книги из ГПНТБ / Контактное взаимодействие металла и инструмента при прокатке

рабочих валков двадцативалкового стана их работоспособность повысилась на 25% [10]. Другим фактором, существенно влияющим на склонность металлов к схватыванию, является качество поверх­ ности трущихся деталей. В работе [10] показано, что при шлифова­ нии поверхности валков холодной прокатки с применением синте­ тических алмазов значительно улучшается качество поверхности, уменьшается шероховатость, ■ степень наклепа, происходят опреде­ ленные изменения в структуре, способствующие повышению работо­ способности валков. В связи с этим большой интерес представляет также исследование влияния алмазного шлифования на склонность валков холодной прокатки к схватыванию.

5. ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СХВАТЫВАНИЮ

СПРИМЕНЕНИЕМ ВТМПО И АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВАЛКОВ

Повышение сопротивления схватыванию в очаге деформации при холодной прокатке имеет большое практическое значение, в первую очередь применительно к высокоскоростным станам кварто и много­ валковым станам.

Рассмотрим результаты исследований влияния комплекса ВТМПО и алмазного шлифования на склонность стали 9Х к схватыванию по сравнению с закалкой ТВЧ и абразивным шлифованием по стан­ дартным режимам.

Образцы для испытания на схватывание изготавливали из стали.9Х в форме колец шириной 25 и диаметром 73—74 мм *. За­ калку с применением ТВЧ и ВТМПО осуществляли на промышленной установке Старо-Краматорскбго машиностроительного завода. Об­ разцы каждой партии надевали на одну оправку и обрабатывали одновременно, что обеспечивало одинаковые условия термической обработки всех образцов (закалка с 900—920° С). Давление обкатки роликами перед последующей закалкой составляло 75 кгс. После закалки с применением ТВЧ и ВТМПО образцы подвергали низко­ температурному отпуску t = 180° С в течение двух часов.

Твердость всех образцов после обработки составляла 43—45 HRC. После термической обработки каждую партию образцов подвергали алмазному или абразивному шлифованию.

Перед шлифованием каждый образец надевали на конусную оправку, на которой впоследствии проводили испытания на схваты­ вание 1,* при этом биение не превышало 20 мкм. Класс чистоты и качество поверхности после шлифования определяли на профило­ графе при увеличении в 40 000 раз.

Испытуемый образец вращался с определенной скоростью в цен­ трах токарного станка. Другой образец прижимался к испытуемому, с помощью нагрузочного устройства, смонтированного на суппорте станка. Трущейся парой являлись кольца из стали 9Х (обработан­

и н ж е н е р о в г р а ж д а н с к о й а в и а ц и и .

ные по режиму ВТМПО или закаленные ТВЧ с последующей алмаз­ ной или абразивной шлифовкой поверхности) и прямоугольные образцы из стали СтЗ. Испытания на схватывание проводили без смазки в условиях сухого трения.

Изменения нагрузки Р и силы трения F записывались автомати­ чески. Все испытания проводили при скорости вращения испытуе­ мого образца, равной 300 об/мин.

Исследования структуры образцов до и после испытания на схва­ тывание проводили на металлографическом микроскопе МИМ-7. Для изучения структуры образцы разрезали абразивным кругом с интенсивным охлаждением водой. Слой глубиной 0,1 мм со струк­ турой, измененной в результате порезки, удаляли электрополи­ ровкой в растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Выявление структуры производили 3% -ным спиртовым раство­ ром HNOg и электротравлением в 10%-ном растворе хромового ангидрида в воде.

Микротвердость под зоной схватывания измеряли на при­ боре ПМТ-3 с нагрузкой 50 и 100 гс. Шлифы для измерения микро­ твердости приготовляли механической и электролитической поли­ ровкой.

Для оценки влияния вида шлифовки на структуру образцов после закалки с применением ТВЧ и ВТМПО определяли полуши­ рину линии (1Ю)а железа на установке УРС-50-ИМ. Форму дифрак­ ционного пика.записывали автоматически (самописцем). В некото­ рых случаях проводили измерение интенсивности линии «по точкам».

Рентгенографические измерения проводили при следующем ре­ жиме съемки: излучение Со, % — 1,788 А, напряжение на трубке

О = 43 кВ.

Изучение структуры навара на валках холодной прокатки и навара, образовавшегося при испытаниях на схватывание стали 9Х со сталью СтЗ, показало, что в обоих случаях происходят одинаковые процессы. При слабом травлении навара, образовавшегося на валке холодной прокатки (рис. 113, а), отчетливо видно зону сильной пластической деформации, непосредственно прилегающую к зоне схватывания. Аналогичную структуру имеют образцы после испыта­ ния на схватывание (рис. 113, б). Следовательно, при образовании навара на валках холодной прокатки, как и в случае испытания металлов на схватывание, возникновение ювениальных поверх­ ностей между соединяемыми металлами сопровождается сильной пластической деформацией более мягкого металла.

