книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

стно, способствует ускорению процессов распада остаточного аусте­ нита [169, 181, 182].

В связи с этим ряд исследователей считает, что наличие оста­ точного аустенита является одной из основных причин разрушений валков холодной прокатки и что увеличение их стойкости может быть достигнуто путем уменьшения в поверхностных слоях остаточ­ ного аустенита. Отмечается, что на станах 1200 и 1450 одного из

ных токами промышленной частоты. Исследование металла от­ слоившихся кусков показало, что наиболее часто отслаиваются валки, поверхностный слой которых имеет большое количество остаточного аустенита и крупноигольчатый мартенсит. Показано, что в результате наваров на валках с бесструктурным мартенситом и равномерно распределенными карбидами в поверхностном слое образуется сетка трещин глубиной 1,5—2,0 мм. На валках же со

дов. Такого же мнения придерживаются авторы и других ра­ бот [181].

В исследованиях [169] отмечается, что возникновение поверхно­ стных дефектов обусловлено недостаточной вязкостью закаленного слоя; в условиях динамических нагрузок, действующих на валок, в закаленном слое могут образоваться трещины и произойти отка­ лывание. Поэтому выдвигается требование получения максималь­ ной вязкости закаленной стали путем проведения соответствующей термической обработки.

Многие исследователи придают большое значение влиянию ус­ ловий шлифования на качество валков. Из практики эксплуатации валков известны случаи, когда в результате применения при шли­ фовании грубозернистого круга, больших давлений, недостаточного охлаждения на поверхности возникала сетка трещин. В условиях

но-коррозионные процессы, торможение которых может привести к повышению стойкости валков.

Отдельные работы посвящены изучению механизма износа ра­ бочих валков холодной прокатки. Указывается на то, что вследст­ вие скольжения прокатываемого металла по поверхности валков в очаге деформации в направлении прокатки происходит истирание бочки. В соответствии с проведенными исследованиями авторы считают, что совместная работа пары валок — прокатываемый ме­ талл наиболее близка к процессу полирования. В связи с этим из­ нос поверхности валков в очаге деформации и при взаимном про­ скальзывании сопровождается отделением мельчайших частиц

310

металла с поверхности валков. Этим объясняется наблюдаемый факт уменьшения высоты микронеровностей в результате прокат­ ки [169].

Некоторые исследователи считают [184], что основной причиной выхода валков из строя является истирание. Поэтому следует по­ вышать «х твердость. Чем выше твердость, тем в меньшей мере валок будет изнашиваться во время работы.

Повреждения поверхностей от контактного выкрашивания не принято называть изломами. Однако отслоения и отколы поверх­

руют обычно по двум признакам: характеру нагружения, вызвав­

нагрузки.

В соответствии с условиями нагружения усталостный характер разрушений наиболее распространен в валках прокатных станов, за исключением тех случаев, когда разрушения происходят при од­ нократном или небольшом числе циклов нагружения. Следует об­ ратить внимание на то, что разрушения такого рода возникают либо при малых нагрузках и большом числе циклов нагружения, либо при больших нагрузках и малом числе циклов нагружении [169].

Отдельными предприятиями разрабатываются классификаторы повреждений валков применительно к наиболее часто встречаю­ щимся дефектам, преимущественно металлургического происхож­ дения. Дефекты же, связанные с технологическими особенностями формирования поверхностных слоев, как правило, не находят долж­ ного отражения. До настоящего времени отсутствуют данные о фи­ зическом состоянии поверхностных слоев бочек валков, поступаю­ щих на металлургические заводы. Не установлено наблюдение за изменениями поверхностного слоя в условиях эксплуатации, в свя­ зи с чем во многих случаях исключается возможность выяснения действительных причин низкой стойкости валков и выделения тех из них, которые обусловлены изготовлением или эксплуатацией.

В табл. 7.3 приведены данные о выходе из строя рабочих валков холодной прокатки по видам повреждений на станах тандем 1680 и реверсивном 1680 одного из металлургических заводов за период с 1955 по 1963 г. [169]. Видно, что основными причинами преждевре­ менного выхода валков из строя являются отслоения, отколы и вы­ крашивания, составляющие до 60% от общего количества вышед-

311

ших из строя валков. Такое же положение наблюдается и на других станах холодной прокатки.

