Стали для валков холодной прокатки

Прокатные валки станов холодной прокатки работают в весьма тяжелых условиях под влиянием значительных статических и динамических нагрузок и должны обладать высокой прочностью, твердостью поверхностного слоя, высоким сопротивлением износу, выносливостью, достаточной вязкостью, высокой прокаливаемостью, хорошей полируемостью. В процессе работы валки подвергаются действию высоких удельных давление и значительных контактных напряжений. Многократное приложение меняющихся по знаку и величине напряжение приводит к накоплению в поверхностной зоне валка дефектов усталостного характера и образование отслоений.

Существуют: литые, цельнокатаные, ковано-литые, бандажированные валки холодной прокатки.

Стойкость валков определяется рядом факторов, связанных с технологией изготовления и условиями эксплуатации. К первой группе факторов следует отнести химический состав и механические свойства валков, технологию выплавки стали, ковки, термической и механической обработки. Ко второй группе факторов относятся режимы обжатия, скорость прокатки, давление металла на валки, натяжение полосы, условия охлаждение и температурное поле валков, механические свойства прокатываемого металла и др. Таким образом, материал валков холодной прокатки должен характеризоваться:

· высокой и равномерной твердостью поверхности после закалки, чтобы обеспечить высокое качество прокатываемого листа (твердость поверхности бочки опорных валков должна быть несколько ниже бочки рабочих валков);

· высокой прокаливаемостью, необходимой для получения определенной глубины закаленного слоя (активного слоя и переходной зоны). Активный слой должен быть не менее 8 мм для валков диаметром бочки до 250 мм и менее 10 мм при диаметре бочки свыше 250мм. При наличии такого слоя высокой твердости исключается возможность продавливание поверхности бочки при перегрузках. Переходная зона уменьшает развитие усталостных трещин на границе активного слоя и центральных слоев;

· высокой износостойкостью рабочего слоя;

· высокой теплостойкостью (до 350–400ºС) при общем и локальном разогреве. Обычно это определяется высокой стабильностью остаточного аустенита в структуре. При его распаде возможно образование микродефектов и, как следствие, снижение износостойкости рабочего слоя;

· высокой контактной прочностью рабочего слоя, стойкостью против образования поверхностных дефектов – трещин, отслоений и т. д.;

· высоким качеством поверхности;

· отсутствием флокенов, грубых скоплений карбидов, карбидной сетки, крупноигольчатого мартенсита и других дефектов макро- и микроструктуры.

Исходя из перечисленных требований, для изготовления рабочих и опорных валков холодной прокатки применяют высококачественные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей. Для валковой стали должно быть минимальное количество неметаллических включение, отсутствие усадочной рыхлости, осевой и вне центровой пористости, минимальное содержание газов, особенно водорода, мелкое зерно и т.д.

Для изготовления валков на заводах наиболее широко используются пять марок высокоуглеродистых сталей: 9Х1, 90ХФ, 9Х2, 9Х2МФ, 9ХСВФ. Сталь 9Х1 применяют для изготовление валков с диаметром бочки менее 400 мм, стали, легированные ванадием, вольфрамом, молибденом, кремнием, применяют для изготовления валков с диаметром бочки 400 мм и более. Указанные стали заэвтектоидные. После закалки и низкого отпуска они получают структуру мелкоигольчатого мартенсита с избыточными равномерно распределенными карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита. Эта структура имеет высокую твердость.

Используют так же стали с пониженным содержанием углерода: 60ХСМФ, 60Х2СМФ, 7Х2СМФ, 7Х2СВФ, 75ХСМФ. Для изготовления рабочих валков используется сталь ледебуритного класса Х9ВМФШ, а также сталь карбидного класса 6ХМ1Ф. Широко применяются для изготовления валков для холодной прокатки сталь с пониженным содержанием углерода 7ХМФ.

Значительный процент повреждений рабочих валков (в среднем около 40-50%) и в очень многих случаях преждевременный выход их из строя объясняются недо­брокачественностью изготовления валков.

