Способ изготовления высокопрочного бандажированного прокатного валка

Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности к производству бандажированных валков холодной и горячей прокатки. Для увеличения ресурса эксплуатации валка осуществляют посадку бандажа на ось с предварительным тепловым натягом и термоциклирование бандажа при многократных индукционных нагревах поверхностного слоя бандажа с его последующим спреерным охлаждением, при этом в качестве материала бандажа используют высокопрочную Ni-Co-Mo сталь мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, термоциклирование проводят путем индукционного нагрева поверхностного слоя бандажа в каждом цикле до температуры, превышающей температуру аустенитного превращения Ac₁ стали и соответствующей ее закалочной температуре с последующим охлаждением, после последнего цикла нагрева и охлаждения проводят старение поверхностного слоя бандажа с обеспечением выделения карбидной Мо₂С и интерметаллидной Fe₂Mo фаз в виде высокодисперсных частиц нанометрического диапазона от 5 до 10 нм, при этом бандаж имеет предел прочности σ_в=2400 МПа и трещиностойкость K_Ic=120 МПа·м^1/2. В качестве материала бандажа используют сталь типа 25Н12М6К10 или 30Н12М6К10Б, термоциклирование проводят не менее пяти раз путем нагрева поверхностного слоя бандажа до 1100°С и охлаждения до комнатной температуры, после последнего термоцикла проводят старение при 500°С. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности к производству путем термообработки бандажированных (составных) валков холодной и горячей прокатки.

Известны способы изготовления составных прокатных валков путем горячей посадки бандажа на ось. Передача крутящего момента при этом может осуществляться как за счет сил трения между поверхностями бандажа и оси, так и за счет дополнительных устройств и приспособлений, способствующих увеличению этих сил. Наиболее простым в изготовлении является валок, состоящий из высокопрочного бандажа и оси простой формы. В этом случае крутящий момент обеспечивается силами трения, возникающими за счет теплового натяга при посадке бандажа на ось. Эксплуатационные характеристики такого составного валка зависят от многих факторов, но в первую очередь, как показывает практика, от величины остаточных напряжений, удерживающих бандаж от проскальзывания и осевого сползания. Однако повышение напряжений, связанное с уменьшением величины теплового зазора (величина которого обычно находится в пределах (0,0003…0,0013) от номинального диаметра посадочной поверхности) при посадке бандажа, способно спровоцировать преждевременное хрупкое разрушение составного валка. Известным конструктивным приемом, позволяющим существенно и положительно влиять на характер распределения напряжений от натяга, является создание конусных скосов на посадочной поверхности оси вблизи от ее торцов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и взятым в качестве прототипа является способ изготовления бандажированного прокатного валка [1], при котором увеличение пластичности бандажа и плотности сопряжения его с осью при одновременном сохранении высоких прочностных свойств достигают тем, что перед поверхностной закалкой бандажа с индукционного нагрева, собранного с осью в холодном состоянии с зазором, его подвергают многократному индукционному нагреву до температуры 500…700°С (т.е. выше температуры рекристаллизации стали бандажа, но ниже температуры ее точки Ac₁) и последующему спреерному охлаждению до 60…120°С. С каждым циклом нагрева и охлаждения почти с неизменной интенсивностью происходит постепенная усадка бандажа по внутреннему диаметру с одновременным прогревом (в результате теплопередачи металла) глубинных слоев, контактирующих с посадочной поверхностью оси. Возникающий при этом термический наклеп не снижает пластических свойств металла по сечению бандажа. Пластическое деформирование внутренних слоев под действием температурных напряжений, возникающих в процессе нагрева и охлаждения бандажа, обеспечивает взаимное внедрение неровностей (шероховатостей) посадочных поверхностей бандажа и оси и плотное прилегание сопрягаемых поверхностей. Окончательная индукционная закалка, производимая сразу же после последнего термоцикла, обеспечивает необходимую твердость рабочей поверхности бандажа и еще более уплотняет соединение. При окончательном остывании бандажа под влиянием остаточных напряжений сжатия создается дополнительный натяг.

Недостатком указанного способа является то, что действующих температурных напряжений, возникающих в процессе предварительных циклических нагревов и охлаждений бандажа в интервале температур, не превышающих температуру Ас₁, оказывается достаточно только для пластического деформирования неровностей и шероховатостей посадочных поверхностей, но недостаточно для деформирования глубинных слоев бандажа, контактирующих с посадочной поверхностью, уменьшающих вероятность его осевого сползания с оси.

Задачей предлагаемого изобретения является одновременное уменьшение возможности хрупкого разрушения бандажа валка и уменьшение вероятности его осевого сползания с оси, что в совокупности обеспечит существенное увеличение ресурса эксплуатации такого валка.

Указанную задачу решают тем, что для повышения величины натяга между осью и бандажом с одновременным обеспечением допустимого с точки зрения хрупкой прочности уровня остаточных напряжений в бандаже проводят многократные индукционные нагревы поверхностного слоя бандажа до температуры, превышающей точку Ac₁ и соответствующей температуре закалки стали, с последующим спреерным охлаждением поверхности. Бандаж в форме трубы постоянного сечения изготавливают из особо высокопрочной Ni-Co-Mo стали мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, обладающей высокими значениями прочностных и пластических характеристик, например из стали типа 25Н12М6К10 или 30Н12М6К10Б [2-4]. Характерной особенностью этой стали является весьма низкая температура начала аустенитного превращения (Ac₁=570°С).

