Способ получения круглых прутков прокаткой

 

Использование: в области обработки давлением, при производстве круглых профилей винтовой прокаткой. Сущность: при винтовой прокатке в трехвалковом калибре регламентируют отношение эксцентриситета валков и диаметра калибра, а также взаимосвязь этих параметров с углом раскатки. Рекомендуемые соотношения позволяют качественно прокатывать труднодеформируемые материалы. 1 з. п. ф - лы, 3 табл.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и касается технологии получения круглых прутков прокаткой, преимущественно из легированных металлов и сплавов.

Известен способ получения круглых прутков продольной прокаткой [1] . К основным недостаткам этого способа относится слабая проработка металла по сечению, низкое качество поверхности, как следствие низкий выход годного или получения прутков из легированных металлов и сплавов. Перечисленные недостатки обусловлены малой вытяжкой за проход и условиями формоизменения металла, при которых неизбежно образование поверхностных дефектов и затруднено уплотнение центральной зоны.

Известны способы получения круглых прутков винтовой прокаткой, например [2-4] . Осевая составляющая вектора окружной скорости в них может быть получена одним из различных приемов [5] : разворотом валков на угол подачи; эксцентриситетом установки валков, наклоненных под углом раскатки.

К первой группе относится, в частности, способ получения круглых прутков прокаткой, включающий деформацию заготовки валками, развернутыми на угол подачи 20-45 с обжатием за проход 20-50 [2] .

При прокатке по этому способу легированных металлов и сплавов, обладающих пониженной пластичностью, неизбежно массовое поражение разрывами поверхностных и периферийных слоев металла.

Причина возникновения разрывов - окружные и радиальные растягивающие напряжения, которые сопровождают крутой пластический изгиб свободной поверхности деформируемого металла в зоне между валками. Реализуемые в известном способе высокие единичные обжатия, интенсифицируя вытеснения металла в зазоры, доводят растягивающие напряжения до запредельных значений, при которых разрывы легированного металла неизбежны.

Кроме того, реализация способа прокатки в валках, развернутых на угол подачи, связана с применением сложных и относительно слабых шпиндельных передач с высоким углом перекоса. При обработке легированных металлов, особенно в малых диаметрах, низкая прочность шпинделей главной линии переходит из конструктивного фактора в фактор технологический, ограничивающий деформацию и, следовательно, качество металла.

Следует иметь в виду, что наиболее современные технические решения в области винтовой прокатки сплошных заготовок предполагают соразмерный выбор параметров, характеризующих пространственное положение валков и заготовки относительно друг друга. Так например, способ [3] в качестве существенных отличительных признаков содержит не только величины угла подачи β = 3-20^о, угла раскатка δ= 0-10^о, но и их суммарное значение β + δ= 5-30^о, выражающее соразмерность между ними.

Наиболее близким техническим решением является способ получения круглых прутков прокаткой, включающий деформацию заготовки в калибре, образованном тремя валками, имеющими эксцентриситет и повернутыми на угол раскатки [4] .

В известном способе величина эксцентриситета Δ составляет не более 0,6-40,8 диаметра калибра d_к, т. е. относительный эксцентриситет в долях калибра составляет = 0,6-0,8, угол раскатки валков δ выдерживается в пределах 0,8-1,05 рад. (45-60^о). Важное значение в формировании кинематических и деформационных условий прокатки, прямо влияющих на выход годного, имеют величина и соотношение между и радианной мерой угла раскатки δ _(рад). В известном способе угол раскатки δ _(рад) больше 0,6 .

Недостаток - низкий выход годного при обработке легированных металлов и сплавов.

Целью изобретения является повышение выхода годного при обработке легированных металлов и сплавов.

Это достигается тем, что, в способе получения круглых прутков прокаткой, включающем деформацию заготовки в калибре, образованном тремя валками, имеющими эксцентриситет и повернутыми на угол раскатки, согласно изобретению заготовку деформируют при отношении эксцентриситета валков к диаметру калибра 1,2-3,3.

Поставленная цель достигается также тем, что деформацию заготовки ведут при соотношениях угла раскатки, эксцентриситета валков и диаметра калибра, δ = А (рад); (1) δ + ≅ 3,7 (2) где δ - угол раскатки, рад; Δ - эксцентриситет валков; d_к - диаметр калибра; А= 0,08-0,35 коэффициент пропорциональности, учитывающий склонность легированного металла к поперечной раскатке.

