Способ производства круглого профильного проката для тел качения подшипников

Изобретение предназначено для горячей сортовой прокатки круглых профилей и катанки диаметром 6,5-24 мм из непрерывно-литых шарикоподшипниковых сталей. Способ включает нагрев заготовки, многопроходную прокатку в валках с калибрами, ускоренное охлаждение водой и окончательное охлаждение на воздухе. Повышение качества и увеличение выхода годного обеспечивается тем, что многопроходную прокатку производят в температурном интервале от 1120-1190 до 900-1000°С с коэффициентом вытяжки за проход 1,08-1,49 при суммарном коэффициенте вытяжки не менее 23. После достижения величины коэффициента суммарной вытяжки 1,5-2,6 полосы охлаждают, затем подвергают повторному нагреву до температуры 1120-1190°С и завершают прокатку до конечного диаметра круглого профиля, а ускоренное охлаждение водой круглого профильного проката ведут до температуры 530-870°С. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при горячей сортовой прокатке круглых профилей и катанки диаметром 6,5-24 мм из непрерывно-литых шарикоподшипниковых сталей.

Сортовой прокат круглого сечения диаметром 6,5-23 мм из легированной шарикоподшипниковой стали ШХ15СГ-В, используемый для изготовления тел качения (шариков и роликов) подшипниковых опор, после термообработки (изотермический отжиг при 790-810°С, охлаждение со скоростью 10-20°С/ч) должен обладать следующим комплексом механических свойств (табл.1):

Таблица 1
Механические свойства круглого профильного проката из шарикоподшипниковой стали
σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	Ψ, %	НВ, ед.
590-730	370-410	15-25	35-55	179-217

В табл.2 приведены микроструктурные показатели круглых профилей из стали ШХ15СГ-В в горячекатаном состоянии:

Таблица 2
Параметры микроструктуры прутков для тел качения подшипников
Остатки карбидной сетки	Карбидная ликвация	Структурная полосчатость	Сульфиды	Оксиды	Глобули
в баллах, не более
3,0	3,0	4,0	2,5	2,5	2,0

Известен способ изготовления сортового проката, включающий нагрев катаной заготовки, прокатку с температурой конца прокатки Ar₃+(30-80°С), охлаждение с критической скоростью до температуры распада аустенита и окончательное охлаждение на воздухе, согласно которому производят ускоренное охлаждение раската до температуры Ar₃+(30-80°С) с изменяющейся по длине скоростью перед последними 1-5 пропусками, а охлаждение с критической скоростью производят до Ar₁-(Ar₁-50°C) [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что профиль круглого сечения из шарикоподшипниковой стали, прокатанный из непрерывно-литой заготовки, имеет низкие механические свойства и не соответствует требованиям по микроструктуре, что снижает качество и выход годного проката.

Известен также способ производства проката из заэвтектоидных сталей, в том числе шарикоподшипниковых: ШХ15, ХВГ, ХВСГ. Способ включает нагрев катаной заготовки, горячую деформацию и охлаждение, причем нагрев производят до температуры Ac_m-(Ac_m-100°С), а охлаждение осуществляют на воздухе [2].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не пригоден для прокатки непрерывно-литой заготовки из шарикоподшипниковой стали, т.к. в этом случае круглый профиль имеет низкие механические свойства, высокий балл карбидной сетки и карбидной ликвации.

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства сортового проката, в том числе из шарикоподшипниковых сталей, включающий нагрев и прокатку слитка в заготовку, охлаждение катаной заготовки, последующий ее нагрев до температуры аустенитизации 1120-1180°С, многопроходную прокатку до конечных размеров с температурой конца прокатки 930-970°С, ускоренное охлаждение водой до температуры 800-850°С и окончательное охлаждение на воздухе [3].