Обследование около 300 шт. изношенных рабочих валков пока­ зало, что большинство из них имело отслоения, отколы и выкраши­ вания на рабочей поверхности. Размеры этих дефектов различны:

валков холодной прокатки определяются главным образом свойст­ вами поверхностных слоев и уровнем действующих напряжений (в случае закалки бочек наведенными токами — также свойствами участков переходных структур от зоны закалки к основному неза­ каленному металлу). Следует уделять серьезное внимание опреде­ лению момента появления и характеру первичной трещины, приво­ дящей к усталостному разрушению. При этом необходимо учиты­ вать, что наличие трещин технологического происхождения или появление усталостных трещин приводит в конечном счете к разру­ шению валка с образованием следов усталости.

Помимо указанного, стойкость валков холодной прокатки опре­ деляется материалом и технологией изготовления валков. Рассмот­

Для изготовления рабочих валков холодной прокатки приме­ няют высококачественные стали, содержащие минимальное количе­ ство вредных примесей. Помимо механических свойств в термиче­ ски обработанном состоянии, эти стали оценивают по технологи­ ческим характеристикам — закаливаемости, прокаливаемости, склонности к перегреву, чувствительности к деформации при закал­ ке, обрабатываемости, шлифуемости и др.

В табл. 7.4 приведены марки стали, применяемые для изготов­ ления валков холодной прокатки на отечественных заводах.

Из приведенных марок сталь 60Х2СМФ является доэвтектоидной, а остальные — заэвтектоидными. Закалка и низкий отпуск обес­ печивают высокую твердость указанных сталей. Структура доэвтектоидных сталей в закаленном состоянии состоит из мартенсита, а заэвтектоидных — мартенсита с избыточными карбидами и неболь­ шим количеством остаточного аустенита. Равномерное распределе­

гуляции при отжиге, поэтому избыточные карбиды, как правило, мелкие; это обеспечивает повышенную прочность сталей в закален­ ном и низкоотпущенном состоянии. Хром увеличивает прокаливаемость стали, однако при содержании более 1,5% Cr отмечается карбидная неоднородность, в структуре образуются крупные кар­ бидные частицы и характерные карбидные полосы (строчечная

313

структура). Подобная структура приводит к снижению циклической прочности стали в термически обработанном состоянии.

Хромованадиевая сталь марки 9ХФ по технологическим и эксплуатационным свойствам близка к хромистой стали марки 9Х.

ков диаметром менее 400 мм. Практически стали марок 9Х и 9ХФ взаимозаменяемы.

Сталь марки 9Х2МФ благодаря повышенному количеству хрома и наличию молибдена обладает значительно большей прокаливаемостью и закаливаемостью, чем стали марок 9Х и 9ХФ. В зака­ ленном и низкоотпущенном состоянии она имеет больше избыточ­ ных карбидов и более высокую твердость (62 —64HRC), чем рас­ смотренные выше стали. Наличие молибдена способствует сохра­ нению мелкого зерна и получению более высокой вязкости. Поэто­ му сталь марки 9Х2МФ лучше сопротивляется выкрашиванию. Молибден снижает склонность этой стали к отпускной хрупкости. В отожженном состоянии сталь марки 9Х2МФ обладает повышен­ ной твердостью (до 300НВ) и несколько хуже обрабатывается ре­ занием. В структуре закаленной стали сохраняется значительное количество остаточного аустенита. Как правило, сталь марки 9Х2МФ применяют для изготовления крупных валков диаметром более 400 мм.

Практически такими же технологическими и эксплуатационны­ ми свойствами, что и сталь марки 9Х2МФ, обладает хромовольфрамовая сталь марки 9Х2В.

Более высокие эксплуатационные свойства обеспечивает приме­ нение хромокремневолвфрамванадиевой стали марок 9Х2СВФ и 9ХСВФ. Кремний повышает теплоустойчивость, поэтому эти стали отпускают при более высокой температуре (до 240°С). В валках, изготовленных из этих сталей, можно прокатывать металл при бо­ лее высоких скоростях. Технология производства валков из стали марок 9Х2СВФ и 9ХСВФ мало отличается от технологии изготов­ ления валков из стали марки 9Х2МФ. В то же время стойкость вал­ ков значительно выше [169]. Эти стали рекомендуют для изготовле­ ния валков диаметром более 400 мм.

