عناصر آلیاژی در رول های HSS: کسر حجمی کاربید و مقاومت در برابر سایش

چرا شیمی آلیاژی عملکرد رول HSS را تعریف می کند؟

رول های فولادی با سرعت بالا (HSS) به دلیل یک مزیت اساسی: یک سیستم کاربید با مهندسی دقیق، بهتر از رول های چدن معمولی و رول های با نیکل-کروم بالا عمل می کنند. عناصر آلیاژی - کربن، وانادیم، تنگستن، مولیبدن، کروم و گاهی اوقات نیوبیم - فقط سختی را افزایش نمی دهند. آنها تعیین می کنند که کدام فازهای کاربید رسوب می کنند، آن کاربیدها چگونه توزیع می شوند و در نهایت چه مدت زمانی که رول در آسیاب زنده می ماند. دریافت شیمی درست تفاوت بین رول است که تحویل می دهد 3-5× توان فولاد در هر شیار و یکی که زود فرسوده می شود.

ما رول های فولادی پرسرعت (HSS) با ترکیبات آلیاژی دقیقاً کنترل شده برای به حداکثر رساندن کسر حجمی کاربید و در عین حال حفظ چقرمگی مورد نیاز برای برنامه‌های نورد سخت مهندسی شده‌اند.

چهار نوع کاربید و سلسله مراتب سختی آنها

در ریزساختارهای رول HSS، چهار فاز کاربید کار را انجام می دهند. مقادیر سختی آنها، که در مقیاس ویکرز اندازه‌گیری می‌شود، یک نظم نوک زدن واضح برای مقاومت در برابر سایش را تعیین می‌کند:

کاربیدهای MC - عمدتاً VC - سخت ترین فاز و موثرترین در مقاومت در برابر سایش ساینده هستند. کاربیدهای یوتکتیک M7C3 و M2C، زمانی که به خوبی پراکنده و به هم متصل نباشند، هر دو در برابر انتشار ترک مقاومت می کنند. کسر حجمی کل کاربید در یک گرید HSS که به خوبی طراحی شده است معمولاً به حدود می رسد 15% ، در مقایسه با سطوح بسیار پایین تر در مواد رول معمولی.

عنصر به عنصر: آنچه که هر افزودنی آلیاژی انجام می دهد

کربن (C): 1.50-2.20٪

کربن پایه تشکیل کاربید است. محتوای کربن بالاتر به طور مستقیم کسر حجمی و سختی کاربید را افزایش می دهد. در سطوح مورد استفاده در رول های HSS (1.50-2.20%)، کربن امکان رسوب همزمان فازهای MC، M2C و M7C3 را فراهم می کند. در زیر این محدوده، چگالی کاربید کافی نیست. در بالای آن، شکنندگی به شدت افزایش می یابد. ترکیب ماتریس و پاسخ عملیات حرارتی نیز وابسته به کربن هستند، با سختی بهینه معمولاً حدود 1.0٪ کربن محلول در آستنیت قبل از خاموش کردن به دست می‌آید.

وانادیوم (V): 2.00-9.00٪

وانادیوم مهمترین عنصر برای مقاومت در برابر سایش است. این کاربیدهای نوع MC (عمدتاً VC) را با سختی تقریباً HV 3000 تشکیل می دهد - سخت تر از هر فاز کاربید دیگری در HSS. این ذرات MC ریز و پیش یوتکتیک به طور یکنواخت توزیع شده اند و شبکه های پیوسته ای را تشکیل نمی دهند که چقرمگی را قابل قبول نگه می دارد. تحقیقات تأیید می‌کند که نمونه‌هایی که عمدتاً حاوی کاربیدهای MC هستند مقاومت سایشی قابل مقایسه یا بهتری نسبت به نمونه‌هایی با ساختارهای مخلوط MC M2C نشان می‌دهند و بهینه‌سازی وانادیوم را در طراحی آلیاژ رول محوری می‌سازد. محتوای وانادیوم توصیه شده برای برنامه های رول 5-6٪ است.

مولیبدن (Mo): 2.00-8.00٪

مولیبدن عملکرد دوگانه ای دارد. اول، تشکیل کاربید M2C و M6C را ترویج می کند و به کسر حجمی کل کاربید می افزاید. دوم، و مهمتر از همه، غنی سازی مولیبدن در ذرات کاربید حساسیت ترک خوردگی آنها را تحت بارگذاری سرویس کاهش می دهد - مکانیزمی که به طور مستقیم عمر کمپین رول را افزایش می دهد. این اثر سفت کننده زمانی به اوج خود می رسد که مولیبدن در محدوده 4 تا 8 درصد نگه داشته شود. فراتر از آن پنجره، مورفولوژی های کاربید درشت تری می توانند تشکیل شوند. محتوای توصیه شده برای آلیاژهای رول 3-4٪ است.

تنگستن (W): 0-8.00٪

تنگستن به سختی قرمز کمک می کند - حفظ سختی در دمای نورد بالا - و در تشکیل کاربید M2C و M6C در کنار مولیبدن شرکت می کند. تنگستن و مولیبدن تا حدی قابل تعویض هستند: مولیبدن می تواند تقریباً نیم درصد وزنی را جایگزین تنگستن کند. در ترکیب‌های رول HSS مدرن، مولیبدن اغلب به دلیل کنترل مورفولوژی کاربید مطلوب‌تر، اولویت دارد و از تنگستن به عنوان مکمل استفاده می‌شود.