а) Литье валков . В области составления шихты ряд американских и ан­глийских фирм имеет тенденцию к применению наименьшего количества компонен­тов, максимально однородных и по химическому составу (в особенности по содер­жанию кремния) и по физическим свойствам.

Английские фирмы составляют шихту для валков из 25-30% «переплава», соот­ветствующего по химическому составу изготовляемым валкам с поправкой на угар, 40-50% валковой ломи и 20-35% подшихтовочных материалов (шведский древесноугольный чугун, или чугун «холодного дутья»).

Ряд американских и английских фирм и широко применяет раскис­ление и дегазификацию расплавленного металла (в ковше), используя в качестве раскислителя ферро-карботитан и ферро-кремнетитан. Первый из них, содержащий около 15-18% Тi имеет высокую точку плавления (1400°) и трудно растворяется в основной массе, второй имеет точку плавления значительно более низкую (1200°) и поэтому дает лучшие результаты. На основе ряда исследований, произведенных в СССР, считают , что значительно целесообразнее вводить титан и алюминий в состав чушковых доменных чугунов.

Формовочные материалы должны обладать высокими физическими свойствами в отношении огнестойкости, газонепроницаемости и связывающей способности.

Отливка валков прокатных станов производится в опоках, кокилях, а также в сборных кокилях. В последнем случае шейки и трефы валков предварительно формуются в опоках, формы просушиваются, затем для бочки валка устанавливается кокиль.

Мягкие валки из серого чугуна отливаются в глиняных опоках, стальные-в специальных опоках, имеющих для бочки песчаную форму с холодильниками (фиг. 187, а).

Чугунные валки большой твердости с отбеленной поверхностью бочки отлива­ются в металлических кокилях без футеровки, тогда как кокили для полутвердых валков обмазываются внутри глиной, что противодействует резкой отбелке чугуна. Шейки и трефы валков отливаются в глиняных формах.

При производстве двухслойных чугунных валков (шведский способ) формовка производится как обычно, но только диаметр литника делается больше на 25-30%, причем для спуска промытого металла на верхней прибыли устанавливается спуск­ной жолоб (фиг. 187, б). Отливка ведется в кокилях обычной формы и размеров. Количество серого чугуна, потребного для промывки, зависит от химического состава белого и серого чугунов, веса и назначения валков. На европейских заводах оно достигает 25% от общего веса валка, на Надеждинском заводе - 40% и даже больше.

Сборные кокили устраиваются с прорезями для свободного выхода газов и для ослабления деформаций, возникающих под влиянием термических ударов, или с го­фрированной, волнообразной поверхностью, обеспечивающей меньшую овальность закаленного слоя после обработки поверхности валка на токарных станках.

На фиг. 188, а, б, в изображено кольцо сборного кокиля Никольса.

Гладкие и калиброванные закаленные и даже полутвердые валки отливаются теперь с готовыми трефами, формовка которых осуществляется по моделям в пес­чаных формах в одной опоке с шейками.

Калиброванные валки отливаются с уплотненными ручьями, для чего в отдельные участки формы чугунных кокилей помещаются холодильники.

Литниковые лейки применяются с вертикальной стенкой и квадратным сечением воронки, что способ­ствует спокойной заливке металла (патент Даниэльса) (фиг. 189, а, б).

Некоторые английские фирмы (Акрилл и др.) опоки для полутвердых валков и кокили для закаленных по­догревают перед заливкой до температуры 250 - 400° в зависимости от диаметра, химического состава и тре­буемых механических свойств валков.

Широко распространилась отливка калиброванных (фиг. 190, а) и комбинированных (фиг. 190, б) валков для сортовых и рельсобалочных станов ввиду зна­чительного экономического преимущества их перед глад­кими отливками, которые при вырезке калибров зна­чительно ослабляются.

б) Термическая обработка имеет целью уничтожение литейной неоднородности, перевод всей ме­таллической массы в твердый раствор, получение по­требной структуры и необходимой твердости, уменьше­ние внутренних напряжений.

Известная английская фирма «Брайтсайд Чиллед Грейн и Элоу Ролле» для валков со стальной основой применяет двойную или при высококачественных вал­ках даже тройную термическую обработку.