Уменьшение содержания углерода благоприятно сказывается на вязкости и пластичности стали и ее поведении при термической об­ работке. Этим и определяется использование доэвтектоидной хромокремнемолибденованадиевой стали марки 60Х2СМФ для изготов­

Сталь для валков холодной прокатки в Советском Союзе вы­ плавляют в кислых мартеновских печах, в основных электрических печах, дуплекс-процессом (основная мартеновская печь — кислая мартеновская печь; основная мартеновская печь — электрическая печь). Кислая сталь по сравнению с основной менее газонасыщена,

314

отличается меньшим количеством неметаллических включений и ликвационных дефектов. Однако основная сталь, полученная в

различных видов: окислы и частицы огнеупорного материала, по­ павшие в слиток в результате контакта металла с кладкой печи и

типа окислов, по-видимому, являются очагами усталостного разру­ шения. Сернистые соединения снижают ударную вязкость.

На заводах-изготовителях, как правило, поковки валков диа­ метром более 320 мм изготовляют под прессом. Нагрев перед ков­ кой необходимо производить с определенной скоростью, с тем что­ бы вследствие большой неравномерности распределения темпера­ тур по сечению обрабатываемого металла не возникли внутренние трещины.

Температуру нагрева перед ковкой следует строго контролиро­ вать и не превышать установленной (1150—1180°С), несмотря на относительно высокое сопротивление деформации валковых сталей при температуре ковки. Несоблюдение температурного режима ве­ дет к росту зерна, перегреву и пережогу стали.

Величина укова определяется, с одной стороны, необходимостью равномерной деформации поковки с достаточным уплотнением центральной зоны и, с другой стороны, опасностью, которую пред­ ставляют неметаллические включения вытянутой формы, имеющие­ ся в стали. Согласно ГОСТ 3541—57, уков слитка по сечению бочки валка должен быть не менее трех.

Для снижения твердости поковок перед механической обработ­ кой производят отжиг, в результате которого достигается измель­ чение зерна и придание структуре металла поковки большей одно­ родности, а также снятие в поковках внутренних напряжений и предотвращение флокенов.

При обдирке поковок необходимо оставить правильный припуск (6—12 мм) на дальнейшую обработку. В противном случае может остаться частично обезуглероженный слой металла или частично удален активный закаленный слой.

Микронеровности на поверхности осевого канала являются кон­ центраторами напряжений и при определенных условиях могут стать источниками трещин. Поэтому следует обращать внимание на чистоту поверхности осевого канала.

Улучшение (нагрев до высокой температуры, ускоренное охлаж­ дение, отпуск при 720—790° С) валков производится с целью под­ готовки металла к дальнейшей закалке, ликвидации остатков кар-

315

бидной сетки, измельчения карбидов и образования однородного мелкозернистого перлита [169].

После улучшения валки подвергают механической обработке на токарном станке, при которой снимают обезуглероженный слой ме­ талла, образовавшийся в процессе термической обработки. Уста­

поверхностей при последующей закалке приводит к структурной не­ однородности. Последняя не устраняется отделочными операциями, так как глубина ее распространения превосходит припуски на об­ работку.

В настоящее время на отечественных заводах для валков приме­ няют объемную закалку и закалку с нагревом токами промышлен­ ной частоты (ТПЧ).

Объемной закалке можно подвергать валки всех размеров и сортов. Твердость шейки валка должна быть 30—50 единиц по Шору. Перед нагревом под закалку валки изолируют металлически­ ми кожухами, в которые заливают специальный бетон. Иногда за­ калку валков ведут в специальных приспособлениях без кожухов. Для валков с осевым каналом применяют внутреннее охлаждение при закалке. В отверстие канала со стороны нижней и верхней шеек вставляют трубки для подачи воды.

