Способ термической обработки прокатных валков

 

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ преимущественно крупных из дисперсионнотвердеющих сталей, включающий форси-рованнЕлй печной нагрев до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине , струйную закалку бОчки с охлаждением осевого канала и отпуск,о т личающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости путем предотвращения образования трещин, после выдержки до достижения температуры закалки на заданной глубине валок подстуживают на воздухе до достижения на поверхс ности бочки температуры А , а охлаждение осевого канала начинают; (Л при достижении в сечении бочки максимальной температуры А(„ . |

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И).

3(5D С 21 D 9 38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2890302/22-02 (22) 06.03.80 (46) 28.02,84. Бюл. Р 8 (72) В.Г.Сорокин, В.В.Черных, (0.A.Карасюк, A.С.Гавришко, B. 3. Камалов, (О.А. Грушко, Н.П.Морозов, С.П.Грубова, Ю.В.Юдин, В.Б.Дядюк, Е.Г.Гасилова, А,М.Ëåãóí, Р.A.Çèëü- берштейн и В.А.Башлыков (71) Центральный научно-исследовательский институт материалов и технологии тяжелого и транспортного машиностроения и Производственное объединение "Ново-Краматорский машиностроительный завод" (53) 621. 785. 79 (088. 8) (56) 1. Гедеон М. В., Соболь Г. П., Паисов И.В. Термическая обработка валков холодной прокатки. N., "Металлургия", 1973, с. 161, 170.

2. "Iron and Steel Eng ineer", 1972, Р 12, р. 69-75, 3. Гедеон М.В., Соболь Г.П.

Паисов И.В. Термическая обработка валков холодной прокатки. M., "Металлургия", 1973, с. 162-164. (54)(57) СПОСОБ ТЕРИИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ преимущественно крупных иэ дисперсионнотвердеющих сталей, включающий форси-. рованный печной нагрев до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине, струйную закалку бОчки с охлаждением осевого канала и отпуск,о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости путем предотвращения образования трещин, после выдержки до достижения температуры закалки на заданной глубине валок подстуживают на воздухе до достижения на поверхности бочки температуры А„, а ох- ф лаждение осевого канала начинают . при достижении в сечении бочки максимальной температуры А „ .

С:

1076470

Изобретение относится к металлур гии и машиностроению, в частности к . способам окончательной термической обработки опорных валков для листовых станов холодной и теплой прокатки.

Известны способы закалки крупных прокатных валков: объемная закалка и закалка с нагрева ТПЧ (поверхностная) (1) .

Закалка с нагрева ТПЧ обладает рядом преимуществ перед объемной закалкой: обеспечивает более высокую поверхностную твердость на бочке, .большую глубину закаленного слоя, несколько меньший уровень остаточных 15 напряжений . Кроме того, закалка с нагрева ТПЧ способствует значительному увеличению производительности операции закалки (в 5-10 раэ), исключает операции сборки валков и тепло- 20 изоляцию шеек. Вместе с тем, закалка с нагрева ТПЧ в случае особо крупных валков, диаметром свыше 1800 мм, сопряжена со значительными конструк тивными и технологическими трудностя-75 ми, главным образом из-эа необходимости высоких энергозатрат при нагреве.

Объемная закалка обладает и некоторыми положительными качествами, основным из которых является более плавная, чем при закалке с нагрева

ТПЧ, переходная зона от закаленного слоя к сердцевине валка. Однако укаэанные преимущества закалки с нагрева ТПЧ ограничивают применение объемной закалки.

Одним иэ перспективных путей повышения твердости и глубины активного слоя является применение сталей с более высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, высоким сопротивлением отпуску и, в частности, дисперсионно-твердеющих сталей, легированных сильными карбидообразующими элементами (ванадием, ниобием и др.) ."5

Повышенная прокаливаемость и способ. ность к дисперсионному твердению при высоком отпуске обеспечиваются у таких сталей определенной степенью растворения карбидной фазы в аусте- 50 ните при закалке от высоких температур (1000-1200 C), при этом получается мелкое действительное зерно.

Общим недостатком объемной закалки и закалки с нагрева ТПЧ крупных валков, .изготовленных из дисперсионно-твердеющих: сталей, является опасность возникновения трещин в сечении из-за высоких временных и остаточных растягивающих напряжений. 60

Известен способ термической обра,ботки крупных валков, включающий форсированный печной нагрев до достижения на поверхности бочки заданной температуры закалки, последующий про-g5 грев по сечению вьме точки Ас на заданную глубину, закалку поверхности бочки f23.