Способ осуществляется следующим образом. Заготовка из легированного металла или сплава нагревается до температуры деформации соответственно своему составу и подается на прокатку. При прокатке заготовку деформируют в калибре, образованном тремя валками, установленными с эксцентриситетом, величина которого Δ превышает диаметр калибра d_к в 1,2-3,3 раза. Рабочие валки, деформирующие заготовку, повернуты на угол раскатки.

Для выполнения функционального назначения прокатные валки снабжены по крайней мере двумя основными рабочими участками; обжимным и калибрующим. Обжимные участки трех валков образуют конический очаг деформации, в котором осуществляется обжатие заготовки по диаметру. Угол конусности очага деформации выдерживают в интервале 10-20^о. Калибрующие участки валков образуют калибр постоянного диаметра d_к, в котором формируется геометрически правильный круглый профиль высокой точности, обеспечивается прямолинейность образующей прутка и заданная рельефность поверхности.

Степень деформации, частоту вращения рабочих валков устанавливают соответственно уровню пластических свойств легированного металла. Для большинства легированных металлов и сплавов они находятся, соответственно, в пределах 30-80 и 40-100 об/мин.

Диаметр валков D_В следует принимать равным не менее двух диаметров калибра dк. Этим обеспечивается равномерность проработки металла по сечению и стабильный захват заготовки. Верхний предел отношения D_B/d_к находится вблизи шести и строго лимитирован условием свода трех валков на минимальный калибр.

Экспериментальные данные представлены в табл. 1 п. 3.

Эксцентриситет валков в пределах 1,2-3,3 диаметра калибра обеспечивает необходимый поворот вектора окружной скорости валков к оси прокатки. При этом активно стимулируется принудительное осевое истечение металла и ограничивается его боковое вытеснение в зазоры между валками. Устанавливается уровень частных обжатий, надежно обеспечивающий проникновение сдвиговой пластической деформации на всю глубину поперечного сечения, при формировании устойчивой схемы всестороннего сжатия во всем объеме заготовки, в том числе и в центральной зоне. Внешняя поверхность очага деформации характеризуется отсутствием крутых изгибов малого радиуса. Траектория движения металла в межвалковых зонах внеконтактной деформации достаточно плавна. Растягивающие напряжения в периферийных слоях и на поверхности заготовки в межвалковых зазорах минимизированы на уровне близком к нулю.

Создаваемые в очаге кинематические условия и напряженно деформированное состояние максимально благоприятны для наиболее полного использования природного ресурса пластичности легированного металла. Подвергаясь интенсивной сдвиговой деформации за счет осевой подачи, металл прорабатывается и уплотняется равномерно по всему сечению. Признаки очагов перенапряженности и разрыхления отсутствуют во всем объеме заготовки. Получение качественного проката из легированного металла гарантировано всем ходом деформации его в предлагаемом способе.

Кроме того, высокий эксцентриситет валков содержит возможность для снижения угла раскатки до 0,15-0,50 рад. (10-30^о). При этом создаются условия для выбора длины калибрующего участка вне связи с конструктивными ограничениями. Критерием назначения длины калибрующего участка остается исключительно требуемая геометрическая точность прутков.

Согласно экспериментам точность прутков в новом способе не менее, чем в 6-8 раз выше по сравнению с прототипом. Повышению точности способствует также преимущественно двухопорное исполнение валковых узлов.

По нижнему пределу эксцентриситет ограничен уровнем осевой подачи, обеспечивающим сквозное проникновение интенсивной пластической деформации и надежное подавление осевых растягивающих напряжений. При снижении за нижний предел способ приобретает недостатки прототипа, связанные с локализацией деформации в периферийных слоях и действием сопутствующих ей растягивающих напряжений в центральной зоне. Верхний предел определен конструктивными возможностями трехвалковой схемы прокатки. Реализация >3,3 конструктивно практически невозможна по условию сведения валков на минимальный калибр. Образование калибра диаметром d_к тремя валками диаметром D_в возможно только при эксцентриситете валков, не превышающем Δ≅ (D_в+d_к).

С учетом того, что при полном сведении трех валков, имеющих угол раскатки, отношение D_в/d_к практически не превышает 5,6, максимальное значение не выходит за пределы 3,3. Отрицательных явлений и потери положительного эффекта на верхнем пределе эксцентриситета не обнаружено.

В зависимости от уровня сплошности металла исходной заготовки можно рационализировать величину эксцентриситета валков , как фактора, управляющего осевыми истечениями, уровнем частных обжатий и глубиной проработки сечения прутка.

