I rulli in acciaio rapido (HSS) superano le prestazioni dei rulli convenzionali in ghisa e ad alto contenuto di nichel-cromo grazie a un vantaggio fondamentale: un sistema di carburo accuratamente progettato. Gli elementi di lega – carbonio, vanadio, tungsteno, molibdeno, cromo e occasionalmente niobio – non si limitano ad aumentare la durezza. Determinano quali fasi di carburo precipitano, come vengono distribuiti tali carburi e, in definitiva, per quanto tempo il cilindro sopravvive nel mulino. Ottenere la giusta chimica è la differenza tra un rotolo che offre risultati 3–5 volte la produttività dell'acciaio per scanalatura e uno che si consuma prematuramente.
Il nostro Rulli in acciaio ad alta velocità (HSS) sono progettati con composizioni di leghe controllate con precisione per massimizzare la frazione volumetrica del carburo preservando al contempo la tenacità necessaria per programmi di laminazione impegnativi.
Nelle microstrutture dei rulli HSS, quattro fasi di metallo duro svolgono il lavoro pesante. I loro valori di durezza, misurati sulla scala Vickers, stabiliscono un chiaro ordine gerarchico per la resistenza all'usura:
| Tipo di carburo | Elementi formanti primari | Durezza (HV) | Ruolo chiave |
|---|---|---|---|
| MC | V, Nb (VC, NbC) | ~3000 | Resistenza primaria all'usura |
| M7C3 | Cr | ~2500 | Carburo eutettico, tenacità all'usura |
| M2C | Mo, W | ~2000 | Carburo eutettico, resistenza alla rottura |
| M6C | Mo, W, Fe | ~1500–1800 | Rafforzamento della matrice |
I carburi MC, prevalentemente VC, sono la fase più dura e la più efficace nel resistere all'usura abrasiva. I carburi eutettici M7C3 e M2C, quando ben dispersi e non interconnessi, resistono entrambi alla propagazione delle cricche. La frazione volumetrica totale del carburo in una qualità HSS ben progettata raggiunge generalmente circa 15% , rispetto ai livelli molto più bassi dei materiali in rotolo convenzionali.
Il carbonio è il fondamento della formazione del carburo. Un contenuto di carbonio più elevato aumenta direttamente la frazione volumetrica del carburo e la temprabilità. Ai livelli utilizzati nei rulli HSS (1,50–2,20%), il carbonio consente la coprecipitazione delle fasi MC, M2C e M7C3. Al di sotto di questo intervallo, la densità del carburo è insufficiente; al di sopra di esso, la fragilità aumenta notevolmente. Anche la composizione della matrice e la risposta al trattamento termico dipendono dal carbonio, con una durezza ottimale generalmente raggiunta attorno all’1,0% di carbonio disciolto nell’austenite prima della tempra.
Il vanadio è l'elemento più importante per la resistenza all'usura. Forma carburi di tipo MC (principalmente VC) con una durezza di circa HV 3000, più dura di qualsiasi altra fase di carburo in HSS. Queste particelle MC fini e pre-eutettiche sono distribuite uniformemente e non formano reti continue, il che mantiene la tenacità accettabile. La ricerca conferma che i campioni contenenti prevalentemente carburi MC mostrano una resistenza all'usura abrasiva paragonabile o migliore rispetto a quelli con strutture miste MC M2C, rendendo l'ottimizzazione del vanadio fondamentale per la progettazione delle leghe per laminazione. Il contenuto di vanadio consigliato per le applicazioni su rullo è del 5–6%.
Il molibdeno svolge una duplice funzione. Innanzitutto, promuove la formazione di carburo M2C e M6C, aumentando la frazione volumetrica totale del carburo. In secondo luogo, aspetto fondamentale, l'arricchimento di molibdeno all'interno delle particelle di carburo riduce la loro suscettibilità alla fessurazione sotto carico di servizio, un meccanismo che estende direttamente la durata della campagna dei rulli. Questo effetto di indurimento raggiunge il picco quando il molibdeno viene mantenuto nell'intervallo del 4–8%. Oltre questa finestra si possono formare morfologie di carburo più grossolane. Il contenuto consigliato per le leghe per rulli è del 3–4%.