کروم (Cr): 3.00-8.00٪

کروم سختی پذیری، مقاومت در برابر اکسیداسیون، و پاسخ تلطیف را بهبود می بخشد. این ماده اصلی کاربیدهای M7C3 (HV ~ 2500) است که به طور معناداری به مقاومت در برابر سایش کمک می کند و وقتی به خوبی پراکنده می شود، مانع از انتشار ترک می شود. کروم همچنین آستنیت را در طی عملیات حرارتی تثبیت می کند. محتوای بهینه برای رول ها 5-7٪ است، تشکیل کاربید را در برابر خطر شبکه های بزرگ کاربید کروم به هم پیوسته متعادل می کند که باعث کاهش چقرمگی می شود. محتوای توصیه شده 5-7٪ است.

نیوبیم (Nb)

هنگامی که نیوبیم اضافه می شود، NbC را تشکیل می دهد - یک کاربید از نوع MC شبیه به VC اما با پایداری نقطه ذوب کمی بالاتر. این توزیع کلی کاربید را اصلاح می کند و می تواند تا حدی جایگزین وانادیوم شود. استفاده از آن در رول های HSS به جای در مقیاس بزرگ، هدفمند است، اما پیشرفت های قابل اندازه گیری در یکنواختی پراکندگی کاربید فراهم می کند.

کسر حجمی کاربید: هدف بهینه سازی

کسر حجمی کاربید (CVF) به سادگی «بیشتر، بهتر» نیست. CVF بیش از حد بالا - به ویژه اگر از طریق کاربیدهای یوتکتیک درشت و به هم پیوسته حاصل شود - چقرمگی را کاهش می دهد و پوسته شدن را در چرخه حرارتی تسریع می کند. هدف یک CVF کنترل شده تقریباً است 15% در نمرات استاندارد HSS ، متشکل از ذرات MC ریز و گسسته و کاربیدهای یوتکتیک M2C و M7C3 به خوبی پراکنده و غیر مرتبط.

اهداف ریزساختاری کلیدی برای حداکثر مقاومت در برابر سایش با چقرمگی کافی عبارتند از:

• کاربیدهای ریز، پیش یوتکتیک MC (VC) به طور یکنواخت در ماتریس توزیع می شوند
• کاربیدهای یوتکتیک (M2C M7C3) تصفیه شده و در مرزهای دانه پراکنده شده، بدون تشکیل شبکه
• ماتریس مارتنزیت و بینیت تمپر شده پایه چقرمگی را فراهم می کند
• کسر حجمی کل کاربید در محدوده 12-18٪ بسته به پایه کاربرد

افزایش محتوای کربن و کروم به تنهایی CVF را افزایش می‌دهد اما به طور خطی کاهش سایش را بهبود نمی‌بخشد—کاربیدهای درشت تحت تنش سرویس ترک می‌خورند. افزودن کنترل شده مولیبدن چیزی است که حجم کاربید را با جلوگیری از شکستگی کاربید به عملکرد سایش واقعی تبدیل می کند.

مرجع ترکیب: HSS در مقابل S-HSS

موقعیت های مختلف نورد نیاز به تعادل های آلیاژی متفاوتی دارند. پایه های تکمیلی حداکثر سختی و مقاومت در برابر سایش را می طلبند. پایه های زبر نیاز به چقرمگی بیشتری دارند. جدول زیر پنجره های ترکیبی مورد استفاده برای رول های استاندارد HSS و فولاد نیمه سرعت بالا (S-HSS) را خلاصه می کند:

گریدهای HSS دارای وانادیوم و کربن بالاتری برای به حداکثر رساندن چگالی کاربید MC برای کاربردهای تکمیلی هستند. درجات S-HSS این عناصر را تعدیل می کنند تا مقاومت در برابر خستگی حرارتی را برای کاربردهای رول کاری در آسیاب های نوار داغ اولویت بندی کنند. هر دو در ما موجود است رول فولادی ریخته گری محدوده، مهندسی شده به برنامه نورد خاص و موقعیت ایستاده.

تأثیر عملی: آنچه شیمی بهینه ارائه می دهد

هنگامی که ترکیب آلیاژ و کسر حجمی کاربید به درستی بهینه شوند، نتایج عملیاتی قابل اندازه گیری هستند. رول های HSS به دست می آورند 3-5× توان عملیاتی فولاد بالاتر در هر شیار در مقایسه با رول های چدنی، و طول عمر کل آن حداقل 4× بیشتر است. پروفیل های پاس برای کمپین های طولانی پایدار می مانند، زیرا سطح کاربید MC با سختی بالا در برابر سایش شیار مقاومت می کند و دقت ابعاد محصول را بدون سنگ زنی مجدد مکرر حفظ می کند. مقاومت در برابر خستگی حرارتی حفظ می‌شود، زیرا معماری کاربید غیر متصل به هم، شروع و انتشار ترک را تحت گرمایش چرخه‌ای و خاموش کردن ناحیه تماس غلتشی محدود می‌کند.

این افزایش عملکرد مستقیماً به تغییرات کمتر رول، کاهش زمان خرابی و کاهش هزینه‌های نورد به ازای هر تن ترجمه می‌شود - به همین دلیل است که رول‌های HSS که به درستی مشخص شده‌اند، ماده انتخابی برای میله‌ها، میله‌های سیم و قطعات فولادی در سراسر جهان هستند.