6. МАТЕРИАЛ ВАЛКОВ
Большую роль при производстве профильного проката играет правиль-ный выбор металла валков.
Чугунные валки для сортовых станов горячей прокатки изготавливают по ГОСТ 11143—65 следующих видов: из нелегированного чугуна с /пластин-чатым (СП) и шаровидным (СШ) графитом; из легированного чугуна с пластинчатым (СПХН) и шаровидным (СШХН) графитом.
Легированные чугунные валки с пластинчатым графитом (СП) изго-тавливают с отбеленным перлито-графитовым и с перлито-карбидо-графито-вым рабочим слоем.
Легированные чугунные валки с пластинчатым графитом (СПХН) изготав-ливают с отбеленным или с перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем, а также двухслойными с рабочей поверхностью из легированного отбеленного чугуна и с сердцевиной из серого или легированного чугуна.
Нелегироваяные чугунные валки с шаровидным графитом (СШ) (изготав-ливают с отбеленным перлито-графитовым и перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем.
Легированные чугунные валки с шаровидным графитом (СШХН) изго-тавливают с перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем, а также двух-слойный с рабочей поверхностью из легированного отбеленного чугуна и с сердцевиной из серого или легированного чугуна. Все указанные выше типы чугунных валков отливают гладкими или с профильными ручьями.
Твердость поверхности бочек отбеленных чугунных валков, как правило, определяют приборами типа Шора. Твердость валков с перлито-окарбидо-графитовой структурой должна определяться по Бринеллю.
Стальные валки (кованые и литые) для сортовых станов горячей про-катки изготавливают по ГОСТ 9487—70 (технические требования) и ГОСТ 5399—69 (основные размеры).
Стальные прокатные валки изготовляют литыми и коваными для горя-чей прокатки и коваными для холодной прокатки.
Стальные литые валки для горячей прокатки выполняют из доэвтектоидных (0,46—0,70% С, HS24—27), эвтектоидных (0,75—0,85% С, HS30—40) и заэвтектоидных (1,1—1,6% С, HS32—50) сталей.
Стальные кованые валки для холодной прокатки изготовляют по ГОСТ 3541—74, а для горячей прокатки — по техническим условиям, согласован-ным между заводами-изготовителями и заводами-потребителями.
Стальные валки для блюмингов, слябингов и заготовочных станов изго-товляют в основном из кованой углеродистой стали, содержащей 0,6— 0,8% С, или легированной хромоникелевой стали марок 50ХН и 60ХН, а так-же из литой стали 50, 50ХН, 150ΧΉΜ; валки рельсо-балочных и крупносорт-ных станов — из кованой стали 50, 55, 55Х, 40ХН, 50ХН, 60 ХН, 9Х и 9ХФ; валки среднесортных станов—из кованой стали 50, 55, 55Х и 50ХН и ли-той 150ХНМ; валки мелкосортных станов из кованой стали 50, 55, 55Х и 60ХГ и литой 150ХНМ; проволочных станов — из кованой стали 50, 9Х, 9ХФ и 9Х2МФ и литой 150ХНМ; штрипсовых станов — из кованой стали 50, 60ХГ и литой 150ХНМ.
Бандажи сборных валков станов холодной прокатки изготовляют из ста-лей 9Х, 9X2, 9ХФ, 75ХМ и оси валков из сталей 45ХНМ, 40ХН2МА, 55Х.
Химический состав металла калков должен соответствовать ГОСТ 1050— 74 для сталей марок 50 и 55, ГОСТ 4543—71 для сталей марок 40ХН, 50ХН и 40ХН2МА; ГОСТ 3541—74 для сталей марок 55Х, 9ХФ; ГОСТ 5950—63 для стали 9Х; ГОСТ 10207—70 для стали 45ХНМ.
7. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛКОВ
Чугунные валки изготавливают только отливкой. Изготовление литых, валков — сложный процесс с большим числом промежуточных операций. Ка-чество литых валков зависит в основном от вида литейной формы. Напри-мер, тепловое сопротивление земляной формы в несколько (раз больше, чем металлической.. Валки, отлитые в земляную форму, имеют более низкие прочность и износостойкость, что обусловлено медленным затвердеванием жидкого металла.
Мягкие (незакаленные) валки отливают из черного чугуна в земляную форму -(опоку). (Полутвердые (полузакаленные) валки отливают в металли-ческую чугунную форму (кокиль), покрытую изнутри слоем глины толщи-ной до 15—20:мм для замедления -процесса отбеливания чугуна «а бочке валков. Твердые (закаленные) валки отливают в металлическую нефутерованную форму. Валки высокой твердости изготавливают двухслойными: на-ружный слой из высоколегированного чугуна, а сердцевину — из чугуна де-шевого, но более прочного при работе на изгиб.