При более сильном травлении, выявляющем структуру самого навара, можно увидеть, что величина зерна и степень деформации сильно зависят от расстояния до зоны схватывания. На достаточном удалении (2 мм) от зоны схватывания зерна имеют сильно вытяну­ тую форму с четко выраженными полосами скольжения (рис. 113, в). Степень деформации возрастает по мере приближения к зоне схва­ тывания, и на расстоянии, несколько превышающем 0,1 мм, наблю­ даются сильно искаженные зерна и полосы деформации (верхняя часть рис. 113,г).

162

Туры наваренного металла. Изменение интегральной интенсивности / и полуширины В дифракционной линии (110)а приведено на рис. 114.

Кривая изменения полуширины линии (110)а имеет минимум на расстоянии 0,1 мм от зоны схватывания. Уменьшение значения

винтервале 0,6—0,1 мм вызвано процессами отпуска в деформиро­ ванном металле навара в результате развития высоких температур

взоне схватывания. На расстоянии <0,1 мм вследствие увеличения температуры по мере приближения ■ к зоне схватывания начинается рекристаллизация металла. Однако в результате кратковременного нагрева и последующего охлаждения в рекристаллизованной зоне происходит частичная закалка, что резко увеличивает полуширину линии (110)а в интервале 0,1—0 мм.

о протекании процессов деформации и рекристаллизации в металле навара на расстоянии до 0,20 мм от зоны схватывания. Из рис. 111— 113 видно, что от 0,2 до 0 мм интегральная интенсивность возросла почти вдвое, что вызвано, очевидно, появлением текстуры рекри­ сталлизации типа (ПО).

Таким образом, исследование структуры навара свидетельствует о том, что в процессе сваривания прокатываемой полосы с металлом валка происходят значительные структурные изменения, которые начинаются с сильной пластической деформации поверхностных слоев привариваемого металла и кончаются процессами рекристал­ лизации и частичной закалки вследствие развития высоких темпе­ ратур в зоне схватывания.

Полученные результаты подтверждают правильность сделанного ранее вывода о том, что процесс образования наваров на валках холодной прокатки имеет ту же природу, что и схватывание в дета­ лях машин [10].

Для исследования влияния термической .обработки и качества поверхности валков на склонность стали 9Х к схватыванию было проведено три серии испытаний. Первую серию испытаний прово­ дили на образцах, закаленных с нагрева ТВЧ и подвергнутых шли­ фованию абразивными кругами. Эта серия испытаний соответство­ вала стандартной обработке валков, применяемой в настоящее время в промышленных условиях. Вторая серия образцов была обработана по схеме ВТМПО [101 и прошлифована абразивными кругами по тем же режимам, что и первая. Третья серия образцов была обработана по схеме ВТМПО и прошлифована алмазными кру­ гами.

На рис. 115 приведены экспериментальные данные испытания образцов из стали 9Х после ВТМПО и алмазного шлифования со сталью СтЗ. Кривую зависимости силы трения F от нагрузки Р можно разбить на три участка, характеризующие три этапа разви­ тия схватывания при трении, рассматриваемые в работах [10, 103].

На I этапе схватывания скольжение трущихся тел происходит по поверхностным пленкам в условиях упругой деформации контак­ тирующих металлов. Этот этап характеризуется началом сдвига и

164

относительным скольжением сопряженных тел без заметной пласти­ ческой деформации поверхностных слоев металла.

На II этапе начинается пластическая деформация металла, про­ исходит разрушение поверхностных пленок под действием нормаль­ ных и тангенциальных усилий. В результате этого в зоне контакта образуются ювениальные поверхности с контактированием чистых металлов, что приводит к возникновению узлов схватывания.

Развитие процессов схватывания на I и II этапах существенно зависит от микропрофиля поверхности и от механических свойств

контактирующих металлов. Контактирование металлических тел

сшероховатыми поверхностями происходит не по всей поверхности,

ана отдельных участках, в местах выступов и неровностей. В тех случаях, когда в результате приложения нормальных усилий в от­ дельных точках контакта возникающие напряжения превышают предел текучести металла, происходит интенсивная пластическая деформация разрушение поверхностных пленок и выход ювениальных

поверхностей в зону контакта. Таким образом, протяженность I и II этапов схватывания обусловлена качеством шлифования поверх­ ности и механическими свойствами поверхностных слоев испытуе­ мых металлов.

