, что и у быстрорежущей, она быстро снижается при нагреве выше 200°С; у быстрорежущей – выше 500–600°С. В углеродистой стали для развития процесса коагуляции карбида железа достаточно диффузии углерода, что происходит сравнительно легко. При введении в сталь легирующих элементов, обладающих большим сродством к углероду, чем железо, образуются специальные карбиды, в процессе коагуляции которых диффундирует не только углерод, но и легирующие элементы. Этот процесс совершается с очень большим трудом и при более высоких температурах.

Для валков горячей прокатки большое значение имеет стойкость против изнашивания и термической усталости. Данные, полученные путем моделирования процесса прокатки на специальных установках или при непосредственном замере износа валков после эксплуатации, позволяют утверждать, что новые стали обеспечивают снижение износа при трении в 3–5 раз по сравнению с наиболее применяемыми хромоникелевыми и хромистыми чугунами.

Увеличение износостойкости объясняется тем, что благодаря комплексному легированию и высокому содержанию углерода после термической обработки (отжиг, закалка и отпуск) удается сформировать оптимальную микроструктуру стали: высокотвердую мартенситную матрицу с мелким зерном, в которой распределено до 20–30 % дисперсных эвтектических (первичных) и вторичных (образующихся после отпуска) карбидов. При чем главную роль в повышении износостойкости играют карбиды типа МС, содержащие более 50 %V, твердость которых составляет 3000НV по сравнению с карбидами М₆С (2000 НV), М₇С₃ (2500 НV), также присутствующими в структуре стали.

Подход к повышению стойкости быстрорежущих сталей путем формирования в их структуре высокотвердых частиц VС известен давно. По этому принципу создан ряд так называемых высокованадиевых быстрорежущих сталей. Но, к сожалению, они не получили широкого распространения в связи с плохой шлифуемостью. Новые валковые быстрорежущие стали имеют шлифуемость хуже на 20–50 % по сравнению с хромоникелевыми чугунами.

При проведении испытаний сталей в условиях близких к эксплуатации валковой арматуры быстроходных проволочных станов (нагрев до 300°С), в том числе ледебуритных (типа 250Х24В3), карбидных (150Х4В6М4Ф5К5), мартенситных (50Х8С2М3Б6Ф4Т), графитизирующих и аустенитных сталей и сплавов. Было установлено, что применение сложнолегированных сталей карбидного класса (аналог новых быстрорежущих сталей) нецелесообразно по сравнению с высоколегированными высокохромистыми сталями и сплавами ледебуритного класса, обладающими большей или равной износостойкостью. Этот вывод интересен, учитывая, что у быстрорежущих сталей “горячая” твердость, определяющая стойкость материала против изнашивания при повышенных температурах, значительно больше, чем у хромоникелевых и хромистых чугунов. Причем это отличие особенно заметно при относительно низких температурах, а с ~ 600°С она отличается незначительно.

Одним из условий успешной работы валков из новых быстрорежущих сталей высокой теплостойкости является нагрев их рабочей поверхности не выше 65°С, что достигается оптимизацией системы охлаждения валков и полосы на входе в очаг деформации.

Существуют исследования, которые показывают, что наплавленный металл, обладающий высокой теплостойкостью (с большим содержанием углерода, вольфрама, хрома и других легирующих элементов), как правило, имеет сравнительно низкие значения термической стойкости. Например, промышленные испытания наплавленных быстрорежущей сталью валков дали отрицательные результаты. Низкая термическая стойкость наплавленного металла в условиях горячей прокатки, когда особенно выражены циклические термические нагрузки, нивелируют высокую теплостойкость рабочего слоя. Для таких условий эксплуатации рекомендуется выбирать материалы с учетом комплексной оценки их теплостойкости, термической стойкости, ударной вязкости и “горячей” твердости.

Для новых типов валковых быстрорежущих сталей установлена следующая закономерность: при уменьшении количества карбидов и увеличении их дисперсности стойкость против возникновения термических трещин возрастает, поэтому количество карбидной фазы в структуре стали следует ограничивать 20–30 %. Характерной особенностью разрушения литых сталей такого класса являются слабо выраженные признаки пластической деформации на поверхности изломов, что связано с наличием на границах зерен твердого раствора эвтектических карбидов, являющихся сильными концентраторами напряжений. Большинство свойств быстрорежущих сталей лучше, чем у чугуна, однако оп сравнению со сталью Р6М5 они имеют худшие показатели прочности (особенно при изгибе) ударной вязкости и твердости. Если сравнивать значения ударной вязкости со стойкостью против возникновения трещин термической усталости, то новые стали окажутся менее термостойкими или примерно одинаковыми.

Даже сталь Р6М5 в литом состоянии в условии циклических нагрузок применяется довольно редко из-за относительно высокой хрупкости по причине структурной неоднородности, и, прежде всего грубой структурной сетки эвтектических и вторичных карбидов по границам зерен. Впервые биметаллические валки, полученные методом СРС с рабочим слоем из быстрорежущей стали были предложены для эксплуатации в чистовых клетях станов горячей прокатки 1987 г. Эти валки показали прекрасные результаты: стойкость в 3–4 раза выше, а чистота рабочей поверхности валка после эксплуатации почти на треть лучше по сравнению с обычно применяемыми.