Механическая обработка валков с отлитыми ручьями значительно проще. Требуемые глубина и твердость отбеленного рабочего слоя достигаются под-бором толщины слоя обмазки и химическим.составом чугуна. Глубина отбе-ленного рабочего слоя валков мелкосортных станов составляет 15—30 мм, средне-сортных 20—40 мм и крупносортных и рельсо-балочных 150—200 мм/ Глубина отбеленного слоя ручьевых валков должна обеспечить возможность полной их переточки.
Магнитогорский (ММК) и Кузнецкий (КМК) металлургические комби-наты, Серовский металлургический завод применяют передовую технологию литья валков в металлические сборные формы. Большого внимания заслужи-вает технология литья валков на КМК. Верхняя шейка валка формируется в земляной форме, а бочка и нижняя шейка — в чугунном кокиле. Внутрен-нюю поверхность литейной формы окрашивают хромомагнезитовой краской толщиной до б мм. Окрашенные формы сушат при 300—350°С.
Чугунные валки отливают на Днепропетровском чугуно-вальцеделательном заводе (ДЧВЗ), Лутугинском заводе прокатных валков (ЛЗПВ), Кушвинском заводе и для собственных нужд на КМК, ММК, Серовском метал-лургическом заводе и на других заводах.
Химический анализ чугуна должен проводиться (ГОСТ 2331—63) на пробах, взятых при заливке чугуна.
Работниками Лутугинского завода освоен способ обработки чугуна магнием с использованием жидкой чугуно-магниевой лигатуры. Сущность способа заключается в том, что обработке магнием подвергают не всю мас-су (металла в 35-т ковше, а только часть его в малом ковше емкостью 10— 15 т.
Плавку ведут одновременно в вагранке и пламенной печи. Обе части плавки (ваграночная, обработанная магнием и печная) после смешивания обеспечивают требуемые химический состав, твердость и микроструктуру отливок.
Обработка чугуна жидкой чугуно-магниевой лигатурой позволяет повы-сить температуру заливки и сохранить в массовых отливках остаточный магний, необходимый для образования в чугуне шаровидной формы графита.
Опыт Лутугинского завода получения тяжелых отливок из магниевого чугуна переняли многие заводы как в нашей стране, так и за рубежом.
Вакуумирование жидкого чугуна при отливке способствует уменьшению газонасыщенности и загрязненности неметаллическими включениями метал-л а валков; при этом глубина отбеленного слоя валков уменьшается в 1,3 ра-за, а переходной зоны — в 1,5 раза.
На некоторых металлургических заводах при изготовлении литых сталь-ных валков наряду с заливкой металла в -форму (кокиль) сверху применя-ют сифонную заливку. Сифонная заливка позволяет уменьшить припуск под механическую обработку валков на 25—30%. Однако сифонная заливка усложняет процесс формовки и выбивки валков из формы, повышает стои-мость изготовления форм и требует больше производственных площадей.
Стойкость кокилей для валков диаметром 800—1100 мм и длиной бочки до 2000 ммдостигает 35 заливов, а для валков диаметром до 800 мм на-ходится в пределах 40—50. На КМК кокили массой более 10 τ отливают с бандажами, что приводит к увеличению стойкости кокилей на 20—25%.
Литые стальные валки для горячей прокатки находят все большее при-менение. Ряд заводов черной металлургии, используя передовую технологию-изготовления валков, уже в течение нескольких лет успешно применяет ли-тые стальные валки вместо кованых.
Литые валки из углеродистых заэвтектоидных сталей (марок У10, У12) изготавливают и эксплуатируют на ММК и КМК в черновых клетях рель-со-балочных и крупносортных станах.
Успешное применение литых стальных валков объясняется их низкой, стоимостью и высокой стойкостью. Срок службы литых валков обычно в 1,5—2,5 раза больше, чем кованых.
Основными поставщиками кованых валков горячей прокатки являются УЗТМ, НКМЗ, ЭЗТМ, ЮУМЗ, Ижорский, Днепропетровский и некоторые другие заводы тяжелого машиностроения, располагающие мощным кузнечно-прссовым оборудованием и необходимыми рредствами термообработки.
