Способ термической обработки прокатных валков

(59 С 21 П 9 3 ПИСАНИЕ ТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(56) 1, Гедеон М.В., Соболь Г.П.,Паисов И.В. Термическая обработкавалков холодной прокатки. М., "Металлургия", 1973, с. 161, 170.2. "1 гоп апй ЯСее 1. Епа 1 пеег",1972, Р 12, р, 69-75,3. Гедеон М.В., Соболь Г.П,Паисов И.В. Термическая обработкавалков холодной прокатки. М "Металлургия", 1973, с. 162-164.(54)(57) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЯОБРАБОТКИ 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 бьчки с охлаждением осевого канала и отпуск,о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения эксплуатационнойстойкости путем предотвращения образования трещин, после выдержки до достижения температуры закалки на заданной глубине валок подстуживают на воздухе до достижения на поверхности бочки температуры А 3, а ох лаждение осевого канала начинают .при достижении в сечении бочки максимальной температуры А 1 .С."Изобретение относится к металлургии и машиностроению, в частности кспособам окончательной термическойобработки опорных валков для листовых станов холодной и теплой прокатки.5Известны способы закалки крупныхпрокатных валков: объемная закалкаи закалка с нагрева ТПЧ (поверхностная) 13 .Закалка с нагрева ТПЧ обладаетрядом преимуществ перед объемной закалкой: обеспечивает более высокуюповерхностную твердость на бочке,,большую глубину закаленного слоя,несколько меньший уровень остаточных 15напряжений . Кроме того, закалка снагрева ТПЧ способствует значительному увеличению производительностиоперации закалки (в 5-10 раэ), исключает операции сборки валков и теплоизоляцию шеек. Вместе с тем, закалка с нагрева ТПЧ в случае особо крупных валков, диаметром свыше 1800 мм,сопряжена со значительными конструктивными и технологическими трудностя ми, главным образом из-эа необходимости высоких энергозатрат при нагреве,Объемная закалка обладает и некоторыми положительными качествами,основным из которых является болееплавная, чем при закалке с нагреваТПЧ, переходная зона от закаленного слоя к сердцевине валка. Однакоукаэанные преимущества закалки снагрева ТПЧ ограничивают применениеобъемной закалки,Одним иэ перспективных путейповышения твердости и глубины активного слоя является применение сталейс более высокой закаливаемостью ипрокаливаемостью, высоким сопротивлением отпуску и, в частности, дисперсионно-твердеющих сталей, легированных сильными карбидообразующимиэлементами (ванадием, ниобием и др.) ."5Повышенная прокаливаемость и способ. ность к дисперсионному твердению привысоком отпуске обеспечиваются утаких сталей определенной степеньюрастворения карбидной фазы в аустените при закалке от высоких температур (1000-1200 оС), при этом получается мелкое действительное зерно,Общим недостатком объемной закалки и закалки с нагрева ТПЧ крупныхвалков, .изготовленных из дисперсионно-твердеющих: сталей, являетсяопасность возникновения трещин всечении из-за высоких временных иостаточных растягивающих напряжений. 60Известен способ термической обра,ботки крупных валков, включающий форсированный печной нагрев до достижения на поверхности бочки заданнойтемпературы закалки, последующий прогрев по сечению выде точки Ас на заданную глубину, закалку поверхностибочки 23.Укаэанный способ, обладая всемипреимуществами закалки с нагрева ТПЧ,имеет значительно более низкие энергоэатраты при нагреве, более плавнуюпереходную зону.Недостатком указанного способаособенно в случае термообработкивалков из дисперсионно-твердеющихсталей является уровень временныхи остаточных напряжений в процессезакалки, способствующий образованиютрещин и разрушению валков непосредственно при термообработке или в первоначальный период эксплуатации,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяспособ термообработки крупных валков,включающий форсированный печной нагрев до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине, струйнуюзакалку бочки с одновременным охлаждением осевого канала 33.Принудительное охлаждение осевогоканала при закалке обеспечивает существенное снижение остаточных напряжений, Однако уровень временных напряжени остается весьма высоким,особенно в первоначальный период закалки, что не исключает возможностьобразования трещин, При этом высокиерастягивающие напряжения образуютсякак в поверхностном слое бочки (изза высокого градиента температур меж.ду поверхностью, температура которойнесколько выше точки М, и более глубокими слоями),так и на поверхности осевого канала, подвергающейсяпринудительному охлаждению (такжеиз-эа высокого градиента температур). В средней части сечения, имеющей более высокую температуру,по закону равновесия Формируютсясжимающие напряжения.