Далее были предложены отливка валков большого диаметра в моноблочном исполнении, электрошлаковая наплавка трубчатым электродом и центробежная отливка. Практически вся информация об эксплуатационных характеристиках валков положительная, хотя повышение стойкости наблюдается в более широком интервале: от 1,2–2,3 до 3–4 раз.

Однако новые валки эксплуатируют лишь в первых чистовых клетях станов горячей прокатки в основном из-за высокой стоимости. Эксплуатационные свойства этих сталей улучшаются за счет большего легирования, например, кобальтом, и увеличение основных карбидообразующих металлов (стали с 15 % Мо).

Большое значение приобретает также качество изготовления. Валки, полученные методом СРС, имеют большую износостойкость и лучшее качество рабочей поверхности, чем литые. При наличии дефектов в зоне сплавления основного и рабочего слоев валки склонны к поломкам под воздействием нагрузок при прокатке.

Валки данного типа вообще плохо сопротивляются механическим нагрузкам, особенно ударным. По этой причине их нельзя использовать в последних клетях чистовой группы широкополосных станов, в которых часто наблюдаются удары хвостовыми частями прокатываемых полос, а также при прокатке аустенитных сталей, требующих больших обжатий по сравнению с углеродистыми и ферритными. Кроме того, опыт эксплуатации показал, что большая часть (~ 39 %) быстрорежущих валков отбраковывается в процессе механической обработки.

Ранее отмечалось, что новые валки хорошо сопротивляются изнашиванию лишь при более интенсивном их охлаждении. Это сокращает время формирования оксидной пленки с повышенным содержанием хрупких составляющих, которая при эксплуатации разрушается, превращаясь в дополнительный абразивный материал, но при этом ухудшается качество рабочей поверхности валка. Установлено, что если причиной возникновения является разгар, то глубина их проникновения в рабочий слой примерно в 2 раза больше по сравнению с валками другого типа. Практически во всех работах отмечается ухудшение шлифуемости новых сталей. Это требует разработки и использования шлифовальных кругов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Опыт эксплуатации новых валков показал, что необходима оптимизация технологии прокатки и повышение жесткости клетей, иначе могут наблюдаться уменьшение захватывающей способности валков и вибрация, ухудшающая качество поверхности листа.

Новые валки требуют специального профилирования поверхности для сохранения при прокатке необходимых размеров листа. Кроме того, для каждого валка рекомендуется уточнять, как изменяется коэффициент трения. В случае его увеличения вследствие увеличения износа матрицы и появления на поверхности высокотвердых карбидов растут нагрузки, что может стать причиной поломок валков.

Таким образом, результаты исследований быстрорежущих сталей и опыт эксплуатации валков из них показывают, что сталь обладает повышенной износостойкостью. Особенно это преимущество проявляется при малом нагреве рабочей поверхности валка, отсутствии ударов и исключении или уменьшении циклического термосилового воздействия.

Известно, что улучшить структуру и свойства инструментальных сталей можно не только путем легирования стали, но и с помощью технологических приемов: модифицирование, ускоренного охлаждения расплава на стадии первичной кристаллизации, электрошлакового переплава с использованием электромагнитного поля.

Другим направлением увеличения работоспособности прокатных валков может стать использование низколегированных быстрорежущих сталей, свойства которых, соответствуют применяемым сталям нормальной производительности. Попытки создания таких сталей относят еще к 40-м годам, но, к сожалению, большинство из них имело недостаточную твердость и теплостойкость, склонность к разнозернистости и неудовлетворительную шлифуемость.

Прорывом можно считать работы по созданию стали 11М5Ф (ЭП980) и ее модификаций. Суть этих работ заключается в переходе от быстрорежущих сталей ледебуритного класса к заэвтектоидному, в которых стабильная эвтектика не присутствует. При этом разработчики исходили из того, что в обычных сталях типа Р6М5, Р18 и других половина карбидов М₆С является эвтектической. При нагреве таких сталей до температуры закалки в аустените растворяются все вторичные карбиды, а эвтектические не растворяются, сдерживая тем самым рост зерна аустенита. Таким образом в этих сталях только половина количества вольфрама и молибдена используется для достижения высокого уровня вторичной твердости и теплостойкости. Другая половина этих элементов позволяет сохранить в сталях мелкозернистость, а, следовательно, удовлетворительную прочность и вязкость.

В предложенных сталях все карбиды образуются при выплавке и являются вторичными, которые легко растворимы в аустените при нагреве инструмента до температуры закалки. Отсутствие нерастворимых эвтектических карбидов, сдерживающих рост зерна аустенита, компенсируется пониженной температурой закалки по сравнению с известными сталями.

Структура литой стали 11М5Ф по сравнению со сталями ледебуритного класса характеризуется несопоставимо меньшим количеством эвтектических карбидов, высокой степенью их дисперсности и отсутствием развитой карбидной сетки по границам зерен. Как следствие после окончательной термической обработки сталь обладает высокими значениями прочности на изгиб и особенно ударной вязкости.

Конечно, отсутствие большого количества высокотвердых карбидов ванадия (в стали 11М5Ф их объемная доля после закалки составляет 1,8 %) может сказаться на износостойкости. Но, как отмечалось, валки из новых быстрорежущих сталей чаще выходят из строя из-за сколов и трещин, а эти дефекты связаны с наличием большого количества карбидов. Следует отметить, что разработанная заэвтектоидная сталь показала преимущества при эксплуатации инструмента холодной штамповки и теплого деформирования.