Качество валков, выпускаемых отдельными заводами, неодинаково. Как показывают многочисленные статистические данные, наиболее высокую стой-кость при эксплуатации имеют валки Уралмашзавода. Ковку валков на УЗТМ в отличие от ковки на большинстве других заводов осуществляют, как правило, с одной осадкой при степени укова не менее трех. Для повы-шения износостойкости бочку валков можно подвергать поверхностной за-калке, наплавке твердыми сплавами и обкатке роликами.
В зависимости от марки стали валки для горячей прокатки подвергают следующим видам термической обработки: нормализации и отпуску (для рельсо-балочных и крупносортных станов) — стали марок 50, 55, 9Х, 9ХФ; закалке и отпуску (для проволочных станов) —9Х, 9ХФ, 9Х2МФ; двойной нормализации и отпуску (для непрерывно-заготовочных, среднесортиых, мелкосортных станов) — 150ХНМ.
Стали марок 55Х, 60ХГ, 50ХН и 60ХН подвергают нормализации и от-пуску или по требованию заказчика — закалке и отпуску для валков с боч-кой диаметром до 500 мм, а с бочкой диаметром более 500 мм закалка и отпуск должны проводиться по соглашению сторон.
Литые валки из стали марок типа 60ХН подвергают термической обра-ботке по следующему режиму "[}]: выдержка в печи в течение 4 ч при 250°С, последующий нагрев до 650° со скоростью 40°С/ч, выдержка 3—5 ч; нагрев до 950°С со скоростью 60°С/ч, выдержка 18—22 ч; охлаждение на воздухе до 550—600°С; нагрев до 850—870°С, со скоростью 80°С/ч выдержка 14— 18 ч; охлаждение на воздухе до 400—500°С; нагрев до 600°С со скоростью 80°С/ч; выдержка 12 ч; охлаждение с печью до 200°С со скоростью 25°С/ч. Время термической обработки составляет около ПО ч.
На ММК литые валки из стали У150ХНМ подвергают термической об-работке по следующему режиму: тройная нормализация с температур 1050, 820, 900°С, последующий отпуск при 600°С (твердость HS46—49), норма-лизация с Ш50°С, последующий отжиг при 820°С (твердость HS41—45),
Кованые стальные валки из углеродистых сталей подвергают термиче-ской обработке по следующему режиму: нагрев до температуры норма-лизации (830—870°С) с выдержкой в печи после выравнивания температу-ры из расчета 0,6 ч на 100 мм толщины с последующим охлаждением на воздухе до "250—550°С. Температура отпуска 580—660°С, время выдержки из расчета 1,2 ч на 100 мм толщины. Охлаждение после отпуска: до 400°С со скоростью 40—60°С/ч, охлаждение до 250—300°С со скоростью 20—30°С/ч. Нагрев и охлаждение валков из легированных сталей осуществляют более осторожно.
Валки из углеродистых сталей можно подвергать термической обработке в необработанном виде, а из легированных — только после механической обработки.
Валки для горячей прокатки должны поставляться с чисто обработанны-ми и зацентрованными шейками. Шероховатость поверхности бочки валков для горячей прокатки должна быть не ниже 5-го класса, а грубообработанной поверхности бочки —не ниже 3-го класса (ГОСТ 2789—73).
Требования, предъявляемые к стали для производства валков горячей прокатки.
Известно, что условия работы прокатных валков, даже аналогичного назначения и конструкции, могут значительно различаться. Общим условием работы валков горячей прокатки является следующее. Деформируемый металл разогревает поверхностный слой валка до высоких температур. Поверхность валка расширяется значительно сильнее, чем более холодные глубинные слои. Это приводит к возникновению больших напряжений: сжимающих – на поверхности и растягивающих – в глубинных слоях. В момент завершения каждого прохода горячего металла между валками поверхность валка, не находящаяся больше в соприкосновении с горячим металлом, под влиянием охлаждения водой остывает и быстро сжимается. В результате в валках возникают напряжения противоположного знака. Многократно повторяющийся быстрый циклический нагрев до высоких температур поверхностных слоев валка при контакте с раскатываемой заготовкой и их последующее охлаждение приводят к образованию сетки трещин разгара.
Проведенное М.А.Тылкиным исследование показало, что температура поверхности валка при установившемся процессе прокатки составляет 750-850°С, снижаясь во время пауз между пропусками на 100-150°С, а при переходе к новой заготовке - на 300-350°С. Однако уже на глубине 3-4мм от поверхности валка температура не превышает 100°С. Термические и структурные напряжения, возникающие на поверхности валка, суммируются с напряжениями от действующих нагрузок и могут превысит предел прочности отдельных микрообъемов, что и при водит к образованию трещин или сетке разгара.
Длительное пребывание стали при высоких температурах может привести к структурным изменениям. В сталях перлитного класса наиболее часто происходит сфероидизация цементита и карбидов.