Непрерывнолитые заготовки, слитки открытой выплавки, отличающиеся наибольшей рыхлостью и дефектностью осевой зоны, требуется прокатывать при максимальных пластических деформациях и напряжения сжатия в центральной части раската. Такие условия прокатки реализуются при наибольшем эксцентриситете валков = 2,6-3,3.

Более плотные слитки после улучшающих переплавов (ВДП, ЭШП и др. ) допускается деформировать в условиях с = 1,9-2,6.

Нижняя часть интервала = 1,2-1,9 целесообразна для получения проката из плотного, в основном предварительно деформированного металла.

Пределы интервала по коэффициенту А формулы (1) удерживают описанный выше кинематический баланс в качестве, обеспечивающем создание желаемого технического результата.

Согласно опытным данным (табл. 2) нарушение верхней границы А = 0,35 чрезмерно увеличивает угол раскатки. Процесс прокатки приобретает недостатки прототипа, связанные с нарушением кинематического баланса между ростом кинематического напора со стороны чашевидных валков и отворотом вектора окружной скорости валков от осевого направления. Как и в прототипе, принудительно активизируется боковое вытеснение металла, растет кривизна пластического изгиба свободной поверхности раската в зазоре между валками, в периферийных слоях инициируется образование многочисленных очагов нарушения сплошности.

Уменьшение А повышает долю в сумме с δ _(рад). В заявленных пределах существует технический результат. Однако область значений за нижним пределом А<0,08 несоразмерно снижает долю угла раскатки и увеличивает долю эксцентриситета. Процесс прокатки характеризуется увеличением осевой составляющей скорости валков и металла, не сбалансированной с уменьшением кинематического подпора со стороны слабоконусных чашевидных валков. Процесс из кинематически равновесного состояния переходит в состояние с кинематическим осевым натяжением. В большей части объема очага деформации возникают осевые растягивающие напряжения, которые не только исключают уплотнение легированного металла, залечивание рыхлостей и пустот, но и могут быть непосредственным инициатором образования новых осевых разрывов. Получаемый прокат имеет не кондиционную по плотности макро- и микроструктуру в целом по объему.

Ограничение (2) по сумме + δ удерживает общий уровень осевой подачи. С нарушением его осевая подача чрезмерно интенсифицируется, что приводит к резкому ухудшению условия вращения заготовки. Экспериментально установлено (табл. 3), что превышение суммы значения 3,7 вызывает сильное тангенциальное скольжение (уменьшение коэффициента тангенциальной скорости до значений близких к 0) со случаями полной блокировки вращения заготовки и остановки процесса. Одновременно ухудшается калибровка профиля. Нижнее значение суммы не имеет отдельного физического смысла, соответствует нижним значениям = 1,2; А= 0,08 и составляет 1,3.

Конкретное значение коэффициента А определяется склонностью легированного металла к поперечной раскатке при винтовой прокатке, которая при прочих равных условиях определяет объем металла, вытесняемого в межвалковые зазоры, пластический изгиб внешнего контура очага деформации, а через это амплитуду, уровень напряжений знакопеременного изгиба, опасность разрушения и выход годного.

По склонности к поперечной деформации при винтовой прокатке основную массу легированных металлов и сплавов можно условно разделить на три группы: группа слабоуширяющихся сплавов, проявляющих резковыраженное стремление к продольному истечению по направлению основной деформации. Эту группы составляют, главным образом, металлы и сплавы с выраженными упругими и ограниченными вязкими свойствами, такие как жаропрочные никелевые сплавы типа ХН51ВТЮКФР, быстрорежущие стали Р6М5 и др. Для них А = 0,26-0,35; средняя группа сплавов, которая характеризуется повышенной предрасположенностью к уширению. В нее входят, в частности, титановые сплавы типа ВТ-31, ВТ-14, сплавы на основе циркония, жаростойкие стали типа 45Х14Н14В2М, 40Х9С2 и др. Этой группе соответствует А= 0,17-0,26; группа сильноуширяющихся сплавов с наибольшим стремлением к поперечному истечению в очаге деформации, например коррозионностойкие стали типа 15Х25Т, Х17Н2, титановые сплавы марок 3М, 3В и т. д. Прокатку заготовок из этих металлов следует вести при А = 0,08-0,17.

