Стали для валков горячей прокатки

Требования, предъявляемые к стали для производства валков горячей прокатки.

Известно, что условия работы прокатных валков, даже аналогичного назначения и конструкции, могут значительно различаться. Общим условием работы валков горячей прокатки является следующее. Деформируемый металл разогревает поверхностный слой валка до высоких температур. Поверхность валка расширяется значительно сильнее, чем более холодные глубинные слои. Это приводит к возникновению больших напряжений: сжимающих – на поверхности и растягивающих – в глубинных слоях. В момент завершения каждого прохода горячего металла между валками поверхность валка, не находящаяся больше в соприкосновении с горячим металлом, под влиянием охлаждения водой остывает и быстро сжимается. В результате в валках возникают напряжения противоположного знака. Многократно повторяющийся быстрый циклический нагрев до высоких температур поверхностных слоев валка при контакте с раскатываемой заготовкой и их последующее охлаждение приводят к образованию сетки трещин разгара.

Проведенное М.А.Тылкиным исследование показало, что температура поверхности валка при установившемся процессе прокатки составляет 750-850°С, снижаясь во время пауз между пропусками на 100-150°С, а при переходе к новой заготовке - на 300-350°С. Однако уже на глубине 3-4мм от поверхности валка температура не превышает 100°С. Термические и структурные напряжения, возникающие на поверхности валка, суммируются с напряжениями от действующих нагрузок и могут превысит предел прочности отдельных микрообъемов, что и при водит к образованию трещин или сетке разгара.

Длительное пребывание стали при высоких температурах может привести к структурным изменениям. В сталях перлитного класса наиболее часто происходит сфероидизация цементита и карбидов.

Появились новые разработки, которые касаются прокатки с нагревом заготовки и валков проходящим через них электрическим током. Валки должны быть жаро- и износостойкими и иметь высокий коэффициент тепло и электропроводности.

Для прокатных валков критерием работоспособности являются термостойкость, износостойкость и усталостная прочность. В основном кованые валки горячей прокатки изготавливают из сталей 55Х, 60ХГ, 50ХН, 60ХН и углеродистой стали 50.

 

Упрочняющие покрытия для валков и технологического оборудования листопрокатных станов

 

В настоящее время требования к листовым прокатным сталям стали значительно выше. Требуются стали меньшей толщины, но большей прочности, обладающие большей усталостной прочностью и антикоррозионной стойкостью, стойкостью к откалыванию и ударам, отсутствию поверхностных дефектов, без добавки редких металлов, возможностью производить штамповкой детали сложной формы. Перечисленные свойства листовых сталей в значительной степени зависят от процесса их прокатки и последующей обработки (снятие окалины, травлением) и в первую очередь от качества поверхностей рабочих и опорных валков прокатных станов. Основные требования, предъявляемые к валкам для проката таких сталей: высокое сопротивление к износу, циклическая термическая усталость и окислению, образованию тепловых и разгарных трещин: высокая переносимость сетки мелких гладких трещин.

Перечисленным требованиям к валкам в настоящее время соответствуют так называемые составные валки, состоящие из двух или нескольких основных слоев (с промежуточными переходными слоями), изготовленные центробежным литьем. Однако, даже валки изготовленные из Scmi-HSS сталей в качестве поверхностного слоя, претерпевают радикальный износ до 1мм в течение проката 50000-90000 тонн металла, что соответствует примерно месяцу работы валка с поверхностным слоем из лучших высоколегированных сталей. После чего валок нужно снимать с прокатного стана и перетачивать.