1. Первый нагрев до температуры выше верхней критической точки Асз - 50° со скоростью 15-20°/час и выдержкой при этой температуре (час на каждые 25 мм диаметра) с последующим охлаждением на воз­духе (без сквозняков) до температуры 300°.

2. Второй нагрев с 300° до температуры, близкой к нижней критической точке, с выдержкой в течение не­скольку часов для облегчения перлитного превращения.

Фиг. 187. Способы отливки валков: а - отливка сталь­ных валков по способу «Юнай­тед»; б - отливка чугунных (двухслойных) валков «швед­ским» способом

Фиг. 188. Устройство кольца сборного кокиля Никольса: а - вид сверху; б- разрез по АВ; в - разрез, показывающий углубление формы для местной закалки

3. Третий нагрев производится до температур кри­тического интервала (в зависимости от желаемой струк­туры и твердости), но не выше верхней критической точки. За нагревом следует выдержка при этой температуре (час на каждые 25 мм диаметра) с последующим насколько возможно быстрым охлаждением в печи (до 450°). Затем новая вы­держка при этой температуре (минимум час на каждые 25 мм диаметра) с по­следующим медленным охлаждением вместе с печью.

На этом же заводе режим термической обработки валков с чугунной основой заключается в следующем: нагрев (15-20°/час) ниже нижней критической точки Ас выдержка при температуре 500-450° (час на каждые 25 мм диаметра) и медленное охлаждение вместе с печью.

Чтобы облегчить уничтожение литейной неоднородности и дендритности струк­тур при термообработке, за границей широко практикуют производство валков с об­щим содержанием углерода в пределах растворимости его в основной металлической массе. Широко применяют также заливку валков при возможно более высокой температуре, причем для защиты кокилей и форм шеек и трефов, последние покры­вают при помощи пульверизатора специальной огнестойкой краской, способствующей активному удалению газов.

Внутренние напряжения, возникающие от усадки и при переходе критического интервала в углеродистых валках ослабляют охлаждением в кокилях до 180-200°; в легированных - при помощи замедленного охлаждения до температуры окружаю­щего воздуха. Высоколегированные и специальные валки нуждаются в неоднократ­ном нагреве, охлаждении, нормализации и выдержке. Охлаждение применяется как быстрое, так и замедленное, в частности охлаждение вместе с печью.

Фиг. 189. Сборный кокиль Даниэль­са: а -вид свер­ху; б - продоль­ный разрез

Фиг. 190. Отливка в кокилях калиброванных (а) и комбинированных (б) валков

Американская фирма «Люис фаундри Ко» применяет для охлаждения цилиндри­ческие кожухи, изготовленные из котельного железа с внутренним диаметром, боль­шим внешнего диаметра кокилей на 150-200 мм. Пространство между кожухом и кокилем засыпается сухим песком или другим каким-либо нетеплопроводным материалом.

Некоторые американские и английские фирмы придают большое значение вопро­су естественного и искусственного старения. Прежде чем пустить валки в работу, фирма «Пери и Сын» выдерживает их на стеллажах в течение 3-6 месяцев.

Искусственное старение прокатных валков заключается в нагреве их до темпе­ратуры ниже нижней критической точки Ас и выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.

в) Ковка валков , как и литье, тесно связана с термической их обра­боткой, отдельные операции которой чередуются со стадиями ковки, оказывая влияние на режим всего процесса в целом при изготовлении стальных кованых валков.

г) Сведения о механической обработке валков подробно излагаются ниже, здесь же приводим только общие указания о шлифовке и поли­ровке, завершающих процесс изготовления валков.

Валки твердостью до 90 единиц по Шору требуют зеркальной отделки, осу­ществляемой полировкой несколькими (2-6) шлифовальными кругами с постепенно возрастающим номером зерна (24-500). Шлифовку на предшествующих стадиях необходимо вести очень тщательно, так как дефекты шлифовки не могут быть испра­влены последующей полировкой на более тонких шлифовальных кругах.