Для предотвращения обезуглероживания поверхности перед по­ садкой в печь валки смазывают смесью графита с водой или мас­ лом. Сначала валки подогревают до 650° С, затем переносят в за­ калочную печь с температурой 930—960° С, где прогревают до тем­ пературы закалки только наружный слой толщиной 50—100 мм. После этого температуру печи быстро снижают до 840—850° С. Та­ кой нагрев уменьшает остаточные напряжения при закалке, улуч­ шает структуру металла, обеспечивает равномерную твердость по бочке и снижает продолжительность нагрева под закалку пример­ но в два раза. Для получения высокой твердости при закалке вал­ ки охлаждают водой в специальном устройстве (струи воды на­ правлены по касательной к бочке валка) или в закалочном баке.

Для рабочих валков с твердостью бочки более 90 единиц по Шору температура поверхности бочки после закалки должна быть 50—90° С, а для валков с твердостью 70—85 единиц по Шору — 70—100° С. После снятия кожухов и удаления изоляции валок для уменьшения закалочных напряжений сразу переносят в отпускную ванну.

При закалке валков с нагревом ТПЧ поверхностный нагрев вал­ ка осуществляют на индукционных установках. На отечественных заводах широкое распространение получили установка и метод по­ верхностной закалки валков холодной прокатки, разработанные ЦНИИТМАШем. Схема установки приведена на рис. 7.1. Валок в вертикальном положении помещают внутрь многовиткового коль­ цевого индуктора и вращают от электродвигателя со скоростью 20—40 об/мин. В начальный момент при неподвижном индукторе нагревают нижнюю часть бочки валка; затем индуктор с опреде-

316

ленной скоростью перемещается вверх, осуществляя последователь­ ный нагрев бочки.

При подаче на валок охлаждающей воды происходит последо­ вательная закалка нагретых до закалочной температуры участков бочки. Разбрызгиватель, расположенный непосредственно под ин­ дуктором, перемещается вместе с ним.

Для создания плавного переходного слоя осуществляют предва­ рительный подогрев валков до 600—650° С. Его выполняют за один или несколько (3—4) проходов индуктора вдоль бочки. Скорость движения индуктора при подогре­ ве (в зависимости от диаметра бочки) находится в пределах 1,5—3 мм/сек, а при закалке — 0,5—1,5 мм/сек. Температура на­ грева валков под закалку для

сталей 9Х, 9X2, 9Х2В и 9ХСФ, 9Х2МФ соответственно равна 880—900 и 900—920° С. Валки в установке охлаждают до тех пор, пока температура на поверхности бочки не снизится до 100° С.

Для уменьшения остаточных напряжений закаленные валки отпускают. Отпуск осуществляют в масляной ванне при 130—140° С после объемной закалки и при 160—180° С после закалки с на­ грева ТПЧ; длительность отпуска 120 ч. Температура валков перед посадкой в ванну не менее 60° С. После отпуска валки до 70° С ох­ лаждают в ванне, а затем на воздухе; валки небольших раз­

меров, как правило, охлаждают с температуры отпуска на воздухе. Пауза между закалкой и отпуском не должна превышать 1—3 ч.

После отпуска валки подвергают окончательной механической обработке и контролю. Валки диаметром более 200 мм отпускают еще раз (старение). Старение производят при 120—130°С (для вал­ ков с объемной закалкой) и 140—150° С (для валков, закаленных с нагрева ТПЧ) . Длительность старения 60 ч. Валки, отпущенные при 240° С и выше, второму отпуску не подвергают.

Па НКМЗ рабочие валки после закалки с нагрева ТПЧ отпуска­ ют при 240° С. При такой температуре происходит более полная стабилизация структурных составляющих и остаточные напряжения снижаются за более короткий период (5—8 ч). Такой режим благо­ приятно сказывается на стойкости валков; общая продолжитель­ ность отпуска сокращается в 15—20 раз.

Опорные валки обычно изготовляют из сталей 65ХНВ, 9ХФ, 60ХНВ, 80ХНЗВ и 9X2. Более распространены стали 9ХФ, 9X2 и

3!7

80ХНЗВ; в настоящее время они являются основными для произ­ водства опорных валков больших размеров.

В отечественной .практике для непрерывных станов холодной прокатки 'наибольшее распространение получили цельнокованые опорные валки; применяют для этих станов и составные (бандажированные) валки. В зарубежной практике часто применяют литые опорные валки больших размеров. Установка литых опорных вал­ ков на подшипниках жидкостного трения обеспечивает достаточную прочность шеек; соответствующей термообработкой удается достиг­ нуть необходимой твердости (45—55 единиц по Шору).