При таком способе, в случае использования вместо катаной непрерывно-литой заготовки из шарикоподшипниковой стали, прутки круглого сечения и катанка после охлаждения имеют низкие пластические свойства, в их микроструктуре сохраняются остатки карбидной сетки 3-5 балла, высокая карбидная ликвация, крупные сульфиды и оксиды, достигающие 5 баллов. В результате имеет место снижение качества и выхода годного круглого профильного проката для тел качения подшипников, произведенного из непрерывно-литых заготовок.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышения качества и увеличения выхода годного при использовании для прокатки непрерывно-литых заготовок.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства круглого профильного проката для тел качения подшипников, включающий нагрев заготовок, многопроходную горячую прокатку в валках с калибрами в регламентированном температурном интервале, ускоренное охлаждение водой и окончательное охлаждение на воздухе, согласно предложению многопроходную горячую прокатку ведут в температурном интервале от 1120-1190 до 900-1000°С с коэффициентом вытяжки за проход 1,08-1,49 при суммарном коэффициенте вытяжки не менее 23. Кроме того, после достижения величины коэффициента суммарной вытяжки 1,5-2,6, полосы охлаждают, затем подвергают повторному нагреву до температуры 1120-1190°С и завершают прокатку до конечного диаметра круглого профиля, а ускоренное охлаждение водой круглого профильного проката ведут до температуры 530-870°С.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Традиционная технология производства круглого профильного проката из шарикоподшипниковой стали включает отливку слитка, его прокатку вначале в блюм, а затем в катаную заготовку на непрерывно-заготовочном стане, и последующую прокатку катаной заготовки в пруток круглого сечения (или катанку). При этом за счет проведения деформации по схеме: слиток→блюм→катаная заготовка→круглый профиль конечного диаметра достигается измельчение карбидной сетки и карбидной ликвации, устранение структурной полосчатости и достижение требуемых механических свойств. Однако производство проката с использованием слитка приводит к увеличению расходов на прокатный передел, расходного коэффициента металла и снижению выхода годного из-за повышенной химической неоднородности (ликвации) углерода и хрома в теле слитка. Поэтому современная технология производства сортового проката основана на использовании непрерывно-литой заготовки квадратного сечения 150×150 мм и менее, а деформация осуществляется по схеме: непрерывно-литая заготовка→круглый профиль конечного диаметра.

Переход на непрерывно-литую заготовку исключает из технологической схемы производства обжимной и непрерывно-заготовочный станы, уменьшает расходный коэффициент и химическую неоднородность стали. Но неизбежное снижение суммарной деформации затрудняет полное разрушение карбидной сетки и карбидной ликвации, образующейся в процессе кристаллизации литой заготовки. Вследствие этого известные деформационно-термические режимы производства не обеспечивают получения высококачественного по микроструктуре и механическим свойствам круглого профильного проката для тел качения подшипников, что приводит к снижению выхода годного.

Экспериментально установлено, что многопроходная горячая прокатка непрерывно-литой заготовки в температурном интервале от 1120-1190 до 900-1000°С с коэффициентом вытяжки за проход 1,08-1,49, эффективно разрушает карбидную сетку и препятствует ее восстановлению. Разрушение карбидной сетки, снижение карбидной ликвации, устранение структурной полосчатости, измельчение литейных сульфидов, оксидов и глобулей происходит последовательно от прохода к проходу. При достижении суммарного коэффициента вытяжки, равного 23, измельчение вредных микроструктурных составляющих достигает требуемой степени, их размеры, оцениваемые в баллах, не превышают значений, регламентированных в табл.2.

Горячая прокатка до достижения величины коэффициента суммарной вытяжки 1,5-2,6, последующее охлаждение и повторный нагрев до температуры 1120-1190°С, за счет эффекта температурно-деформационного циклирования, способствуют более эффективному разрушению карбидной сетки и ликвации, устранению структурной полосчатости, повышению механических свойств.

В результате первого этапа горячей прокатки в полосе из шарикопошипниковой стали формируется менее грубая карбидная сетка, сниженная ликвация и структурная неоднородность. Последующее охлаждение, повторный нагрев до температуры 1120-1190°С и повторная многопроходная горячая прокатка до конечного диаметра круглого профильного проката способствуют дальнейшему снижению баллов остатков карбидной сетки и ликвации, повышению пластических свойств готового проката. Это дополнительно повышает его качество и выход годного.

Охлаждение горячекатаного круглого профильного проката водой с температуры 530-870°С способствует формированию более мелкозернистой и стабильной микроструктуры по сечению и длине полосы, исключает рост вторичной карбидной сетки, а последующее охлаждение на воздухе от температуры 530-870°С снижает в стали остаточные фазовые и термические напряжения. Это дополнительно способствует повышению качества и выхода годных сортовых профилей.

При температуре начала многопроходной прокатки непрерывно-литой заготовки ниже 1120°С снижается технологическая пластичность стали в последних проходах в валках с калибрами, температура профилей малых диаметров в чистовых проходах ниже 900°С, что недопустимо. Повышение этой температуры выше 1190°С приводит к снижению прорабатываемости литой структуры металла и снижению эффективности разрушения карбидной сетки, измельчения микроструктуры и неметаллических включений. В результате снижается качество и выход годного проката.