Укаэанный способ, обладая всеми преимуществами закалки с нагрева ТПЧ, имеет значительно более низкие энергоэатраты при нагреве, более плавную переходную зону.

Недостатком указанного способа особенно в случае термообработки валков из дисперсионно-твердеющих сталей является уровень временных и остаточных напряжений в процессе закалки, способствующий образованию трещин и разрушению валков непосредственно при термообработке или в первоначальный период эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ термообработки крупных валков, включающий форсированный печной нагрев до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине, струйную закалку бочки с одновременным охлаждением осевого канала (3).

Принудительное охлаждение осевого канала при закалке обеспечивает существенное снижение остаточных напряжений. Однако уровень временных напряжений, остается весьма высоким, особенно в первоначальный период закалки, что не исключает возможность образования трещин. При этом высокие растягивающие напряжения образуются как в поверхностном слое бочки (изза высокого градиента температур между поверхностью, температура которой несколько выше точки М, и более глубокими слоями),так и на поверхности осевого канала, подвергающейся принудительному охлаждению (также из-эа высокого градиента температур) ° В средней части сечения, имеющей более высокую температуру, по закону равновесия формируются сжимающие напряжения.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной стойкости путем предотвращения образования трещин.

Поставленная цель достигается тем, что способу термообработки, включающему форсированный печной нагрен до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине, струйную закалку бочки с охлаждением осевого канала и отпуск, после выдержки до достижения температуры закалки на заданной глубине валок подстуживают на воздухе до достижения на поверхности бочки температуры A > а охлаждение осевого канала начинают при достижении в сечении бочки максимальной температуры A

Такие показатели качества валка, как твердость и глубина закаленного слоя, уровень остаточных напряже1076 470 ний при термообработке по предлагаемому способу остаются примерно на том же уровне, что и для известного.

Уменьшение градиента температур между поверхностью бочки и зоной сечении с максимальной температурой, обеспечиваемое в,результате подстуживания валка на воздухе до температуры поверхности бочки равной А >,. приводит к существенному снижению временных растягивающих напряжений 10 в поверхностной зоне в самый опасный первоначальный период закалки, когда температура поверхности несколько выше точки И„. Это исключает возможность образования закалочных 15 трещин в поверхностной зоне.

Аустенит при таком переохлаждении еще сохраняет устойчивость. Подстуживание до температуры более высокой, чем точка А„>, недостаточно зф- 20 фективно с точки зрения снижения временных напряжений в поверхностной зоне (градиент температур еще велик). .Подстуживание до температур более низких, чем точка А, напри- 25 мер до А„., неизбежно вызовет выдеI ление определенного количества ч астиц карбидной фазы, оставшееся в аустените количество углерода и легирующих элементов может оказаться недостаточным для дисперсионного твердения при последующем отпуске.

Задержка с началом охлаждения осевого канала от начала закалки до момента, когда максимальная температура в сечении снизится до точки . A„, приводит к тому, что градиент температур между поверхностью осевого канала и зоной сечения с максимальной температурой, образующийся при включении внутреннего охлаж- 40 дения, становится значительно меньшим, чем в случае термообработки по известному способу. Начинать охлаж;дение осевого канала раньше указанI ного момента нецелесообраз но, так 45 как снижение градиента еще недостаточно и временные напряжения велики. Затягивать охлаждение дольше также не следует, поскольку в поверхностной зоне начинает интенсивно развиваться на значительную глубину мартенситное превращение, идущее с увеличением объема. Растя,гивающие напряжения в поверхностной зоне падают до нуля и переходят s 55 сжимающие, по закону равновесия это вызывает дополнительный прирост растягивающих напряжений в осевой зоне.

Пример. Осуществляют срав- 60 нительное расчетно-экспериментальное исследование свойств опорного валка стана ТЛС-5000 диаметром

2100 мм с осевым каналом 700 мм, изготовленного из дисперсионно-тверде. ющей стали 70Х2МФБ и термообработанного по известному и предлагаемому способам.

Известный способ термообработки: предварительный подогрев валка (объемный) до 550ОС, форсированный печной нагрев до температуры поверхности бочки 1025 С, струйная закалка с одновременным охлаждением проточной водой осевого канала. .Предлагаемый способ термообработки: предварительный подогрев до

550 С, форсированный печной нагрев о до температуры поверхности бочки

1025 С, подстуживание валка на возо духе до температуры поверхности бочки А„ =720 С, струйная закалка с охлаждением осевого канала проточной водой, которое начинают, когда максимальная температура в сечении снижается до А„ =695 С.

Для известного и предлагаемого способов термообработки проводят расчет температурных полей и напряженно-деформированного состояния в вал ке.