Появились новые разработки, которые касаются прокатки с нагревом заготовки и валков проходящим через них электрическим током. Валки должны быть жаро- и износостойкими и иметь высокий коэффициент тепло и электропроводности.
Для прокатных валков критерием работоспособности являются термостойкость, износостойкость и усталостная прочность. В основном кованые валки горячей прокатки изготавливают из сталей 55Х, 60ХГ, 50ХН, 60ХН и углеродистой стали 50.
Упрочняющие покрытия для валков и технологического оборудования листопрокатных станов
В настоящее время требования к листовым прокатным сталям стали значительно выше. Требуются стали меньшей толщины, но большей прочности, обладающие большей усталостной прочностью и антикоррозионной стойкостью, стойкостью к откалыванию и ударам, отсутствию поверхностных дефектов, без добавки редких металлов, возможностью производить штамповкой детали сложной формы. Перечисленные свойства листовых сталей в значительной степени зависят от процесса их прокатки и последующей обработки (снятие окалины, травлением) и в первую очередь от качества поверхностей рабочих и опорных валков прокатных станов. Основные требования, предъявляемые к валкам для проката таких сталей: высокое сопротивление к износу, циклическая термическая усталость и окислению, образованию тепловых и разгарных трещин: высокая переносимость сетки мелких гладких трещин.
Перечисленным требованиям к валкам в настоящее время соответствуют так называемые составные валки, состоящие из двух или нескольких основных слоев (с промежуточными переходными слоями), изготовленные центробежным литьем. Однако, даже валки изготовленные из Scmi-HSS сталей в качестве поверхностного слоя, претерпевают радикальный износ до 1мм в течение проката 50000-90000 тонн металла, что соответствует примерно месяцу работы валка с поверхностным слоем из лучших высоколегированных сталей. После чего валок нужно снимать с прокатного стана и перетачивать.
Дальнейшее увеличение эксплуатационного времени рабочих валков листопрокатных станов может быть связано с увеличением износостойкости их поверхности путем нанесения защитно-упрочняющих покрытий наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются следующие: газовым детонационным диффузионным насыщением, включая насыщение через жидкую фазу, автоионным распылением. Все вышеперечисленные методы можно использовать для нанесения покрытий на детали больших размеров, в том числе валки прокатных станов. В качестве упрочняющих покрытий использовали покрытия на основе боридов, тугоплавких металлов, их нитридов и карбидов. Износ нанесенных покрытий исследовался на специально созданных испытательных стендах, на которых имитировались условия близкие к условиям работы валков промышленных станов – температурный режим, изменение температуры (нагрев и охлаждение), эффективная глубина проникновения тепла в тело валка, механические нагрузки, линейная и угловая скорости движения валка и другие параметры. Экспериментально установлено, что износ выбранных типов покрытий в образцах в 3-12 раз меньше по сравнению с непокрытым образцом в зависимости от состава покрытия и метода его нанесения.
Основные требования к покрытиям – это высокая коррозионная и трибомеханическая стойкость в условиях работы валков, к методам нанесения – это возможность нанесения покрытий на более габаритные изделия.
Метод диффузионного насыщения.
Одними из наиболее перспективных диффузионных покрытий являются покрытия боридные, борохромистые и другие полученные путем диффузионного насыщения в вакууме с применением активатора.
При вакуумном активном диффузионном борохромировании поверхности стали из порошков чистых элементов – бора и хрома имеет место взаимодействие насыщающих компонентов в смеси с образованием новых устойчивых химических соединений – боридов хрома. В подобных случаях при диффузионном отжиге в смеси порошков металла и бора, как правило, происходит насыщение подложки преимущественно одним элементом, содержание которого превосходит величину, необходимую для образования, например, химического соединения Ме n B m . В определенной области концентраций порошковой засыпки диффузионные покрытия практически не образуются. Поэтому процесс борохромирования из порошков рационально проводить с использованием элементов, по крайней мере, одного в связанном состоянии. В качестве исходных порошков были выбраны карбид бора B 4 C и хром, а активатора – хлористый натрий.
При борохромировании сталей образующийся защитный слой состоит из твердого раствора хрома и бора в железе и сложных боридов (Fe,Cr) 2 B и (Fe,Cr)B.
Детонационный газо-термический метод .
Одним из основных методов нанесения покрытий определенного функционального назначения является детонационный метод, который относится к группе газотермических методов нанесения покрытий.