Недостаточное охлаждение и смазка, внезапные остановки при шлифовке валка, большая подача и т. д. могут вызвать местное горение валка, приводящее к тре­щинам. Трещины могут появиться также от шлифовки валка слишком твердым кругом.

д) Хромирование валков , впервые освоенное в СССР в 1936г. на заводах «Красный гвоздильщик» , и НКМЗ , в последнее время получает все более широкое применение в технике.

Осуществленные электрическим способом хромовые покрытия придают валкам большую твердость, повышенную стойкость на истирание, пониженный коэффициент трения и высокие антикоррозийные свойства. Стойкость хромированных валков в 2-6 раз выше стойкости нехромированных . Твердость первых выше твердости вторых на 2-4 единицы по Шору.

Процесс хромирования валков можно разбить на три основных этапа: механи­ческая очистка поверхности валка, химическая подготовка, хромирование.

Механическая очистка заключается в шлифовке и полировке бочек валков. Шлифовка производится корундо-шеллаковыми кругами с зернистостью 90-120, полировка - при помощи войлочного круга, покрытого полировочной пастой (венская известь, техническое сало, стеарин и жир) или пастой ГОИ акад. Гребенщикова (прокаленная окись хрома и стеариновая кислота).

Химическая подготовка поверхности валка заключается в обезжиривании в бензине, протирке венской известью, промывке и подогреве в горячей воде (до 50°).

Нормальное проведение процесса хромирования обеспечивается установлением правильного режима, подбора состава электроли­та, его температуры и плотности тока.

На заводе «Красный гвоздильщик» состав электролита (нормальная ванна) таков: хромового ангидрида-250 г/л, серной кислоты - 2-2,5 г/л; плотность тока 15 А/дм (в начальный момент 10 А/дм ); температура электролита 45-47°.

На этом заводе хромированию подвергались валки диаметром 100-220 мм, с твердостью по Шору не ниже 90 единиц. Каждый валок помещался в отдельную ванну и, будучи подвешен крючком (фиг. 191, а) на токоподводящую ванну, служил катодом; анод имел форму цилиндра, разделенного на две части и подвешенного на крючках к токоподводящей шине.

Для лучшего сцепления хрома с основным металлом через 30-40 сек. пребывания валка в ванне подавался обратный ток. Хромирование 1лилось 2 часа, после чего валок вынимали из ванны, промывали в горячей воде и выдерживали в течение суток, прежде чем отправить на стан.

Впоследствии благодаря изменению форм анода схемы подвода тока получили возможность вместо одного хромировать одновременно несколько валков (фиг. 191, б), с расстоянием между ними а =270 мм.

Фиг. 191. Хромирование валков: а - рабочий валок (сверху) и приспособления для хромирования (снизу); б - одновременное хромирование в одной ванне трех валков

Фиг. 192. Способы хроми­рования валков и крупных деталей на НКМЗ: 1- ролик; 2 - вентиляцион­ные клапаны; 3 - анодная шина; 4 - деревянное кольцо; 5 - аноды; 6 - электролитная ванна; 7 - целлулоидный экран; 8 - водяная рубашка; 9 - за­жимной хомут, 10 - шту­цер для спуска электролита; 11 - резина; 12 -подвод тока

Большого внимания заслуживает способ хромирования крупных деталей, примененный на НКМЗ при изготовлении роликов моечной машины тонколистового стана завода «Запорожсталь».

Вследствие больших размеров роликов (диаметр 220 мм, длина 1700 и 2200 мм, соответственно хромируемые поверхности 1,36 и 1,76 м ) и ограниченной мощности источников тока (максимум 1000 А) была применена ванна (фиг. 192), в которой можно было вести хромирование по частям. Ванна представляет собой бак с водяной рубашкой, подогреваемой паровым змеевиком. В дне ванны имеется отверстие, выложенное резиной. Диаметр отверстия соответствует диаметру ролика, подвергающегося хромированию. Дно ванны выложено трехслойным целлулоидом с толщиной каждого слоя в 0,5мм.