Цель изобретения - повьюение эксплуатационной стойкости путем предотвращения образования трещин,Поставленная цель достигаетсятем, что способу термообработки,включающему форсированный печной нагрен до температуры закалки, выдержку до достижения температуры закалки на заданной глубине, струйнуюзакалку бочки с охлаждением осевогоканала и отпуск, после выдержки додостижения температуры закалки назаданной глубине валок подстуживаютна воздухе до достижения на поверхности бочки температуры А, а охлаждение осевого канала начинаютпри достижении в сечении бочки максимальной температуры А, .Такие показатели качества валка,как твердость и глубина закаленногослоя, уровень остаточных напряжений 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 АЗ, 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 фективно с точки зрения снижения временных напряжений в поверхностной зоне (градиент температур еще велик), Подстуживание до температурболее низких, чем точка А , например до А, , неизбежно вызовет выделение определенного количества частиц 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 А, приводит к тому, что градиент температур между поверхностью осевого канала и зоной сечения с максимальной температурой, образующийся при включении внутреннего охлаж дения, становится значительно меньшим, чем в случае термообработки по известному способу. Начинать охлаж,дение осевого канала раньше указанного 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 в сжимающие, по закону равновесия это вызывает дополнительный прирост растягивающих напряжений в осевой зоне.П р и м е р. Осуществляют срав нительное расчетно-экспериментальное исследование свойств опорного валка стана ТЛСдиаметром2100 мм с осевым каналом 700 мм, изготовленного из дисперсионно-тверде 65 ющей стали 70 Х 2 МФБ и термообработанного по известному и предлагаемому способам.Известный способ термообработки: предварительный подогрев валка(объемный) до 550 ОС, 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 нагреводо температуры поверхности бочки 1025 С, подстуживание валка на возодухе до температуры поверхности бочки А =720 оС, 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 70 Х 2 МФБ приведен в табл,1 (в энаменателе - плавочный состав, в числителе - марочныи) .Твердость определяют на образцах размером 151515 мм (3 .образца на точку), охлажденных от принятой температуры закалки 1025 фС 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 фазовогоанализа карбидного осадка).При выбранной для стали 70 Х 2 МФБ 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 (40) 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 охпаждения для разных точек ;сечения на экспериментально определенные термокинетические диаграммы стали (для разных температур аустенизации).В табл,2 представлены расчетныезначения временных напряжений на поверхности бочки и на поверхности осевого канала, а также твердость в01-0 2с 0 4-0 6 с с 0,55 0 030,019 О 030,023 0 20 0,18 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 А+20 сС, 2 - подстуживание до АС, начало охлаждения соответствует А -20 ОС, 1 О 3 - подстуживание до А , начало охлаждения соответствует А 4 .Из приведенных в табл,2 данных ,следует, что при термообработке по предлагаемому способу существует оп ределенная область изменения заданных параметров охлаждения, внутри которой значения временных напряжений минимальны и показатели качества валков близки к соответствующим показателям для известного способаЭта 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. Б случае выхода за пределы этой области комплекс указанных характеристик нельзя считать оптимальнымвПри термообработке по предлагаемому способу максимальный уровень временных осевых растягивающих напряжений в.первоначальный период закалки снижается по сравнению с известным способом на 55 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 эксплуатации за счет предотвращения образования трещин в сечении при закалке изза высоких временных напряжений.Таблица 11076470 Таблица 2 Способ термообработки Уровень временныхосевых растягивающихнапряжений, МПа-280(-28) 54 46 Из вест ный Предлагаемый по вариантам-252 (-25,2) 55 Составитель А. СекейРедактор В.Петраш Техред С. Легеза Корректор А.Ференц Заказ 660/24 Тираж 540Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5ааееее ае еа аеа ааее аа ааааааааеат Филиал ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектная, 4на поверхности бочки черезб мин после началазакалки на поверхности осевого канала черезб мин после началавнутреннего охлаждения Твердость в поверхностном слое после закалки (30 мм от поверхности бочки), НЙС Глубиназакаленного слоя,мм(от поверхности дополумартенситной зоныс твердостью 48 НАС) Уровень остаточных осе. вых напряже- ний на поверхности осевого канала,МПа ( кгс/мм