Дальнейшее увеличение эксплуатационного времени рабочих валков листопрокатных станов может быть связано с увеличением износостойкости их поверхности путем нанесения защитно-упрочняющих покрытий наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются следующие: газовым детонационным диффузионным насыщением, включая насыщение через жидкую фазу, автоионным распылением. Все вышеперечисленные методы можно использовать для нанесения покрытий на детали больших размеров, в том числе валки прокатных станов. В качестве упрочняющих покрытий использовали покрытия на основе боридов, тугоплавких металлов, их нитридов и карбидов. Износ нанесенных покрытий исследовался на специально созданных испытательных стендах, на которых имитировались условия близкие к условиям работы валков промышленных станов – температурный режим, изменение температуры (нагрев и охлаждение), эффективная глубина проникновения тепла в тело валка, механические нагрузки, линейная и угловая скорости движения валка и другие параметры. Экспериментально установлено, что износ выбранных типов покрытий в образцах в 3-12 раз меньше по сравнению с непокрытым образцом в зависимости от состава покрытия и метода его нанесения.

Основные требования к покрытиям – это высокая коррозионная и трибомеханическая стойкость в условиях работы валков, к методам нанесения – это возможность нанесения покрытий на более габаритные изделия.

Метод диффузионного насыщения.

Одними из наиболее перспективных диффузионных покрытий являются покрытия боридные, борохромистые и другие полученные путем диффузионного насыщения в вакууме с применением активатора.

При вакуумном активном диффузионном борохромировании поверхности стали из порошков чистых элементов – бора и хрома имеет место взаимодействие насыщающих компонентов в смеси с образованием новых устойчивых химических соединений – боридов хрома. В подобных случаях при диффузионном отжиге в смеси порошков металла и бора, как правило, происходит насыщение подложки преимущественно одним элементом, содержание которого превосходит величину, необходимую для образования, например, химического соединения Ме_nB_m. В определенной области концентраций порошковой засыпки диффузионные покрытия практически не образуются. Поэтому процесс борохромирования из порошков рационально проводить с использованием элементов, по крайней мере, одного в связанном состоянии. В качестве исходных порошков были выбраны карбид бора B₄C и хром, а активатора – хлористый натрий.

При борохромировании сталей образующийся защитный слой состоит из твердого раствора хрома и бора в железе и сложных боридов (Fe,Cr)₂ B и (Fe,Cr)B.

Детонационный газо-термический метод.

Одним из основных методов нанесения покрытий определенного функционального назначения является детонационный метод, который относится к группе газотермических методов нанесения покрытий.

Основным элементом установки для нанесения детонационных покрытий является пушка, которая представляет собой цилиндрический или конический водоохлаждаемый канал. Канал периодически заполняется взрывчатой смесью из системы газораспределения. Поджог газовой смеси осуществляется от свечи в необходимый момент времени, а подача порошкового материала покрытия в ствол производится устройство в интервале между выстрелами. Скорость распространения волны в направлении открытого конца ствола составляет около 3000м/сек. Следом за детонационной волной движется высокотемпературный поток, состоящий из продуктов детонации и частиц порошка. Скорость частиц порошка до 1500м/сек. а их температура до 2000°С. В рамках выстрела формируется единичное пятно покрытия равное диаметру ствола и толщиной от 5 до 50мкм. Частота выстрелов установки не превышает 20 герц.

В качестве детонационной смеси используется смесь ацетилена и кислорода и другие смеси. Для нанесения покрытия детонационным методом могут быть использованы любые материалы от полимеров до тугоплавких керамик, а также металлы и их сплавы. Размер частиц порошка для нанесения покрытия лежит в пределах от 5…100мкм.

Производительность установки составляет около 6 кг покрытия в час, пористость покрытия не превышает 0,1% при этом нагрев покрываемой детали не превышает 250°С прочность сплетения покрытия детали достигают 180МПа.

Метод автоионного насыщения.

Основу метода составляет широко известный метод электронно-лучевого распыления в вакууме, обеспечивающий распыление материала электронным пучком в виде нейтральных атомов (или: атомное распыление). Разработки авторов позволяют преобразовать потоки нейтральных атомов в плазму (низкотемпературную неравновесную плазму), в которой кроме нейтральных атомов, имеются ионы металлов и электроны (атомно-ионное распыление). Ионизация нейтрального атомного потока производится возбуждением в парах металла либо несамостоятельного дугового, либо высокочастотного разрядов.

