«Термическая обработка валков холодной прокатки»

М. В. Гедеон, Г. П. Соболь, Н. В. Пансов.

Термическая обработка валков листовых и листоплавильных станов.

Термическая обработка валков диаметров до 12 мм.

К этой группе валков (см. табл. 3) относят рабочие, промежуточные, приводные, средние и опорные валки многовалковых станов (26-20-волковые), изготовляемые из стали ШХ15, 9х и цементируемых сталей 12ХНЗА , 20Х и др. (табл. 4).

Конструктивной особенностью валков данной группы является их небольшой диаметр и длина. Закалка таких валков приводит к сквозной прокаливаемости, поэтому возможно применение объемной или поверхностной термической обработки. Как правило, в качестве предварительной термической обработки применяют термическое улучшение.

Валки собирают пакетами в специальной корзине, которую в свою очередь помещают в коробку с древесным углем. Нагрев осуществляется в камерных газовых или электрических печах. Тзак = 820-840°С, длительность выдержки устанавливается экспериментально, учитывая прогрев коробки с древесным углем, и она не превышает 2- 3ч. В качестве охлаждающей среды используют масло (вапор, веретенное, машинное и др.). Немедленно после закалки валки передают в отпускную печь, прогретую до 550-600°С (ШХ15 , 9Х HRC=30-32 после отпуска).

1) Окончательную закалку производят таким же образом, как и закалку при улучшении, с той лишь разницей, что температура аустенизации снижается до 810-820°С, а в качестве охлаждающей среды применяют воду. Твердость закаленных валков обычно равна 63-65HRC. Лучшие результаты термической обработки при применение окончательной объемной закалки можно получить при использовании для нагрева печей с защитными атмосферами. Низкотемпературный отпуск производят в масляных ваннах при температуре 150-160°С в течение 0.5-2 часов. После отпуска валки подвергают двукратному шлифованию с промежуточным и окончательным старением при 120-100°С.

2) В некоторых случаях улучшение и закалку валков малых диаметров производят с нагрева в соляных ваннах (вертикальное расположение валков при нагреве и охлаждении). Это обеспечивает меньшую степень коробления, что снижает трудоемкость изготовления и сокращает число валков, подвергаемых правке.

3) В качестве окончательной термической обработки из металлургических заводов применяют закалку валков на ламповом генераторе ЛЗ-67. Валки изготовляют с технологическим припуском по длине для крепления их в специальных цангах. В процессе нагрева производится вращение валка от крыльчатки, на которую подается свежий воздух. При этом способе закалки достигают удовлетворительной степени центровка валка и индуктора, что приводит к снижению коробления. Все другие операции при применении индукционной обработки остаются таким же, как и при объемной закалке.

4) При изготовлении валков из стали цементуемых марок (с целью снижения их хрупкости) процессу окончательной закалки предшествует химико-термическая обработка, заключающаяся в насыщении поверхностных слоев атомарным углеродом. При производстве валков малого диаметра получил некоторое применение процесс цементации в твердом карбюризаторе. Валки в вертикальном положении укладывают в цементационные ящики и засыпают карбюризатором. После подготовки их устанавливают в камерной электропечи любого типа и нагревают до 930°С. Длительность выдержки при температуре цементации определяют в зависимости от требуемой глубины слоя и ориентировочно из расчета 1ч на 0,1мм глубины слоя (без учета времени на прогрев ящика с карбюризатором). 1,5мм слоя - время цементации 15ч.

В настоящее время опробована газовая цементация с применением необработанного природного газа сложного химического состава: 88,24% CH4; 5,32% C2Н6; 1,46% C3H8; 0,54% C4H10; 0,05% C5H12; 2,66 CO2; 1,55% N2 и 0,18 прочие элементы.

Основным науглероживающим компонентом, входящим в состав природного газа является метан (CH4). Вследствие его высокого содержания природный газ является весьма активным карбюризатором. Небольшое содержание этана (C2Н6), пропана (C3H8) и пентана (C5H12) в составе природного газа не оказывает заметного влияния на образование сажи и коксующегося осадка на поверхности валков. Процесс цементации с использованием неотработанного природного газа легко осуществим на любой цементационной печи, например, Ц – 60А, по схеме (рис.40).