Фиг. 193, в. Схема действия сил между полосой и валками, вызываемых трением при истечении материала

Концы роликов на длине в 360 мм сначала хромировались в обычной хромовой ванне. Для хромирования середины ролики переносили в ванну, изображенную на фиг. 192, где процесс хромирования осуществлялся поясами высотой в 350 мм каж­дый. При переходе от одного пояса к другому ролик не вынимался из ванны, а продвигался на необходимую высоту сквозь отверстие, обложенное резиной.

Исследования показали , что хромированные валки имеют твердость по от­ношению к нехромированным больше на 2-4 единицы по Шору.

Фиг. 193, а и о. Схемы буксования полосы при ее задаче в валки (а), буксования валков при выходе полосы (б)

Данные стали применяют для рабочих, опорных и прочих валков прокатных станов, бандажей составных опорных валков, ножей для холодной резки металла, обрезных матриц и пуансонов. К валковым сталям относят такие марки стали, как 90ХФ, 9X1, 55Х, 60ХН, 7Х2СМФ.

Требования к стали для валков

Высокая прокаливаемость. Для обеспечения высокой закаливаемости необходимо использование таких марок стали, устойчивость переохлажденного аустенита которых в обеих областях превращения, во возможности, достаточна для развития мартенситного превращения при минимальных скоростях охлаждения, например, в масле.

Глубокая прокаливаемость. Прокаливаемость - это глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости, поэтому необходимую прокаливаемость обеспечивают за счет оптимизации химического состава стали. Для данного типа стали необходима практически сквозная прокаливаемость, так как при этом обеспечивается жесткость валка, без которой затруднительно получение высокой точности проката. Среди элементов, увеличивающих прокаливаемость - кремний и бор.

Высокая износостойкость. Необходима для безаварийной работы стана. При высокой износостойкости образование абразивных частиц износа не происходит, система подшипников работает более надежно.

Высокая контактная прочность. Контактная прочность рабочего слоя валков должна быть выше контактных напряжений, возникающих в процессе прокатки с учетом естественных нагрузок.

Минимальная склонность к деформации и короблению в процессе термической обработки и неизменность размеров в процессе эксплуатации.

Удовлетворительная обрабатываемость при мехобработке, хорошая шлифуемость и полируемость для обеспечения высокой чистоты поверхности валков и, следовательно, высокого качества поверхности прокатываемого материала.

К числу эффективных мероприятий по повышению износостойкости, являющейся наиболее важной эксплуатационной характеристикой качества валков, можно отнести повышение их поверхностной твердости и увеличение содержания углерода и хрома в валковых сталях.

Однако установлено, что повышение твердости валков и увеличение содержания углерода в стали оказывают отрицательное влияние на сопротивление выкрошиванию.

Химический состав материала стальных валков неоднозначно влияет на их служебные свойства. Так, с повышением содержания углерода возрастает износостойкость валков. Например, увеличение до 0,6 - 0,8% С повышает износостойкость металла вследствие уменьшения в его структуре малоизносостойкого феррита; дальнейшее увеличение содержания углерода в стали вызывает образование избыточных карбидов, которые, кроме повышения износостойкости валков, способствуют улучшению качества поверхности проката. Марганец в количестве 0,5...0,9 %, являясь хорошим раскислителем, способствует очищению стали от неметаллических включений и придает им сферическую форму. Одновременно он легирует феррит, повышая прочность стали. Увеличение до 1,4...2,2 % Мn благоприятно сказывается и на термической обработке валков вследствие переохлаждения стали в процессе нормализации. Содержание от 0,25...0,60 % Si способствует раскислению стали, а при увеличении его содержания до 0,8...1,2 % происходит легирование феррита, что повышает прочность металла. Легирующие элементы (Ni, Сr, Mo и др.) способствуют модифицированию, получению мелкозернистой и дисперсной структуры, упрочнению структурных составляющих стали и улучшению ее термической обработки.

Износ прокатных валков во многом зависит от их структуры и химического состава. При применении стальных валков наибольшим сопротивлением износу обладают заэвтектоидные валки; они истираются в 2...3 раза медленнее, чем равные им по твердости эвтектоидные валки. Износостойкость тем выше, чем дисперсией структура эвтектоидных валков и чем большее количество избыточных карбидов содержится в заэвтектоидных валках.