Метод сочетает в себе достоинства электронно-лучевого и ионно-плазменного методов нанесения покрытий – высокие производительность (скорость нанесения покрытий достигает 1мм/час) и степень ионизации потоков пара (10-70%). Разработаны системы полной очистки плазмы от нейтральных частиц и микроблоков с высокими показателями прохождения плазмы через сепаратор (до 50%).

Распыляемыми металлами могут служить как металлы, так и их соединения в виде карбидов, окислов и др. Химическое соединение в покрытии могут также формироваться при распылении только металлов, если осаждение производится в среде того или иного разряженного химически активного газа или смесь газов (аналогично возможностям других ионно-плазменных методов).

Достигаемое плазменное состояние вещества обеспечивает высокую химическую активность, что способствует проявлению ряда уникальных эффектов при формировании покрытий в частности:

1. Плазменная активация образования металл металлоидных связей позволяет формировать покрытие со сложной физикохимией при достаточно низких температурах осаждения, и таким образом, практически без изменения механических свойств подложки.

2. Активация процессов обеспечения прочного сцепления покрытия с подложкой за счет:

- очистки поверхности от загрязнений ускоренными ионами;

- образование прочных химических связей материала покрытия с подложкой вследствие упоминавшейся плазменной активации формирования этих связей;

- ионной имплантацией материала покрытия в покрываемую поверхность;

- радиационно-стимулированой диффузией атомов покрытия вглубь подложки.

3. Формирование нового типа диаграмм состояния металл-металоид - так называемых неравновесных диаграмм состояния, с образованием метастабильных состояний твердого тела, в том числе сверх пересыщенных твердых растворов. Это позволяет получить металлическое состояние вещества с твердостью, присущей керамике (система молибден-азот и др.).

4. Формирование особых структур (аморфного типа, нанокристаллических и др.).

Атомно-ионнное распыление позволяет получить толстые покрытия (порядка 1мм) при температурах, близких к комнатной, а также - массивные самонесущие изделия (методом наращивания слоев на подложке) как объемно-квазикристаллические, так и микро- или нанослоистые с толщиной слоев от нескольких микрон до нескольких нанометров. Покрытия в неравновесном разупорядоченном состоянии обнаруживают новые свойства не характерные для обычного поликристаллического состояния у материалов полученных традиционными металлургическими методами. Так, например, ионно-плазменные покрытия системы ниобий-углерод являются сверхпроводящими и в тоже время обнаруживают аномально высокую кавитационно-эрозионную стойкость при относительно низкой микротвердости.

В настоящее время существуют технологии нанесения покрытий вышеперечисленными методами толщиной до 1мм и более на длинномерные изделия до 1000-1100мм.

Снижение износа прокатных валков за счет микроплазменного упрочнения их поверхности.

С целью повышения срока эксплуатации прокатных валков производится микроплазменное упрочнение рабочей поверхности чугунных валков.

Микроплазменное упрочнение занимает лидирующее положение в ряду упрочняющих технологий валковоремонтного производства. Возможно восстановление работоспособности валков с выработанным отбеленным слоем до уровня заводской поставки. Своему названию метод обязан использованию микроплазменной техники разработанной для проведения прецизионных сварочных работ.

Метод микроплазменного упрочнения (МПУ) является одним из видов технологий с использованием концентрированных потоков энергии, определяется как поверхностная термическая обработка сжатой плазменной дугой диаметром до 0,4мм и плотностью мощности в тепловом пятне 5·10³- 5·10⁴Вт/см, движущимся с линейной скоростью 6-8 см/с.

В отличие от методов с большой интегральной мощностью источников нагрева (плазменного, газового, индукционного) МПУ обладает высокой технологичностью в аспекте трещин образования. Структурные превращения при МПУ происходят по схеме, присущей всем видам обработки концентрированными потоками энергии и сводятся к образованию структурной микронеоднородности, заключающейся в чередовании твердого высокодисперсного мартенсита и цементита с пластинами остаточного аустенита.