Если нижняя граница температурного интервала деформации будет менее 900°С, то это приведет к потере пластичности шарикоподшипниковой стали, снижению точности прокатки и выхода годного. Увеличение этой температуры выше 1000°С не исключает последеформационного укрупнения карбидной сетки, роста зерна микроструктуры и ухудшения механических свойств круглого профильного проката.

Снижение коэффициента вытяжки за проход менее 1,08 ухудшает прорабатываемость полосы, уменьшает степень разрушения карбидной сетки и литой структуры, что ухудшает качество и снижает выход годной продукции. Увеличение коэффициента вытяжки за проход более 1,49 в температурном интервале деформации от 1120-1190 до 900-1000°С вызывает появление неоднородности микроструктуры и фазового состава стали из-за наклепа аустенита, что ухудшает равномерность свойств готового проката, не исключает образования трещин и разрывов в полосе из шарикоподшипниковой стали, что ухудшает качества и снижает выход годного проката.

При многопроходной прокатке круглого профильного проката из непрерывно-литой заготовки из шарикоподшипниковой стали с суммарной вытяжкой менее 23 не достигается требуемого балла остатков карбидной сетки и снижения карбидной ликвации, т.к. не обеспечивается образования достаточного количества дислокаций для удержания карбидов внутри зерен микроструктуры. Это приводит к формированию карбидной сетки по границам зерен, снижению качества и выхода годного проката.

При коэффициенте суммарной вытяжки (в случае горячей прокатки за два этапа) менее 1,5 достигается необходимая степень измельчения дендритов, разрушения карбидной сетки и карбидной ликвации непрерывно-литой заготовки перед вторым этапом. Увеличение этого коэффициента более 2,6 интенсифицирует при повторном нагреве рост зерен микроструктуры и выделение вторичных карбидов из металлической матрицы, что приводит к росту и огрублению карбидной сетки, ухудшению качества готового проката.

При температуре повторного нагрева ниже 1120°С снижается технологическая пластичность стали в последних проходах в валках с калибрами, температура профилей малых диаметров в чистовых проходах ниже 900°С, что недопустимо. Повышение этой температуры выше 1190°С приводит к снижению прорабатываемости литой структуры металла и снижению эффективности разрушения карбидной сетки, измельчения микроструктуры и неметаллических включений. В результате снижается качество и выход годного проката.

При повышении температуры окончания ускоренного охлаждения водой более 870°С имеет место рост зерен микроструктуры и ухудшение механических свойств особенно на профилях увеличенного сечения, повышение качества круглого сортовых профилей не достигается. Снижение этой температуры менее 530°С приводит к ухудшению пластических свойств готового проката и снижению выхода годного.

Примеры реализации способа

Для производства круглого профильного проката диаметром d=18 мм из шарикоподшипниковой стали марки ШХ15СГ-В используют непрерывно-литые квадратные заготовки сечением S₁=150×l50 мм.

Заготовки нагревают в методической газовой печи до температуры аустенитизации Т_н1=1150°С и, после выдержки в течение 2 ч для выравнивания температуры по сечению, последовательно выталкивают на печной рольганг сортового стана 350.

Нагретую заготовку задают в валки с калибрами и осуществляют первый этап ее горячей прокатки в черновой группе клетей за 5 проходов в горизонтальных и вертикальных валках с системой калибров «ромб-квадрат» в полуфабрикаты квадратного сечения S₂=100×100 мм с коэффициентом вытяжки за проход λ₁=1,176.

Суммарная вытяжка λ_Σ1 при этом равна:

.

Полученные полуфабрикаты охлаждают, после чего загружают в нагревательную печь с газовым отоплением, где производят их повторный нагрев до температуры Т_н2=1150°С и подвергают второму этапу горячей прокатки в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами сортопрокатного стана 250. Прокатку осуществляют за 17 проходов с коэффициентом вытяжки в каждом проходе λ₂=1,241 в профиль круглого сечения площадью S₃ (диаметр d=18 мм) при температуре конца прокатки Т_кп=950°С. Суммарная вытяжка λ_Σ1-2 после двух этапов прокатки составляет:

Прокатанный профиль круглого сечения, выходящий из валков последней клети, пропускают через трубчатый холодильник, в который подают охлаждающую воду. В трубчатом холодильнике прокат охлаждают от температуры Т_кп=950°С до температуры Т_о=700°С. После этого прокат охлаждают на воздухе с самопроизвольной скоростью.

От прокатанного профиля отбирают пробы для оценки микроструктурных параметров и проведения испытаний механических свойств после имитирующей термообработки (изотермический отжиг при 800°С, охлаждение со скоростью 15°С/ч). По результатам контроля микроструктуры, механических свойств, точности выполнения профиля и качества поверхности производят оценку качества и сортировку металлопроката.