Механизм разрушения рабочей поверхности валков эвтектоидного и заэвтектоидного химического состава различен.

Валки эвтектоидного класса обладают высокой пластичностью и вязкостью. Износ их, отличаясь значительной неравномерностью, происходит в виде смещения тончайших слоев рабочей поверхности калибров. В результате этого гладкая поверхность валков нарушается, на ней появляется перемежающийся ряд углублений и выступов, постепенно увеличивающихся в объеме.

Механизм износа заэвтектоидных валков, в структуре которых содержатся избыточные карбиды, состоит в равномерном скалывании мельчайших частиц рабочей поверхности в процессе прокатки. Такие валки во время прокатки изнашиваются более равномерно и сохраняют достаточно гладкую поверхность на протяжении всего периода работы валков.

Природа разрушения рабочей поверхности чугунных валков несколько иная. Проведенные наблюдения показали, что при разрушении поверхности калибров полутвердых чугунных валков можно отметить две последовательные стадии: стадию точечной выработки (после переточки валков), когда выкрашиванию подвергаются только отдельные микроплощадки поверхности бочки валка, и стадию интенсивного разрушения всей рабочей поверхности валка.

Точечная выработка первоначально возникает в местах выхода свободного графита на поверхность валка и далее развивается по всему перлитному полю, ослабленному включениями графита.

По мере увеличения количества прокатанного металла число разрушенных микроплощадок непрерывно возрастает. Они распространяются по рабочей поверхности валка (вторая стадия износа) и охватывают целые участки, а затем и все рабочее поле калибра; тем самым ухудшается качество поверхности валков и готового проката.

К числу факторов, ускоряющих механический износ прокатных валков, следует отнести внутренние превращения в металле, наличие в кристаллической решетке слабых участков, различные дефекты и в некоторых случаях стыки кристаллов. В процессе деформации эти слабины являются зародышами микротрещин и микрощелей, которые с течением времени все больше увеличиваются в объеме. Начавшись, разрушение будет продолжаться, если продолжают действовать усилия деформации.

Резкое повышение стойкости прокатных валков может быть достигнуто путем увеличения твердости их рабочего слоя. Чем больше твердость валков и выше их стойкость, тем большее количество металла можно прокатать за период между перевалками. Износостойкость стальных валков тем выше, чем меньше в металлической основе структурно свободного феррита и больше избыточных карбидов. Чем больше суммарная поверхность карбидных включений, чем мельче зерно и карбидные частицы, тем больше твердость валков и выше их стойкость против истирания.

Износостойкость чугунных отбеленных валков зависит от количества неметаллических включений в рабочем слое валков с перлито-графитной и перлито-цементито-графитной структурой, от количества и формы графитных включений, степени дисперсности металлической основы и количества избыточных карбидов.

Высокие эксплуатационные качества присущи валкам, в которых графитные включения шаровидной формы. Высокая износостойкость таких валков объясняется формой графита, который в процессе работы выкрашивается с минимальным нарушением металлической основы. При этом сама основа благодаря большой стойкости тоже выкрашивается меньше.

Износостойкость чугуна с графитом шаровидной формы больше, чем стали с повышенной поверхностной твердостью. При изменении пластинчатой формы графита на шаровидную стойкость прокатных валков из серого чугуна повышается на 30...40 %, так как уменьшается разгар и износ калибров.

Высокими служебными свойствами характеризуются валки, отлитые в профилированные формы. Твердость таких валков высокая (380...440 НВ на бурте), они отличаются повышенной износостойкостью (в 2...3 раза больше обычной) не только у поверхности бочки, но и в глубине вреза в валок.

Перспективно применение валков из чугуна с низким содержанием фосфора, выполненных из магниевого, особенно низколегированного чугуна.