Основным элементом установки для нанесения детонационных покрытий является пушка, которая представляет собой цилиндрический или конический водоохлаждаемый канал. Канал периодически заполняется взрывчатой смесью из системы газораспределения. Поджог газовой смеси осуществляется от свечи в необходимый момент времени, а подача порошкового материала покрытия в ствол производится устройство в интервале между выстрелами. Скорость распространения волны в направлении открытого конца ствола составляет около 3000м/сек. Следом за детонационной волной движется высокотемпературный поток, состоящий из продуктов детонации и частиц порошка. Скорость частиц порошка до 1500м/сек. а их температура до 2000°С. В рамках выстрела формируется единичное пятно покрытия равное диаметру ствола и толщиной от 5 до 50мкм. Частота выстрелов установки не превышает 20 герц.
В качестве детонационной смеси используется смесь ацетилена и кислорода и другие смеси. Для нанесения покрытия детонационным методом могут быть использованы любые материалы от полимеров до тугоплавких керамик, а также металлы и их сплавы. Размер частиц порошка для нанесения покрытия лежит в пределах от 5…100мкм.
Производительность установки составляет около 6 кг покрытия в час, пористость покрытия не превышает 0,1% при этом нагрев покрываемой детали не превышает 250°С прочность сплетения покрытия детали достигают 180МПа.
Метод автоионного насыщения.
Основу метода составляет широко известный метод электронно-лучевого распыления в вакууме, обеспечивающий распыление материала электронным пучком в виде нейтральных атомов (или: атомное распыление). Разработки авторов позволяют преобразовать потоки нейтральных атомов в плазму (низкотемпературную неравновесную плазму), в которой кроме нейтральных атомов, имеются ионы металлов и электроны (атомно-ионное распыление). Ионизация нейтрального атомного потока производится возбуждением в парах металла либо несамостоятельного дугового, либо высокочастотного разрядов.
Метод сочетает в себе достоинства электронно-лучевого и ионно-плазменного методов нанесения покрытий – высокие производительность (скорость нанесения покрытий достигает 1мм/час) и степень ионизации потоков пара (10-70%). Разработаны системы полной очистки плазмы от нейтральных частиц и микроблоков с высокими показателями прохождения плазмы через сепаратор (до 50%).
Распыляемыми металлами могут служить как металлы, так и их соединения в виде карбидов, окислов и др. Химическое соединение в покрытии могут также формироваться при распылении только металлов, если осаждение производится в среде того или иного разряженного химически активного газа или смесь газов (аналогично возможностям других ионно-плазменных методов).
Достигаемое плазменное состояние вещества обеспечивает высокую химическую активность, что способствует проявлению ряда уникальных эффектов при формировании покрытий в частности:
1. Плазменная активация образования металл металлоидных связей позволяет формировать покрытие со сложной физикохимией при достаточно низких температурах осаждения, и таким образом, практически без изменения механических свойств подложки.
2. Активация процессов обеспечения прочного сцепления покрытия с подложкой за счет:
Очистки поверхности от загрязнений ускоренными ионами;
Образование прочных химических связей материала покрытия с подложкой вследствие упоминавшейся плазменной активации формирования этих связей;
Ионной имплантацией материала покрытия в покрываемую поверхность;
Радиационно-стимулированой диффузией атомов покрытия вглубь подложки.
3. Формирование нового типа диаграмм состояния металл-металоид - так называемых неравновесных диаграмм состояния, с образованием метастабильных состояний твердого тела, в том числе сверх пересыщенных твердых растворов. Это позволяет получить металлическое состояние вещества с твердостью, присущей керамике (система молибден-азот и др.).
4. Формирование особых структур (аморфного типа, нанокристаллических и др.).
Атомно-ионнное распыление позволяет получить толстые покрытия (порядка 1мм) при температурах, близких к комнатной, а также - массивные самонесущие изделия (методом наращивания слоев на подложке) как объемно-квазикристаллические, так и микро- или нанослоистые с толщиной слоев от нескольких микрон до нескольких нанометров. Покрытия в неравновесном разупорядоченном состоянии обнаруживают новые свойства не характерные для обычного поликристаллического состояния у материалов полученных традиционными металлургическими методами. Так, например, ионно-плазменные покрытия системы ниобий-углерод являются сверхпроводящими и в тоже время обнаруживают аномально высокую кавитационно-эрозионную стойкость при относительно низкой микротвердости.
В настоящее время существуют технологии нанесения покрытий вышеперечисленными методами толщиной до 1мм и более на длинномерные изделия до 1000-1100мм.
Снижение износа прокатных валков за счет микроплазменного упрочнения их поверхности.