Варианты реализации способа производства круглого профильного проката из непрерывно-литых заготовок приведены в табл.3, а показатели их качества и выход годного - в табл.4.

Из табл.3 и 4 следует, что при использовании предлагаемого способа (варианты №2-4) достигается повышение качества круглого профильного проката, произведенного с использованием непрерывно-литых заготовок из шарикоподшипниковых сталей, за счет более высоких механических свойств и показателей микроструктуры, в особенности уменьшения балла остатков карбидной сетки, снижения карбидной ликвации и структурной полосчатости в термообработанном состоянии. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и 5) и реализации способа-прототипа (вариант №6) имеет место ухудшение механических свойств и показателей микроструктуры круглых профилей, прокатанных из непрерывно-литых заготовок, что ухудшает качество круглого профильного проката для тел качения подшипников и снижает выход годной продукции.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что разработанные деформационно-термические режимы производства круглого профильного проката с использованием непрерывно-литых заготовок из шарикоподшипниковых сталей обеспечивают, помимо заданных механических свойств, активную проработку литой структуры, разрушение и истощение карбидной сетки и ликвации, снижение структурной полосчатости, измельчение сульфидов, оксидов и глобулей, удержание зарождающихся карбидов внутри тел зерен микроструктуры аустенита и мелкозернистого перлита, обеднение границ зерен карбидами. Этим достигается повышение качества сортового проката из шарикоподшипниковых сталей.

В качестве базового объекта при определении экономической эффективности принят способ-прототип. Использование предложенного способа обеспечивает впервые в мировой практике возможность производства круглого профильного проката из шарикоподшипниковой стали с применением непрерывно-литых заготовок.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР №1006509, МПК С21D 8/06, 1983 г.

2. Авт. свид. СССР №881134, МПК С21D 8/06, 1981 г.

3. А.П.Грудев и др. Технология прокатного производства. М., Металлургия, 1994 г., с.140-143, 231-235 - прототип.

Таблица 3
Режимы производства круглого профильного проката из непрерывно-литых заготовок (сталь марки ШХ15СГ-В)
№ варианта	Тн1, °C	λ1	λΣ1	Тн2, °С	λ2	λΣ1-2	Ткп, °С	То, °C
1.	1110	1,07	1,40	1110	1,07	22,0	890	520
2.	1120	1,08	1,50	1120	1,08	23,0	900	530
3.	1150	1,176	2,25	1150	1,241	88,46	950	700
4.	1190	1,49	2,60	1190	1,49	287,9	1000	870
5.	1200	1,50	2,70	1200	1,50	98,7	1100	880
6.	1150	-	-	-	не регл.	20	950	830

Таблица 4
Показатели качества и выход годного круглого профильного проката из стали марки ШХ15СГ-В
№ варианта	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	Ψ, %	НВ, ед.	Остатки карбидной сетки, балл	Карбидная ликвация, балл	Структурная полосчатость, балл	Сульфиды, балл	Оксиды, балл	Глобули, балл	Выход годного, %
1.	740	420	14	32	168	4,3-4,5	3,9	5,6-6,0	2,9-3,5	3,2	2,3	-
2.	725	400	15	35	215	1,0	1,0	3,5-4,0	0,5	2,5	2,0	98,92
3.	650	390	20	45	198	0,5	0,5	1,0	1,0	1,0	1,0	99,98
4.	600	380	25	55	180	0,5	0,5	0,5	0,5	1,0	0,5	99,36
5.	590	370	25	55	179	3,0-3,5	3,0-3,5	2,5-3,0	2,5-3,0	2,5	2,0	65,36
6.	660	380	154	35	180	3,0-5,0	3,0-5,5	5,5-6,5	2,5-4,5	2,5	2,0	22,39

1. Способ производства круглого профильного проката для тел качения подшипников, включающий нагрев заготовок, многопроходную горячую прокатку в валках с калибрами в регламентированном температурном интервале, ускоренное охлаждение водой и окончательное охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что многопроходную горячую прокатку ведут в температурном интервале от 1120-1190 до 900-1000°С с коэффициентом вытяжки за проход 1,08-1,49, при суммарном коэффициенте вытяжки не менее 23.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после достижения величины коэффициента суммарной вытяжки 1,5-2,6 полосы охлаждают, затем подвергают повторному нагреву до температуры 1120-1190°С и завершают прокатку до конечного диаметра круглого профиля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение водой круглого профильного проката ведут до температуры 530-870°С.