Il tungsteno contribuisce alla durezza rossa (il mantenimento della durezza a temperature di laminazione elevate) e partecipa alla formazione di carburi M2C e M6C insieme al molibdeno. Il tungsteno e il molibdeno sono parzialmente intercambiabili: il molibdeno può sostituire il tungsteno a circa la metà della percentuale in peso. Nelle moderne composizioni di rulli HSS, il molibdeno spesso ha la precedenza grazie al suo controllo più favorevole della morfologia del carburo, con il tungsteno utilizzato come aggiunta complementare.
Il cromo migliora la temprabilità, la resistenza all'ossidazione e la risposta al rinvenimento. È il principale formatore dei carburi M7C3 (HV ~2500), che contribuiscono in modo significativo alla resistenza all'usura e, quando ben dispersi, ostacolano la propagazione delle cricche. Il cromo stabilizza anche l'austenite durante il trattamento termico. Il contenuto ottimale per i rulli è del 5–7%, bilanciando la formazione di carburo con il rischio di reti di carburo di cromo ampie e interconnesse che ridurrebbero la tenacità. Il contenuto consigliato è del 5–7%.
Il niobio, quando aggiunto, forma NbC, un carburo di tipo MC simile al VC ma con stabilità del punto di fusione leggermente superiore. Affina la distribuzione complessiva del carburo e può sostituire parzialmente il vanadio. Il suo utilizzo nei rulli HSS è mirato piuttosto che su larga scala, ma fornisce miglioramenti misurabili nell’uniformità della dispersione del carburo.
La frazione volumetrica del carburo (CVF) non significa semplicemente "più è meglio". Un CVF eccessivamente elevato, in particolare se ottenuto tramite carburi eutettici grossolani e interconnessi, degrada la tenacità e accelera la scheggiatura sotto il ciclo termico. L'obiettivo è un CVF controllato di circa 15% nelle qualità HSS standard , composto da particelle MC fini e discrete e carburi eutettici M2C e M7C3 ben dispersi e non interconnessi.
Gli obiettivi microstrutturali chiave per la massima resistenza all’usura con adeguata tenacità sono:
Il solo aumento del contenuto di carbonio e cromo aumenta il CVF ma non migliora linearmente la perdita per usura: i carburi grossolani si rompono sotto stress di servizio. L'aggiunta controllata di molibdeno è ciò che traduce il volume del carburo in prestazioni di usura effettive prevenendo la frattura del carburo.
Diverse posizioni di laminazione richiedono diversi equilibri di leghe. I supporti di finitura richiedono la massima durezza e resistenza all'usura; i supporti di sgrossatura necessitano di maggiore tenacità. La tabella seguente riassume le finestre di composizione utilizzate per i rulli HSS standard e in acciaio semi-alto rapido (S-HSS):
| Grado | %C | Cr% | Mo% | V% | W% | Durezza (HSD) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HSS | 1.50–2.20 | 3:00–8:00 | 2:00–8:00 | 2:00–9:00 | 0–8.00 | 75–95 |
| S-HSS | 0,60–1,20 | 15:00–9:00 | 2:00–5:00 | 0,40–3,00 | 0–3:00 | 75–98 |
Le qualità HSS contengono più vanadio e carbonio per massimizzare la densità del carburo MC per le applicazioni di finitura. Le qualità S-HSS moderano questi elementi per dare priorità alla resistenza alla fatica termica per le applicazioni con cilindri di lavoro negli laminatoi a caldo. Entrambi sono disponibili nel ns Rullo in acciaio fuso gamma, progettata in base al programma di rotazione specifico e alla posizione dello stand.
Quando la composizione della lega e la frazione volumetrica del carburo sono ottimizzate correttamente, i risultati operativi sono misurabili. I rulli HSS raggiungono Produttività di acciaio per scanalatura 3–5 volte maggiore rispetto ai rulli in ghisa e una durata utile totale almeno 4 volte più lunga. I profili di passata rimangono stabili per campagne prolungate perché la superficie in carburo MC ad alta durezza resiste all'usura della scanalatura, mantenendo la precisione dimensionale del prodotto senza frequenti riaffilature. La resistenza alla fatica termica viene preservata perché l'architettura del carburo non interconnesso limita l'inizio e la propagazione delle cricche in caso di riscaldamento e raffreddamento ciclico della zona di contatto volvente.
Questi miglioramenti delle prestazioni si traducono direttamente in meno cambi di rulli, tempi di inattività ridotti e costi di laminazione per tonnellata inferiori: ecco perché i rulli HSS correttamente specificati rimangono il materiale di scelta per i supporti di finitura di barre, vergelle e profilati di acciaio in tutto il mondo.
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