Расход газа при достижении температуры цементации равен 5,0 – 6,0 л/мин.

Длительность выдержки можно определить из следующих данных:

Глубина слоя, мм	Выдержка, ч
1,0-1,2 1,3-1,4 1,4-1,5 1,6-1,7 2,5-2,7	4 5 6 9 15

Наилучших результатов при цементации валков из стали 12ХН3А достигают при получении науглероженного слоя приблизительно эвтектоидной концентрации. При этом общая прочность валков увеличивается в 1,5 раза и увеличивается длительность их эксплуатации. Цементация валков диаметром 10мм из стали 12ХН3А при 930°С в течение трех часов, при избыточном давлении 25 мм вод. ст. и расходе в среднем 5,0 л/мин обеспечивает получении цементационного слоя глубиной 0,7-0,8 мм. Окончательная закалка валков с температуры 810°С в масле обеспечивает получение на поверхности структуры мелкокристаллического мартенсита (65HRC), а в переходной зоне – тонкодисперсного сорбита, обеспечивающих высокое качество закаленного и переходного слоев.

Газовая цементация по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе приводит к снижению трудоемкости и длительности процессов в 2,0-2,5 раза, уменьшение степени коробления, снижение стоимости термической обработки.

Термическая обработка валков диаметром от 12 до 50 мм.

К этой группе валков относят рабочие и опорные валки многовалковых листовых станов, а также валки листоправильных машин. В качестве материала для их изготовления используют валковые марки стали (ШХ15, 9Х, 9ХС; таблицы 3,4 – 9Х, 9ХФ, 9Х2МФ, 9Х2В, 9Х2СФ), а также цементуемые стали типа 12ХН3А. конструктивной особенностью валков данной группы являются их большая длина (от 500 до 3750 мм) и недостаточная жесткость.

До недавнего времени окончательную объемную термическую обработку таких валков производили с нагрева в шахтных печах с применением закалке в воде. Проведение низкого отпуска (150-180°С) обеспечивает твердость 85-96HSh. Такая термическая обработка, как правило, приводила к сквозной прокаливаемости и значительному короблению по длине. В связи с этим были проведены исследования по разработке и применению поверхностной закалки валков ТПЧ [69]. В настоящее время высокочастотную закалку длинных прокатных валков производят на установках типа МГЗ-252, 102, 108, фиксируя валки в люнете, в результате чего в 25-30 раз сокращена продолжительность процесса закалки с одновременным повышением качества и эксплуатационной стойкости.

Предварительная термическая обработка. В качестве предварительной термической обработки валков диаметром от 12 до 50 мм можно применять обычный отжиг, изотермический отжиг и улучшение.

Обычный отжиг производят в горизонтальных камерных печах тина Н-30, Н-45, Н-75 и другие на специальных выдвижных поддонах. Температура аустенизации валков из стали 9Х равна 800-810°С. Продолжительность процесса аустенизации, включая нагрев, определяется величиной садки и обычно составляет от 6 до 9 ч. Охлаждение с температуры отжига ведут с печью до 300°С, затем продолжают на воздухе. Твердость не должна превышать 217 НВ.

Изотерический отжиг

Проводят по режиму:

Из графика видно, что аустенизацию проводят при 800-810ºC. При столь низкой температуре аустенизации не обеспечивает полного растворения карбидов. Сохраняющиеся некоторое количество карбидов цементита при переохлаждении до 600-610ºC способствует ускорению процесса превращения [69, 70] – работы по этому направлению.

Улучшение обеспечивает наиболее высокую пропускную способность термического оборудования. Для улучшения можно использовать шахтные электропечи. Заготовки валков в вертикальном положении загружают в печь на специальных подвесках.

Режим термического улучшения валков приведен на рис.

Температура аустенизации при улучшении на 70-80ºC больше температуры аустенизации при отжиге. Благодаря этому обеспечивается почти полное растворение карбидной фазы (сталь 9Х), что способствует повышению закаливаемости и увеличению глубины прокаливаемости. К особенностям процесса улучшения следует отнести: необходимость предохранения валков от окисления и обезуглероживания, а также обеспечение минимального коробления по длине, строгое соблюдение времени пребывания валков охлажденной среде, предварительная подготовка отпускной печи к немедленной загрузке закаленных валков на отпуск и др. Твердость после улучшения – 230-280 НВ.