На III этапе развиваются и упрочняются узлы схватывания в по­ верхностных слоях, а глубинные слои металла подвергаются пласти­ ческой деформации. В процессе развития схватывания происходит перераспределение напряжений, сильное охрупчивание металла в зоне схватывания и разрушение узла схватывания в металле, обла­ дающем меньшей прочностью. В результате на образцах из стали 9Х образуются микронавары стали СтЗ (см. рис. 113, а, б).

Сопоставление зависимостей силы трения F от нагрузки Р для разных режимов термической обработки и шлифования показало, что для образцов, обработанных по схеме ВТМПО с последующим алмазным шлифованием, III этап процесса схватывания, т. е. обра­

165

зование и развитие узлов схватывания, начинается при нагрузках, значительно превышающих эти значения для образцов, испытан­ ных после закалки ТВЧ, ВТМПО и абразивной шлифовки. В первом случае значения нагрузок, при которых начинается образование

н алмазного шлифования (7), ВТМПО и абразивного шлифования (2), закал ­ ки ТВЧ и абразивного шлифования (3). Прямоугольниками отмечены соответ­ ствующие интервалы нагрузок и сил трения, в которых начинается схваты­ вание

зон схватывания, лежат в интервале 18—24 кгс. Во втором случае для обоих видов обработки Р = 11 -н 16 кгс (рис. 116).

Один из факторов, обусловливающий повышенное сопротивление схватыванию после ВТМПО и алмазного шлифования, — улучшение профиля поверхности, достигнутое в результате применения шлифо­ вальных кругов с синтетическими алмазами.

Рис. 117, Профнлограмма поверхности образцов после алмазного (7) и абразивного (2) шли­ фования

На рис. 117 приведены профилограммы, полученные после алмаз­ ного 1 и абразивного 2 шлифования указанных образцов. Хотя в обоих случаях чистота поверхности различалась мало (V9), про­ филь гребешков при алмазном шлифовании менее острый, чем при абразивном, что снижает площадь фактического контакта и умень­ шает возможности пластической деформации гребешков. Вследствие

166

шлифования по сравнению с алмазным ухудшаются прочностные

Рис. 119. Изменение микротвердостн (а) и полуширины В линии (1Ю)а (б) по глубине

образцов после ВТМПО и аЛмазного шлифования.(/) и ВТМПО и абразивного шлифования (2): штриховые линии — до испытаний на схватывание; сплошные — после испытаний

Снижение микротвердостн на 100 единиц после абразивного шли­ фования свидетельствует о протекании процессов отпуска закален­ ной структуры в поверхностных слоях металла. Исследование физи­ ческого состояния поверхностного слоя закаленной стали после шлифования абразивом показало, что шлифование характеризуется

167

повышенным давлением круга на выступы поверхности и, следова­ тельно, локальным импульсным воздействием тепла, а высокие ско­ рости резания и неблагоприятная геометрия абразивных зерен приводят к пластической деформации металла в зоне резания и к раз­ витию мгновенных температур выше Асх.

Практикой доказано [10], что вследствие уменьшения коли­ чества выделяемого тепла при алмазном шлифовании развиваются значительно менее высокие температуры, чем при абразивном, что обеспечивает высокую исходную твердость материала. Результаты измерения полуширины линии (110)а свидетельствуют также о том,, что степень наклепа и уровень внутренних напряжений при абра­ зивном шлифовании в поверхностных слоях металла выше, чем при алмазном шлифовании, что, очевидно, обусловлено неблагоприят­ ной геометрией абразивных зерен.

Таким образом, в результате ухудшения структуры при абразив­ ном шлифовании происходит снижение прочностных свойств поверх­ ностных слоев металла. Этим обстоятельством можно объяснить тот факт, что образцы, упрочненные термомеханической обработкой

споследующим абразивным шлифованием, имели ту же склонность

ксхватыванию, что и образцы, закаленные нагревом ТВЧ. Структурные исследования образцов после испытания на схваты­

вание показали, что под этой областью образуется зона отпуска, в которой микротвердость снижается на 300 — 400 единиц (см. рис. 119,а, сплошные кривые / и 2). Аналогично уменьшается и значение полуширины линии (110)а (см. рис. 119, б, сплошные кри­ вые / и 2). Вследствие локальности процесса образования зон схва­ тывания глубина зоны отпуска, определяемая по изменению микро­ твердости (см. рис. 119, а), имеет разные значения (от 0,1 до 0,5 мм). Наименьшая глубина зоны отпуска наблюдалась в образцах, обра­ ботанных по схеме ВТМПО с последующим алмазным шлифованием, которые обнаружили наименьшую склонность к схватыванию при испытаниях. Это свидетельствует о более низком уровне темпера­ тур, возникающих в зоне схватывания, по. сравнению с другими случаями. Глубина зоны отпуска, определенная по изменению ши­ рины линии (110)а для всех видов обработки, составляет 0,1 мм (см. рис. 119, б), что обусловлено усреднением по всей площади пучка.