С целью повышения срока эксплуатации прокатных валков производится микроплазменное упрочнение рабочей поверхности чугунных валков.
Микроплазменное упрочнение занимает лидирующее положение в ряду упрочняющих технологий валковоремонтного производства. Возможно восстановление работоспособности валков с выработанным отбеленным слоем до уровня заводской поставки. Своему названию метод обязан использованию микроплазменной техники разработанной для проведения прецизионных сварочных работ.
Метод микроплазменного упрочнения (МПУ) является одним из видов технологий с использованием концентрированных потоков энергии, определяется как поверхностная термическая обработка сжатой плазменной дугой диаметром до 0,4мм и плотностью мощности в тепловом пятне 5·10 3 - 5·10 4 Вт/см, движущимся с линейной скоростью 6-8 см/с.
В отличие от методов с большой интегральной мощностью источников нагрева (плазменного, газового, индукционного) МПУ обладает высокой технологичностью в аспекте трещин образования. Структурные превращения при МПУ происходят по схеме, присущей всем видам обработки концентрированными потоками энергии и сводятся к образованию структурной микронеоднородности, заключающейся в чередовании твердого высокодисперсного мартенсита и цементита с пластинами остаточного аустенита.
Валки прокатные
рабочий орган (инструмент) прокатного стана (В. п. выполняется основная операция прокатки - деформация (обжатие) металла для придания ему требуемых размеров и формы. В. п. состоят из трёх элементов (рис.): бочки, двух шеек (цапф), приводного конца валка («трефа»). В. п. делятся на листовые и сортовые. Листовые применяют для прокатки листов, полос и ленты; бочка у этих валков цилиндрическая либо слегка выпуклая или вогнутая; такие валки называют также гладкими. Сортовые служат для прокатки фасонного (сортового) металла (круглого и квадратного сечения, рельсов, двутавровых балок и др.); на поверхности бочки этих В. п. делают углубления, соответствующие профилю прокатываемого металла. Эти углубления называют ручьями (ручьи двух В. п. образуют калибры), а В. п. - ручьевыми (калиброванными).
Основные размеры В. п. (диаметр и длина бочки) зависят от сортамента прокатываемой продукции. Диаметр В. п. для горячей прокатки составляет от 250-300 мм (прокатка проволоки) до 1000-1400 мм (прокатка блюмов и слябов). Для холодной прокатки применяют В. п. диаметром от 5 мм (на 20-валковых станах при прокатке фольги) до 600 мм (на 4-валковых станах при прокатке тонких полос).
6. Классификация валков по твёрдости. Материал, типы, размеры
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. 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. 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.
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.
Валки прокатных станов по сравнению с другими деталями работают в неблагоприятных условиях, так как они воспринимают большие знакопеременные изгибающие усилия и тепловые нагрузки. Поверхность валка, работающая при прокатке металла на истирание, должна обладать высокой твердостью и износостойкостью, т. е. материал валков должен быть одновременно вязким в сердцевине и достаточно твердым на рабочей поверхности бочки (не менее 90 ед. по Шору), а глубина закаленного слоя должна составлять не менее 3% от величины радиуса валка. Поковки валков холодной прокатки изготовляются способом свободной ковки на гидравлических прессах; в качестве заготовок используют крупные слитки массой 40...90 т. Перед окончательным получением заготовки валка слиток или часть его предварительно проковывается. Основная цель ковки заключается в обеспечении проработки литой структуры металла слитка, полном разрушении карбидной сетки и измельчении зерна, достижении наиболее выгодного расположения волокон в поковке и получении необходимых механических свойств металла в поперечном, продольном направлениях и по сечению поковки. Из двух существующих схем ковки: «круг -- круг» и «круг -- квадрат -- круг» более предпочтительной является последняя, так как с ее помощью обеспечивается получение более качественной структуры металла поковки, достигается лучшая прорабатываем ость слоев сердцевины и завариваемость макро- и микронесплошностей металла, что определяется его металлургическими свойствами. Поковки крупных валков массой более 3 т следует изготовлять с двумя осадками слитков. Правильный выбор степени деформации при осадке слитков обеспечивает улучшение качества поковок и повышение прочности и износостойкости валков. Технологическая схема ковки валков предусматривает биллетировку слитка, осадку, предварительную протяжку, а также ковку на окончательные размеры.
Особое место в технологии изготовления валков холодной прокатки занимает термическая обработка, с помощью которой обеспечивается получение необходимых свойств материала валка.