Валки из низкофосфористого чугуна характеризуются более высокими механическими свойствами (прочностью, удлинением, ударной вязкостью, стойкостью) по сравнению с валками из обычного чугуна. Они на 30...50% прочнее обычных, причем их стойкость почти в 3 раза выше. Увеличение стойкости против износа, выкрашивания и поломок достигается за счет уменьшения фосфора, количество которого равно 0,06...0,10 %. При пониженном содержании фосфора в микроструктуре валков почти отсутствуют фосфиды (хрупкие составляющие структуры валкового чугуна), содержится большое количество феррита в серой зоне.

Отсутствие в микроструктуре валков хрупких составляющих, образующихся в чугуне, содержащем более 0,10 % фосфора, способствует повышению прочности сердцевины, увеличению вязкости и износостойкости отбеленного рабочего слоя.

Недостатком валков из низкофосфористого чугуна является пониженная твердость отбеленной и серой зон. Снижение фосфора (без специальных мер) на 0,1 % приводит к уменьшению твердости рабочей поверхности валков на 8...10 единиц по Бринеллю.

Прогрессивным средством увеличения стойкости прокатных валков против износа и поломок является легирование металла. Замечено, что в чугуне положительное влияние легирующих элементов на износ часто превосходит их влияние на механические свойства. Легирующие элементы способствуют измельчению зерна, изменяют форму графита, структуру металлической Прогрессивным средством увеличения стойкости прокатных валков против износа и поломок является легирование металла. Замечено, что в чугуне положительное влияние легирующих элементов на износ часто превосходит их влияние на механические свойства. Легирующие элементы способствуют измельчению зерна, изменяют форму графита, структуру металлической основы, состав и строение карбидов, повышают эффективность термической обработки, сообщают валкам повышенную прочность, твердость и стойкость. Повышению твердости поверхности способствует легирование чугуна хромом, ванадием, молибденом, никелем и бором.

Технология производства

Прокатные валки, наряду с шарикоподшипниками, рельсами и железнодорожными колесами относят к изделиям с контактной поверхностью. Для такого рода продукции очень важно отсутствие в поверхностном и подповерхностном слоях твердых недеформируемых включений. При оказании давления на такие включения они разрушаются, выкрашиваются и тем самым формируют очаг зарождения трещины, приводящей в итоге к разрушению изделия. К подобным нежелательным включениям относятся, прежде всего, включения Al 2 O 3 , CaO и MgO. Силикаты (оксиды на основе SiO 2) отличаются повышенной пластичностью по сравнению с названными ранее типами включений и поэтому они более приемлемы в такого рода изделиях. Именно поэтому ранее сталь для валков выплавляли в кислых печах (мартеновских и дуговых); стойкость валков в этом случае была существенно выше, чем у валков из стали, выплавленной в основных печах. Это обусловлено именно изменением состава включений при переходе от основной футеровке к кислой.

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 Fe 3 C. 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.

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

Примечание . Содержание фосфора ограничено

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.

Хром, являясь сильным карбидообразующим элементом, сильно повышает глубину отбеленного слоя и повышает его твердость. При содержании хрома, указанном в табл. 5.1 (

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

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

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):

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.

Общие требованиями к сталям для валков горячей прокатки основываются на разогреве поверхностного слоя валка деформируемым металлом, при этом поверхностный слой расширяется сильнее, чем внутренний, более холодный. Это приводит к появлению больших напряжений – сжимающих на поверхности и растягивающих в глубинных слоях. В момент завершения контакта поверхности валка с деформируемым металлом происходит быстрое охлаждение поверхностного объема и образуются напряжения сжатия. В результате чего возникают напряжения противоположного знака. Многократный, циклический быстрый нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением приводит к образованию сетки трещин (разгар).

Исследования показали, что в установившемся режиме прокатки поверхность нагревается до 750–800 °С, в то время как на глубине 3–4 мм она не превышает 100 °С. Термические и структурные напряжения, возникающие на поверхности валка, суммируются с напряжениями от действующих нагрузок и могут превысить предел прочности отдельных микрообъемов, что и приводит к образованию трещин. Длительный нагрев до высоких температур может привести к структурным изменениям. В сталях перлитного класса происходит сфероидизация карбидов. Основным критерием работоспособности валков является термостойкость, износостойкость и усталостная прочность. Химический состав сталей не может однозначно определить качество валков горячей прокатки, поскольку сопротивление износу и зарождению трещин зависит от множества других факторов, определяемых и термической обработкой.