После испытания на схватывание не обнаруживается зоны вто­ ричной закалки, наблюдавшейся при образовании наваров; следо­ вательно, в зоне контакта температура не превышала значения Асх.

Исследованиями установлено, что наибольшее сопротивление к схватыванию достигается после ВТМПО с последующим алмазным шлифованием.

В этом случае повышенное сопротивление схватыванию обусло­ влено упрочнением поверхности вследствие термомеханической обра­ ботки, улучшением микропрофиля поверхности в результате алмаз­ ного шлифования, отсутствием пережогов поверхности и снижением уровня внутренних напряжений по сравнению с абразивным шли­ фованием.

168

Г л а в а V

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

1. МЕТОДИКА КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ

При проведении экспериментов на стане кварто 500 (205/360-500)

в продольном и поперечном сечениях очага деформации и участка контакта рабочего и опорного валков; 6) радиальную деформацию рабочего валка; 7) профиль полос до и после прокатки; 8) прогиб опорного валка; 9) сближение осей рабочего и опорного валков; 10) отметку момента времени, соответствующего прохождению месдозой линии центров рабочих валков.

Прокатку проводили в цилиндрических рабочих и опорных валках. Чистота обработки поверхности бочек опорных и рабочих валков составляла V8. Для исследования влияния выпуклости рабочих валков на распределение контактных напряжений по ширине полос и распределение обжатий применяли устройства принуди­ тельного изгиба (противоизгиба) рабочих валков. Скорость прокатки

Длина карточек, прокатанных без натяжения, составляла 800 мм, прокатанных с натяжением 1200 мм. Предварительно, очищенные ацетоном полосы прокатывали на сухих, тщательно протертых ацетоном валках.

При прокатке полос шириной 240 и 300 мм контактные напряже­ ния и деформации рабочего валка на участке контакта его с полосой фиксировали в двух, полос шириной 380 мм — в трех и полос 400 и 440 мм — в четырех сечениях одновременно. В контакте рабочего и опорного валков напряжения и деформации фиксировали в четырех сечениях по длине бочки валков.

Предел текучести образцов из алюминия и стали 08кп определяли на пластометре конструкции УЗТМ по методике, изложенной в ра­ боте [117]. Скорость деформации при испытании составляла 10 с -1,

Учто соответствовало средней скорости деформации металла при прокатке. Кривые упрочнения алюминия AIM и стали 08кп при холодной деформации приведены на рис. 120.

Усилие прокатки измеряли с помощью магнитоупругих месдоз [118] трансформаторного типа конструкции КБ ЦМА, разме­ щенных на стане под подушками нижнего опорного валка. Тари­ ровку месдоз проводили на стане, а также на испытательном гидра­ влическом прессе ПММ-500 (максимальное усилие 500 тс).

Крутящий момент измеряли по усилительной схеме с помощью проволочных тензодатчиков, наклеенных на тело шпинделей.

Экранированные провода от датчиков сопротивления проходили по наружной поверхности шпинделей сквозь универсальные шарниры и через осевые каналы в валках выходили на сторону, противопо­ ложную приводу.

Тарировку месдоз шпинделей производили при помощи рычага. Момент М, фиксируемый на шпинделях валков, при установив­ шемся процессе прокатки сострит из момента прокатки Мпр, момента сил, расходуемых на трение в подшипниках валков и в контакте рабочего и опорного валков Мтр и момента холостого хода Мх_х (т. е. момента на шпинделях при разведенных валках и отсутствии

полосы).

Запись осциллограммы после выхода полосы из валков позволила выделить Мпр из общего момента.

Если полосы прокатывали без предварительного поджатая вал­ ков, то отклонения шлейфов гальванометров от нулевых отметок позволяли найти сумму моментов холостого хода на верхнем и нижнем шпинделях 2 Мх. х. При этом усилие прокатки, фиксируемое месдозами, было равно нулю.

Прокатку тонких полос вели с предварительным поджатием вал­ ков. При выходе полосы из валков также измеряли моменты на шпинделях и усилие предварительного поджатая валков. Подобная запись позволяет найти момент добавочных сил, расходуемых на трение, при различных усилиях предварительного поджатая валков,

Рис. 120. Кривые упрочнения алюминия (а) и стали марки 08кп (С)

если исключить момент на трение перекатывания рабочего валка по рабочему. Учет .этого дополнительного момента выполнен в соот­ ветствии с рекомендациями работы [70].

Переднее и заднее натяжения полосы при прокатке измеряли при помощи специальных устройств. Для создания натяжения были

170