Таким образом, в отличие от прототипного способа предлагается принципиально другой, более широкий температурный интервал индукционных нагревов, обеспечивающий горячее пластическое деформирование внутренних слоев бандажа, не прогретых до закалочных температур, но уже перешедших в высокопластичное аустенитное состояние. Определяющим для предлагаемого способа является то, что дополнительно к термическим напряжениям, возникающим при циклических охлаждениях бандажа, добавляются структурные напряжения, возникающие из-за протекания мартенситного превращения в поверхностном слое стали бандажа в процессе многократных закалок. Результатом многократного повторения указанной операции термоциклирования является высоконадежная посадка бандажа на ось. Пластичное состояние внутренних слоев бандажа обеспечивается как особой отожженной структурой, так и разогревом за счет тепла, идущего от поверхности бандажа.

После последней закалки проводят старение (отпуск), в процессе которого происходит наноструктурирование, связанное с выделением высокодисперсных частиц нанометрического диапазона (от 5 до 10 нм), а именно карбидной (Мо₂С) и интерметаллидной (Fe₂Mo) фаз, что приводит к реализации оптимального сочетания свойств стали: с одной стороны, высокого предела прочности σ_в=2400 МПа, а с другой стороны, высоких значений вязкости и трещиностойкости (K_Ic=120 МПа·м^1/2).

Наружный размер бандажа должен иметь гарантированный припуск на проведение чистового точения после завершения посадки бандажа на ось. Размеры сопрягающихся поверхностей оси и бандажа должны обеспечить величину окончательного натяга в интервале 0,0015 до 0,006 от диаметра оси.

Собранный валок располагают в индукционной закалочной машине и за счет непрерывного перемещения кольцевого индуктора вдоль оси валка равномерно разогревают его поверхность до закалочной температуры. При достижении закалочной температуры индуктор выключают и спреером охлаждают бандаж до комнатной температуры. Количество термоциклов, необходимых для плотной посадки бандажа на ось, должно быть не менее пяти. После завершения термоциклирования следует окончательный закалочный нагрев с последующим старением.

Пример реализации способа.

Бандаж в форме трубы постоянного сечения с наружным диаметром 180 мм, внутренним 130 мм и длиной 500 мм был изготовлен из особо высокопрочной стали мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением типа 25Н12М6К10.

Валок устанавливали вертикально в центрах индукционной закалочной машины и подвергали поверхностному нагреву и спреерному охлаждению водой.

Изменение посадочного диаметра бандажа определялось экспериментально после полного остывания бандажа без посадки на ось с помощью электронного микрометра с точностью измерения ±1 мкм на данной базе.

После пяти циклов нагрева до закалочной температуры 1100°С и охлаждения до комнатной температуры порядка 25°С зазор между бандажом и осью исчезал, что гарантировало величину окончательного натяга в интервале 0,0015 до 0,006 от диаметра оси. Окончательная закалка и последующее старение при 500°С обеспечили уровень прочности в поверхностном слое бандажа σ_в=2400 МПа, высокие значения пластических и вязких характеристик (δ=4,5%, ψ=30%, KCU=300 кДж/м²), в том числе трещиностойкости K_Ic=120 МПа·м^1/2, что обеспечит существенное увеличение ресурса эксплуатации валка, полученного таким способом.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №768835, МПК C21D 9/38, заявл. 28.12.1978.

2. Дисперсионное твердение высокопрочных Ni-Co-Mo-сталей / А.Г.Рахштадт, А.В.Канн, О.М.Ховова и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985. - №5. - С.33-37.

3. Влияние условий аустенитизации на структурные превращения в фазонаклепанном аустените и свойства высокопрочной стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением / А.Г.Рахштадт, О.М.Ховова, А.И.Плохих // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. - №5. - С.15-21.

4. Исследование возможности создания композитных валков с наплавкой из стали 30Н12М6К10Б с карбидно-интерметаллидным упрочнением / В.Г.Лешковцев, A.M.Покровский, О.М.Ховова, А.И.Плохих // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - №3. - С.38-42.

1. Способ изготовления высокопрочного бандажированного прокатного валка, включающий посадку бандажа на ось с предварительным тепловым натягом и термоциклирование бандажа при многократных индукционных нагревах поверхностного слоя бандажа с его последующим спреерным охлаждением, отличающийся тем, что в качестве материала бандажа используют высокопрочную Ni-Co-Mo сталь мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, термоциклирование проводят путем индукционного нагрева поверхностного слоя бандажа в каждом цикле до температуры, превышающей температуру аустенитного превращения Ac₁ стали и соответствующей ее закалочной температуре с последующим охлаждением, после последнего цикла нагрева и охлаждения проводят старение поверхностного слоя бандажа с обеспечением выделения карбидной Мо₂С и интерметаллидной Fe₂Mo фаз в виде высокодисперсных частиц нанометрического диапазона от 5 до 10 нм, при этом бандаж имеет предел прочности σ_в=2400 МПа и трещиностойкость K_Ic=120 МПа·м^1/2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала бандажа используют сталь типа 25Н12М6К10 или 30Н12М6К10Б.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что термоциклирование проводят не менее пяти раз путем нагрева поверхностного слоя бандажа до закалочной температуры 1100°С при температуре аустенитного превращения указанной стали бандажа Ac₁=570°C и охлаждения до комнатной температуры, после последнего термоцикла проводят старение при температуре 500°С.