Окончательная термическая обработка. Валки диаметром от 12 до 30 мм подвергают высокочастотной электротермической обработке на ламповых генераторах типа ЛЗ-67В, ЛЗ-107В, ЛЗ-167В, ЛЗ-207В и др., частотой около 70000 Гц. Закалку можно осуществлять как при вертикальном, так и при горизонтальном положении валков. При небольшой длине валков (до 900 мм) для закалки можно использовать вертикальный закалочный станок В41-63-ЗП. В качестве нагревательных устройств можно использовать одно- и многовитковые индукторы, к которым жестко прикреплено душирующее устройство.

Глубина закаленного слоя, обеспечиваемая закалкой, изменяется в весьма узких пределах (2,5-3,5 мм). При наличии под закаленным слоем упрочненной зоны приблизительно такой же глубины, можно считать, что валкам диаметром 15 мм обеспечена практически сквозная прокаливаемость. В валках диаметром от 15 мм до 30 мм при применении закалки на ламповых генераторах сохраняется относительно небольшая зона (сердцевина) с исходной твердостью. Однако, как при диаметре 15 мм, так и при диаметре от 15 мм до 30 мм валки способны работать при высоких удельных нагрузках без продавливания рабочего слоя. Поэтому в качестве предварительной термической обработки для них может применяться как отжиг, так и улучшение.

Для валков диаметром >30 мм с увеличением сечения возрастает относительная величина неупрочненной сердцевинной зоны с низкой (исходной) твердостью, возрастает вероятность продавливания рабочего слоя, которому для них в качестве предварительной термической обработки лучше применять процесс улучшения, обеспечивающий повышение твердости и прочность валка. Установлено, что большое влияние на качество закаленного слоя оказывает конструкция душирующего устройства, правильный выбор диаметра и расположения отверстий по отношению к оси валка и др. Очень важно, также установление правильных соотношений скорости движения и числа оборотов валка (n_о.в. д. не <, чем в 4 р. превыш. υ_{перед инд.}). После закалки ТПЧ производят низкотемпературный отпуск валков в масляных ваннах при 140-160°С. Длительность определяется по формуле:

τ=0,1Д,

τ –время выдержки, ч.

Д – диаметр валка

Валки с температурой отпуска охлаждают на спокойном воздухе. В процессе разработки режимов окончательной электрозакалки валков была изучена возможность применения обработки холодом [69]. Отрицательную температуру (-78ºC) создавали, погружая твердую углекислоту (CO₂) в металлический сосуд, заполненный бензином. После электрозакалки валки выдерживают 0,5-2 ч., твердость повышалась с 64-65 до 66-67 HRC. Последующий отпуск при 140-190°С практически не снижал твердость более чем на 1-2 HRC.

Термическая обработка валков диаметром от 51 до 160 мм

Валки данной группы отличаются большим отношением длины бочки к диаметру (L/D)=2-8. Вследствие достаточной жесткости они сохраняют геометрические размеры, как в состоянии окончательной термической обработки, так и в исходном состоянии. Применение объемной, индукционной электрозакалки ТПЧ приводят к упрочнению и охрупчиванию сердцевинных слоев валка, поэтому в качестве окончательной термической обработки валков диаметром от 51 до 160 м является высокочастотная поверхностная электрозакалка с использованием машин генераторов с частотой 8000-2500 Гц. При такой частоте глубина проникновения тока незначительна (5-7 мм). С учетом переходной (упрочненной) зоны общая глубина закаливаемого слоя может составлять 20-30 мм диаметр. Остающаяся часть сечения (сердцевина) не упрочняется, поэтому возможно подавление рабочего слоя. Для упрочнения сердцевины механической обработки (с припуском) валки подвергают термическому улучшению по следующим режимам:

Твердость составляет 280-240 НВ

Б.Д. Петровым и др. [72] при разработке рациональной технологии электрозакалки валков на генераторе 3600 Гц была изменена конструкция индуктора (вдвое увеличена его высота), а также в 1,5 раза увеличен зазор между индикатором и валком. Были рекомендованы следующие режимы электрозакалки валков холодной прокатки стали 9Х:

Диаметр валка, мм	Режим закалки		Глубина закаленного слоя, мм
	Мощность, кВт	Скорость перелог. инд. мм/сек
75	45-60	1,5	5-6
100	60-75	1,5	5-6
130	80	1,5	5-6
150	105-110	1,5	5-6

Для заполнения резкого перехода от закаленного слоя к сердцевине применялись предварительные подогревы перед закалкой (2,3,4-кратные). Это обеспечивает полученные глубины активного закаленного слоя (до 85 HSh) в пределах 5-6 мм при поверхностной твердости 92-97 HSh. Несколько расширяется также глубина переходного слоя. Применение предварительных подогревов перед электрозакалкой резко сокращает число предварительных поломок и отслоений и приводит к трехкратному и более повышению числа валков, работающих до естественного износа.

Температуру отпуска электрозакалочных валков в зависимости от требуемой твердости, назначают в соответствии с данными таблицы 34 [73].

Таблица 34 - Поверхностная твердость валков в зависимости от марки стали и температуры отпуска

Твердость на бочке валка после отпуска в массе, HSh	Температура отпуска, ºC для стали
	9Х, 9Х2	9Х2МФ	9Х2СВФ
97-100	140-150	150-160	160-170
95-97	150-160	160-170	170-180
93-95	160-180	170-180	180-190
В воде 90-95 [71]	80-100

Термический отжиг рабочих валков диаметром > 160 мм

К этой группе валков относятся рабочие валки листовых станов, опорные валки многовалковых станов, обрабатываемые до твердости рабочих валков, валки листовые правильных машин.

Предварительный термический отжиг. К предварительному термическому отжигу поковок валков относится отжиг, улучшение, нормализация с отжигом и др.

Применение отжига после ковки обусловлено необходимостью перекристаллизации структуры кованого металла, снижения твердости и уровня остаточных напряжений, предупреждения флокенообразования, обеспечивающее удовлетворительную обрабатываемость при механической обработке и др. Для гарантированного получения мелко-дисперстной перлито-сорбитной структуры по всему сечению поковок, особенно при возможных отклонениях в процессе ковки или отжига, в практике производства очень часто после отжига применим процесс улучшения [56]. В целом по вопросам предварительного термического отжига стали валковых марок, как теоретически, так и на практике не выработано определенных рекомендаций.

В результате этого применяемые в наше время заводами тяжелого машиностроения технологические схемы термического отжига валков большого диаметра (более 160 мм) весьма различимы.

Пример:

1) [73, c. 56] предварительная термическая обработка поковок диаметром до 530 мм в условиях завода А. – отжиг и улучшение, рис. 45.

Режим отжига для стали 9Х, 9Х2, 9Х2В, 9Х2МФ, 9Х2СВФ, представляет собой обычный отжиг с однократной перекристаллизацией и регулируемым охлаждением. Улучшение: температура аустенизации (870-890), значит увеличение (на 90-135⁰) температуры критических точек, благодаря чему карбидная фаза (Te, Cr)₃C почти полностью растворяется и возрастает прокаливаемость. После закалки производят отпуск, температура отжига меньше A_С1=700-720°С. При такой температуре высокого отпуска происходит образование структуры сорбита (НВ 30-40).

2) завод В применяют высокотемпературную нормализацию с высоким отпуском (т А_С1) с последующей закалкой и отжигом (780-730°С)* для стали 9Х, 9Х2МФ, 9Х2В, рис. 46 (круглые валки диаметром 500-1000 м).

*Борисов И.А. Исследование особенностей исправления крупнозернистой структуры в сталях для валков холодной прокатки и штампов. Автореферат. канд. диссер. М-ва, 1968 г.

В чем же сущность самой технологической схемы термической обработки? В первой части нормализации применяют высокотемпературный (730-750°С) то ли отпуск, то ли отжиг, что приводит к фазовой перекристаллизации. Во второй части схемы процесса термическая обработка после закалки валков в масле предусмотрено применение последнего отжига (780-790°С). Очевидно, применение такой термической обработки облегчает процесс обезводорожевания поковок. Относительно структуры металла можно заметить, что независимо от того, к какой структуре приводит нормализация с отпуском (отжигом) и закалка – конечная структура формируется окончательным отжигом и характеризуется большой неоднородностью.