Химический состав (%) сталей для валков горячей прокатки (ГОСТ 9487–70 и 10207–70)

Содержание кремния 0,17–0,37%, серы и фосфора Рассмотрим основные режимы термообработки заготовок, которые представлены на рис. 1.

Рис. 1. Режимы термической обработки поковок для производства валков горячей прокатки

Термическая обработка валков, как правило, является окончательной термообработкой после ковки и состоит из нормализации и длительной выдержки при температуре высокого отпуска. Необходимость нормализации вызвана тем, что в процессе ковки температура различных частей поковки может изменяться в широких пределах. Степень деформации также широко изменяется по сечению заготовки. Цель нормализации заключается в снижении внутренних напряжений и измельчении зерна, что приводит к повышению механических свойств.

На рис. 3а представлена термообработка поковок из стали 60ХН. Причем изотермическая выдержка в субкритическом интервале температур определялась из расчета около 4 ч на 100 мм сечения. Второй режим (3б) соответствует изотермической выдержке до 7 ч на 100 мм. В третьем случае проводится двойная термообработка – предварительная и окончательная, общая продолжительность которой доходит до 20 суток. Поковки подвергают термической обработке в печах с выкатным подом, садка которых достигает 200–250 т. Поковки располагают в несколько ярусов, причем для прогрева изделий больших сечений необходима выдержка 2,5–3 ч на 100 мм. Только в этом случае будут выполнены необходимые условия для перекристаллизации, что обеспечит измельчение зерна, устранение внутренних напряжений и выравнивание механических свойств по всему сечению.

Заводы заинтересованы в сокращении продолжительности термообработки, но это может быть реализовано только в том случае, когда известны реальные скорости нагрева и охлаждения по всему сечению заготовок, а также, если известна кинетика распада переохлажденного аустенита, как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Нагрев под нормализацию должен обеспечить температуру выше критических точек во всем сечении заготовки, исходя из чего выбирают режим нагрева, т.е. скорость нагрева, температуру и длительность выдержки.

Для таких садок скорость нагрева составляет от 20–60 град/ч. Скорость охлаждения также находится в этих пределах. Поэтому из анализа термокинетической диаграммы распада переохлажденного аустенита следует, что при охлаждении поковок до температур 650–600 °С в них полностью завершается перлитное превращение. Охлаждение необходимо проводить до тех пор, пока в центре поковки температура не достигнет 600 °С. Но диаметр бочки валка приблизительно в 2–2,5 раза больше диаметра шейки, из-за чего скорость охлаждения шейки значительно выше, чем скорость охлаждения бочки. Поэтому в этих местах могут возникать флокены. Таким образом, при термообработке крупногабаритных поковок необходимо учитывать обеспечение замедленного охлаждения шеек.

Четвертый режим обеспечивает сокращение длительности термообработки на 20–30 часов при обеспечении необходимого качества.

Качество поковок определяют по механическим свойствам на глубине, составляющей 1/3 радиуса от поверхности шейки на продольных образцах (см. рис. 2). Кроме того, проводится контроль по макроструктуре на флокены и ликвационную неоднородность.

Рис. 2. Схема отбора пробы металла в процессе контроля поковок для валков горячей прокатки

В состоянии поставки валки горячей прокатки должны иметь следующие свойства: σ в>800 МПа, σ 0,2>500 МПа, δ>8%, ψ>33%, KCV≥0,3 МДж/м2. Если в пробе выявляются флокены, то валки бракуются и подвергаются перековке. Обычно флокены наблюдаются на глубине от 1/3 до 2/3 R и не наблюдаются в поверхностной и центральной зонах, поскольку из поверхностной зоны водород успевает выделиться, а в центральной зоне имеются микронесплошности, в которые выделяется водород и не создает критического давления.