Технология изготовления опорных валков на отдельных этапах несколько отличается от технологии изготовления рабочих валков. Это связано с их размерами (масса опорных валков для станов кварто в 10—15 раз больше массы рабочих валков) и специфиче­ скими условиями службы.

В заключение укажем основные требования, предъявляемые к качеству валков холодной прокатки:

1) высокая и равномерная твердость поверхности (для рабочих

са валка); при этом глубиной «активного» слоя считают расстояние от поверхности до зоны с твердостью '87—89 единиц по Шору; пере­ ход от незакаленной зоны к закаленной должен быть плавным;

3)высокое качество поверхности бочки валка (чистота поверх­ ности соответствует 8—10-му классу) ;

4)высокие механические свойства центральной зоны бочки и шеек валка;

5)благоприятное распределение остаточных напряжений;

6)высокая износостойкость и контактная усталостная проч­

ность;

7)отсутствие металлургических дефектов и загрязнений (гру­ бых неметаллических включений) в стали;

8)отсутствие флокенов, грубых скоплений карбидов, карбид­

ной сетки, крупноигольчатого мартенсита и других дефектов макро- и микроструктуры.

Помимо указанного, опорные валки должны обладать высокой прочностью на изгиб и контактную усталость.

3. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ВАЛКОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Валки холодной прокатки работают в условиях сложного напря­ женного состояния, вызванного совместным действием остаточных, контактных, изгибающих, тепловых нагрузок и крутящего момента. Напряжения в валках возникают как в процессе изготовления (в основном, при термической обработке), так и в процессе эксплуа­ тации. Эксплуатационные напряжения появляются в результате силового воздействия прокатываемого металла на валки (давление металла на валки, натяжение полосы, крутящие моменты) и от дей­ ствия тепловых факторов (нагрев валков от тепла, выделяющегося

318

в процессе пластической деформации прокатываемого металла, и охлаждение их эмульсией или водой).

Для осуществления процесса холодной прокатки необходимо за­ тратить определенное количество энергии. Часть энергии превра­ щается в тепло, а часть остается в деформированном металле в виде связанной потенциальной энергии. В результате выделения тепла поверхностный слой, а затем и весь валок нагреваются; в по­ следующем под действием охлаждающей жидкости происходит их охлаждение. Исследования показывают [20, ПО, 134, 165, 169, 188— 190], что при прокатке поверхность бочки валка разогревается до значительных температур, зависящих от степени и интенсивности деформации, условий охлаждения, скорости прокатки и других фак­ торов. При этом наблюдаются большие колебания температуры как

Как известно, особенностью работы станов холодной прокатки является наличие в поверхностных слоях бочки валков высоких контактных напряжений, близких по величине к значениям предела текучести и прочности. Кроме того, в валках имеются значительные остаточные напряжения, возникшие главным образом в результате термической обработки. Поэтому сравнительно небольшие дополни­ тельные тепловые напряжения, сами по себе не представляющие серьезной опасности для материала валков, накладываясь на кон­ тактные и остаточные напряжения, приводят к появлению очагов усталостного разрушения; последние, развиваясь, вызывают мест­

В связи со сказанным особое значение приобретает знание тем­ пературного поля валков холодной прокатки в процессе эксплуа­ тации. Этому вопросу посвящено большое количество работ и, в

трехклетевой стан 740 Новосибирского металлургического завода (максимальная скорость прокатки 3,75 м/сек) и несколько клетей четырехклетевого стана 1700 Череповецкого металлургического за­ вода (максимальная скорость прокатки 20 м/сек). Типовые диа­ граммы изменения температуры валков в процессе прокатки на этих станах, по данным А. В. Т р е т ь я к о в а и Э. А. Г а р б е р а [134], представлены на рис. 7.2 и 7.3.

В результате анализа полученных данных установлено, что в процессе работы стана происходят колебания температуры поверх­ ности валков. Эти колебания носят циклический характер, причем на рис. 7.2 видно, что цикл колебаний температуры соответствует

319