П р и м е р 1. Способ реализован на опытном стане для получения прутков диаметром 40 мм из жаростойкой аустенитной стали 45Х14Н14В2М. Прутки получали из опытных слитков открытой дуговой выплавки, слитков электрошлакового переплава и предварительно деформированных заготовок. Диаметр исходных слитков и заготовок составлял 85 мм. Прутки получали прокаткой в валках диаметром 220 мм, установленных под углом раскатки 0,35 рад (20^о), диаметр калибра 40 мм. Эксцентриситет валков 132; 80; 48 мм соответственно состоянию исходных заготовок в вышеприведенном порядке, при этом отношение Δ /_dк соответственно 3,3; 2,0; 1,2. Под прокатку слитки и заготовки нагревали до 1160^оС. Прокатка проходила устойчиво без образования макро- и микродефектов. Получаемые прутки характеризовались плотной, проработанной структурой, высокой точностью геометрических размеров. Требования нормативных условий выполнены полностью. Технологические отходы состояли только из концевой обрези утянутых торцов.

П р и м е р 2. Предложенный способ по п. 2 формулы реализован на опытном стане для получения проката диаметром 40 мм. В качестве исходного материала применяли опытные слитки и заготовки диаметром 80 мм следующих марок и способов получения: слиток открытой дуговой выплавки из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10ОТ; слиток вакуумно-дугового переплава из титанового сплава ВТ-14;
предварительно обжатая заготовка из жаропрочного сплава на никелевой основе ХН51ВМТЮКФР.

Перед прокаткой заготовки нагревали в камерной электропечи сопротивления до температуры наибольшей деформируемости при винтовой прокатке. Конкретно по маркам температура нагрева составила: 12Х18Н10Т - 1190^оС; ВТ-14 - 1160^оС; ХН51ВМТЮКФР - 1140^оС.

Прокатку заготовок (слитков) вели в трехвалковом калибре, образованном валками, установленными с относительным эксцентриситетом: 3,3 для слитков из стали 12Х18Н10Т; 2,0 для слитков из сплава ВТ-14 и 1,2 для деформированной заготовки из сплава ХН51ВМТЮКФР.

Валки устанавливали под углом раскатки, удовлетворяющим соотношениям (1), (2) с учетом выбора коэффициента А соответственно марке сплава. Угол раскатки составил для: стали 12Х18Н10Т (А= 0,08) - 0,26 рад. (15о); титанового сплава ВТ-14 (А= 0,20) - 0,40 рад. (23^о); сплава ХН51ВМТЮКФР (А= 0,35) - 0,42 рад. (25^о). Диаметр валков по калибрующему участку равнялся 220 мм. Угол наклона образующей обжимного участка к оси прокатки выдерживали в пределах 12о.

Процесс прокатки протекал устойчиво без отклонений. В полученных прутках зафиксирована плотная, равномерно проработанная структура. Следы литой структуры и разрывы прокатного происхождения отсутствуют полностью. Геометрическая точность профиля превышает требования к прокату повышенной точности. Рост выхода годного в сравнении с прототипом составляет не менее 20-25% в зависимости от марки. (56) 1. Бахтинов В. Б. , Прокатное производство, М. : Металлургия, 1987, с. 206-208.

2. Авторское свидетельство СССР N 500822, кл. В 21 В 19/00, 1976.

3. Заявка Японии N 59-225802, кл. В 21 В 1/16, 13/00, 1984.

4. Целиков А. И. , Барбарич М. В. , Васильчиков М. В. и др. Специальные прокатные станы/ М. : Металлургия, 1971, с. 12-13.

5. Тетерин П. К. Теория поперечной и винтовой прокатки, М. : Металлургия, 1983, с. 82, 83.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУГЛЫХ ПРУТКОВ ПРОКАТКОЙ , включающий дефоpмацию заготовки в калибpе, обpазованном тpемя валками, имеющими эксцентpиситет и повеpнутыми на угол pаскатки, отличающийся тем, что заготовку дефоpмиpуют пpи отношении эксцентpиситета валков к диаметpу калибpа 1,2 - 3,3.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дефоpмацию заготовки ведут пpи соотношении угла pаскатки, эксцентpиситета валков и диаметpа калибpа
δ = A(Δ / d_k) ,
δ+Δ / d_k ≅ 3,7 ,
где δ - угол раскатки, рад;
Δ - эксцентриситет валков;
d_к - диаметр калибра;
A = 0,08 - 0,35 - коэффициент пропорциональности, учитывающий склонность легированного металла к поперечной раскатке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2