В качестве предварительной термообработки при изготовлении валков используют изотермический отжиг, сущность которого заключается в перекристаллизации стали при температуре 950...960 .° С, последующем охлаждении в печи до 300...350.° С, изотермической выдержке при температуре 700...710СС и медленном охлаждении. Предварительная термообработка производится после обдирки поковки валка с припуском 8...12 мм и глубокого сверления центрального отверстия. Для подготовки структуры под поверхностную закалку применяется нормализация с отпуском: нормализация производится при температурах 850...870.°С с последующим охлаждением валков на воздухе и нагревом под отпуск до 600,..620.° С; отпуск обеспечивает получение требуемой твердости на шейках валков в пределах 35...55 ед. по Шору. Закалка валков осуществляется путем нагрева током промышленной 50 Гц или высокой частоты 1000 Гц, а также с помощью газопламенного нагрева. Износостойкость и долговечность работы валков в значительной степени зависят от величины и распределения остаточных напряжений, возникающих при термообработке. Рабочие валки тяжелонагруженных станов холодной прокатки нуждаются в закалке с предварительным подогревом по всему сечению валка до температуры 600...650.°С или с предварительным подогревом поверхности валка до 800...820.° С с помощью тока промышленной частоты. Дополнительное охлаждение должно осуществляться через поверхность осевого отверстия валка, в результате чего получается наиболее рациональное распределение остаточных напряжений по сечению валка.
Малонагруженные валки холодной прокатки закаливают с подогревом внутренних слоев до 500...550 . С; это снижает уровень растягивающих напряжений на поверхности валка и не вызывает образования больших напряжений растяжения во внутренних слоях.
Крупные валки, работающие в легких условиях эксплуатации, можно закаливать с подогревом центральной зоны бочки до 300...400 .° С без дополнительного внутреннего охлаждения. После закалки током промышленной частоты при температуре 900...910.°С и последующего отпуска при 400...520. С достигается твердость рабочей поверхности валка в пределах 45...90 ед. по Шору (в зависимости от технических требований на изготовление валка). Термическая обработка, результатом которой является сочетание высокой вязкости металла в сердцевине с высокой твердостью поверхности валка, повышает долговечность работы валков прокатных станов. Последовательность обработки валка состоит из следующих этапов: черновая обработка поверхности валка под изотермический отжиг и нормализация с припуском 8...12 мм; глубокое сверление центрального канала и растачивание камеры; изотермический отжиг и нормализация; обработка под закалку поверхности бочки с припуском 0,5...1,5 мм и шеек с припуском 5...6 мм; обработка всех мелких поверхностей; закалка токами промышленной частоты с отпуском; обработка закаленных валков под второй отпуск; второй отпуск для снятия напряжений; окончательная механическая обработка. Обработка крупных валков начинается с разметки осевых линий и центров. После центрования отверстий валок устанавливается на токарном станке, где обрабатываются шейки под люнеты и базовые поверхности установки на станке для глубокого сверления; торцы валка намечаются с припуском 5...6 мм; концы заготовки отрезаются по намеченным надрезам. Центральное отверстие обрабатывается сверлом для глубокого сверления с последующим растачиванием камеры. В процессе глубокого сверления возникают значительные технологические трудности, связанные со сверлением консольным инструментом, имеющим значительный вылет, трудностью получения прямолинейной оси и цилиндрической формы отверстия, ухудшением теплоотвода и охлаждения инструмента. Для глубокого сверления применяются перовые, пушечные, двух - и четырех-кромочные и кольцевые сверла; последние используют при сверлении отверстий диаметром свыше 70 мм.
Четырех кромочные сверла с напайными твердосплавными пластинками для сверления глубоких отверстий диаметром до 70 мм. Двухперое четырехкромочное сверло при сверлении валков длиной до 7500 мм дает увод отверстия 10...15 мм; четырехкромочное сверло с центральной выточкой позволяет уменьшить увод до 1...1.5 мм на той же длине сверления. При сверлении глубоких отверстий диаметром более 70 мм применяют кольцевые сверла. С помощью режущих пластинок сверла, закрепленных в корпусе, выбирают кольцевую канавку в обрабатываемой заготовке. Прочность шеек вала зависит от диаметра осевого отверстия, поэтому в полости бочки растачивается камера с плавными переходами от осевого отверстия. Растачивание ведется при работе борштанги на сжатие или на растяжение. Производительность расточки повышается при работе борштанги на сжатие. После изотермического отжига и нормализации валок обрабатывают под закалку; устанавливают в отверстие временные пробки и на токарном станке протачивают на шейках две выточки под люнеты, пробки удаляют. Поверхность валка не должна иметь острых кромок и рисок, переход от одной поверхности к другой должен выполняться плавно, через галтели. Перед закалкой следует обрабатывать различные мелкие поверхности. Трефы обрабатываются на специальных трефофрезерных станках в размер. На продольно-фрезерных станках фрезеруются шпоночные пазы или квадраты с припуском на сторону 2 мм; радиальные отверстия сверлятся в размер. После закалки валок устанавливают в патроне и люнете с точностью до 0,25 мм, используя бочку как базовую поверхность, после чего растачивают отверстия под центровые пробки. Пробки после охлаждения в жидком азоте запрессовывают в отверстие. Деталь устанавливают в центрах и протачивают бочку до устранения биения. Для повышения производительности при обработке закаленных валков используют точение резцами с широкими лезвиями, оснащенными минералокерамическими пластинками из сплава ВЗ.