Химический состав стали 70Х2МФБ приведен в табл.1 (в энаменателеплавочный состав, в числителе - ма рочный) .

Твердость определяют на образцах размером 15«15«15 мм (3 .образца на точку), охлажденных от принятой температуры закалки 1025С С со скоростью, соответствующей расчетной скорости охлаждения валка диаметром

2100 мм по глубине 30 мм от поверхности бочки.

Температура аустенизации 1025 С выбрана по результатам эксперимен тальной оценки содержания ванадия, растворенного в аустените при раз" ных температурах (методом фазового анализа карбидного осадка).

При выбранной для стали 70Х2МФВ температуре аустенизации 1025 С в твердый раствор переходит примерно

50% всего содержащегося в стали ванадия. Это обеспечит повышенную прокаливаемость стали и ее способность к дисперсионному твердению. Оставшийся связанным в карбиды ванадий (40Ъ) и карбиды ниобия предотвращают рост аустенитного зерна.

Глубину закаленного слоя (распределение твердости в поверхностном слое валка) оценивают экспериментально-расчетным методом по результатам наложения расчетных кривых охлаждения для разных точек ;сечения на экспериментально определенные термокинетические диаграммы стали (для разных температур аустенизации).

В табл. 2 представлены расчетные значения временных напряжений на поверхности бочки и на поверхности осевого канала, а также твердость в

1076470

Легирующие элементы

Мп

Содержание, вес.Ъ

1 7-2 2 с с

2,08

0 4-0 6 с с

0 5-0 8 с с

0,57

0 17-0 37 с

0,26

0 65-0 75 с с

0,71

0,47

Продолжение табл.1

Легирующие элементы

Содержание, вес.Ъ

0 1-0 2 с

0,18

0 4-0 6 с с

0,55

0 03

L===

0,019

0 03 с

0,023

0 20 с

0,18 поверхностном слое и глубина закаленного слоя.

Эксперименты и расчеты проводят для следующих вариантов предлагаемого способа: 1 — подстуживание до тЕмпературы поверхности бочки А„3 +20 С, 5 начало охлаждения осевого канала в момент, когда максимальная температура в сечении снизится до A <+20 С, 2 — подстуживание до А„ -20 C начало охлаждения соответствует A -20 С, 1О

3 — под стужив ание до A>g, начало охлаждения соответствует A .

Из приведенных в табл,2 данных .следует, что при термообработке по предлагаемому способу существует оп- 15 реДеленная область изменения заданных параметров охлаждения, внутри которой значения временных напряжений минимальны и показатели качества валков близки к соответствующим 7() показателям для известного способа °

Эта область изменения: подстуживание до температуры поверхности бочки

А„>+10 С; начало охлаждения осевого канала в момент, когда максимальная 25 температура в сечении снизится до

А +10 С. B случае выхода за пределы этой области комплекс указанных характеристик нельзя считать оптимальным в

При термообработке по предлагаемому способу максимальный уровень временных осевых растягивающих напряжений в.первоначальный период закалки снижается по сравнению с известным способом на 55В для поверхности бочки и на 46% для поверхности осевого канала. При этом такие показатели качества валка, как твердость и глубина закаленного слоя, уровень остаточных напряжений в обоих случаях остаются примерно на одинаковом уровне.

Предлагаемый способ окончательной термической обработки крупных прокатных валков позволяет снизить брак при изготовлении валков и существенно повысить надежность в ксплуатации за счет предотвращения образования трещин в сечении при закалке изза высоких временных напряжений.

Таблица 1

10 76 470

Таблица 2

Способ термообработки

Уровень временных осевых растягивающих напряжений, МПа (кгс/мм ) 480 (48) 336 (33,6) -280 (-28) 54

Из вест ный

Предлагаемый по вариантам

-278 (-27,8)

-265 (-26,5) 256 (25,6) 245 (24,5)

173 (17,3) 132 (13,2)

212 (21,2) 180 (18) 54

51

-252 (-25,2) 47

Составитель A. Секей

Редактор В.Петраш Техред С. Легеза Корректор A.Ференц

Заказ 660/24 Тираж 540 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 на поверх» ности бочки через б мин после начала закалки на поверхности осевого канала через б мин после начала внутренне-. го охлаждения

Твердость в поверхностном слое после закалки (30 мм от поверхности бочки), HRC

Глубина закаленного слоя,мм (от поверхности до полумартенситной зоны с твердостью 48 HKC) Уровень остаточных осевых напряже- ний на по верхности осевого канала,МПа (кгс/мм /