Задний угол резца с широким лезвием--6е, передний угол -- (--6а), угол наклона режущей кромки -- 13°, ширина фаски режущей кромки --0,5 мм. Валки площадью до 26 м обрабатывают резцами с такими геометрическими параметрами. Шероховатость поверхности при этом не превышает Ra = 1,25 мкм. При шлифовании валок устанавливается в центрах, поверхность бочки шлифуется до снятия следов токарной обработки. При этом необходимо поддерживать правильный режим охлаждения и правки круга во избежание появления прижогов, которые снижают поверхностную твердость валков и способствуют появлению микротрещин. Затем проводится окончательная обработка мелких поверхностей -- пазов, трефов, шлицев н. т. п. После второго отпуска выполняют чистовое шлифование поверхности бочки и окончательную обработку шеек валков. Заправку галтелей после шлифования производят твердосплавными радиусными резцами на токарном станке. В качестве материала для изготовления валков горячей прокатки используют легированные стали, а также чугун с отбеленной поверхностью. Валок для горячей прокатки. Валок изготовляется из стали 55Х, масса детали 20 890 кг, масса заготовки 26 000 кг. Технологический процесс обработки валка для горячей прокатки аналогичен процессу обработки валков для холодной прокатки, но несколько проще, Обработка валка делится на три стадии: черновую обработку заготовки, термическую и чистовую обработки. На заготовку наносят осевые линии и центры, а затем проверяются величина и расположение припусков на обработку. Целью токарной черновой операции является снятие основной массы металла припуска с поверхности валка и с торцов, а также подготовка валка к термической обработке.
При этом надрезается прибыль, которая удаляется на слесарной операции; здесь же проверяется твердость бочки и шеек валка, а также размечается лопатка под черновую обработку. Деталь передается на термическую обработку, которая производится с целью улучшения структуры, устранения внутренних напряжений и получения твердости.
После термообработки исправляются центровые гнезда детали, и производится чистовая токарная обработка, которая должна обеспечить точность и концентричность всех цилиндрических поверхностей, перпендикулярность к ним торцов детали и требуемую шероховатость поверхности. Перед шлифованием или упрочняющим обкатыванием роликом предварительно протачивают шейки валка. Обкатка шеек валков производится на тяжелых токарных станках специальными рычажными или гидравлическими устройствами. На токарном станке за счет натяжения суппорта винтом поперечной подач» нельзя получить силу обкатки выше 3000 ДаН.
Гидравлическое обкатное устройство для обработки валов большого диаметра. Усилие обкатки (до 6000 ДаН) создается автономным гидравлическим цилиндром установленным в корпусе; оно передается на поверхность детали через тарельчатые пружины, снижающие жесткость системы. Недопустимые перекосы цилиндрических роликов во время обкатки устраняются за счет их самоустановки; для этого головка, несущая рабочий ролик диаметром 32 мм, свободно поворачивается на цапфах вокруг оси, перпендикулярной к линии контакта ролика с деталью. Под действием момента, возникающего при перекосах, ролик поворачивается до восстановления равномерного контакта с деталью по всей длине образующей. После разметки трефы обрабатывают начерно, а затем начисто на расточном станке. При изготовлении валков из отбеленного чугуна твердость на поверхности бочки составляет НВ 500...650, что способствует увеличению их стойкости. При механической обработке отбеленных чугунных валков трудно обеспечить требуемую производительность процесса. Значительного увеличения производительности при изготовлении валков из отбеленного чугуна можно добиться, применяя шлифование только для снятия литейной корки, а лезвийную обработку использовать в качестве основной обдирочной операции. Для увеличения стойкости резцов из сплавов ВК применяют резание при вводе в зону обработки низкого напряжения, а также резание с предварительным подогревом поверхности заготовки. Прокатные валки. Валки для прокатных станов
ковка заготовка сортовый листовой