Валковая сталь. Валки прокатных станов

6. МАТЕРИАЛ ВАЛКОВ

Большую роль при производстве профильного проката играет правиль-ный выбор металла валков.

Чугунные валки для сортовых станов горячей прокатки изготавливают по ГОСТ 11143—65 следующих видов: из нелегированного чугуна с /пластин-чатым (СП) и шаровидным (СШ) графитом; из легированного чугуна с пластинчатым (СПХН) и шаровидным (СШХН) графитом.

Легированные чугунные валки с пластинчатым графитом (СП) изго-тавливают с отбеленным перлито-графитовым и с перлито-карбидо-графито-вым рабочим слоем.

Легированные чугунные валки с пластинчатым графитом (СПХН) изготав-ливают с отбеленным или с перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем, а также двухслойными с рабочей поверхностью из легированного отбеленного чугуна и с сердцевиной из серого или легированного чугуна.

Нелегироваяные чугунные валки с шаровидным графитом (СШ) (изготав-ливают с отбеленным перлито-графитовым и перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем.

Легированные чугунные валки с шаровидным графитом (СШХН) изго-тавливают с перлито-карбидо-графитовым рабочим слоем, а также двух-слойный с рабочей поверхностью из легированного отбеленного чугуна и с сердцевиной из серого или легированного чугуна. Все указанные выше типы чугунных валков отливают гладкими или с профильными ручьями.

Твердость поверхности бочек отбеленных чугунных валков, как правило, определяют приборами типа Шора. Твердость валков с перлито-окарбидо-графитовой структурой должна определяться по Бринеллю.

Стальные валки (кованые и литые) для сортовых станов горячей про-катки изготавливают по ГОСТ 9487—70 (технические требования) и ГОСТ 5399—69 (основные размеры).

Стальные прокатные валки изготовляют литыми и коваными для горя-чей прокатки и коваными для холодной прокатки.

Стальные литые валки для горячей прокатки выполняют из доэвтектоидных (0,46—0,70% С, HS24—27), эвтектоидных (0,75—0,85% С, HS30—40) и заэвтектоидных (1,1—1,6% С, HS32—50) сталей.

Стальные кованые валки для холодной прокатки изготовляют по ГОСТ 3541—74, а для горячей прокатки — по техническим условиям, согласован-ным между заводами-изготовителями и заводами-потребителями.

Стальные валки для блюмингов, слябингов и заготовочных станов изго-товляют в основном из кованой углеродистой стали, содержащей 0,6— 0,8% С, или легированной хромоникелевой стали марок 50ХН и 60ХН, а так-же из литой стали 50, 50ХН, 150ΧΉΜ; валки рельсо-балочных и крупносорт-ных станов — из кованой стали 50, 55, 55Х, 40ХН, 50ХН, 60 ХН, 9Х и 9ХФ; валки среднесортных станов—из кованой стали 50, 55, 55Х и 50ХН и ли-той 150ХНМ; валки мелкосортных станов из кованой стали 50, 55, 55Х и 60ХГ и литой 150ХНМ; проволочных станов — из кованой стали 50, 9Х, 9ХФ и 9Х2МФ и литой 150ХНМ; штрипсовых станов — из кованой стали 50, 60ХГ и литой 150ХНМ.

Бандажи сборных валков станов холодной прокатки изготовляют из ста-лей 9Х, 9X2, 9ХФ, 75ХМ и оси валков из сталей 45ХНМ, 40ХН2МА, 55Х.

Химический состав металла калков должен соответствовать ГОСТ 1050— 74 для сталей марок 50 и 55, ГОСТ 4543—71 для сталей марок 40ХН, 50ХН и 40ХН2МА; ГОСТ 3541—74 для сталей марок 55Х, 9ХФ; ГОСТ 5950—63 для стали 9Х; ГОСТ 10207—70 для стали 45ХНМ.

7. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛКОВ

Чугунные валки изготавливают только отливкой. Изготовление литых, валков — сложный процесс с большим числом промежуточных операций. Ка-чество литых валков зависит в основном от вида литейной формы. Напри-мер, тепловое сопротивление земляной формы в несколько (раз больше, чем металлической.. Валки, отлитые в земляную форму, имеют более низкие прочность и износостойкость, что обусловлено медленным затвердеванием жидкого металла.

Мягкие (незакаленные) валки отливают из черного чугуна в земляную форму -(опоку). (Полутвердые (полузакаленные) валки отливают в металли-ческую чугунную форму (кокиль), покрытую изнутри слоем глины толщи-ной до 15—20:мм для замедления -процесса отбеливания чугуна «а бочке валков. Твердые (закаленные) валки отливают в металлическую нефутерованную форму. Валки высокой твердости изготавливают двухслойными: на-ружный слой из высоколегированного чугуна, а сердцевину — из чугуна де-шевого, но более прочного при работе на изгиб.

Механическая обработка валков с отлитыми ручьями значительно проще. Требуемые глубина и твердость отбеленного рабочего слоя достигаются под-бором толщины слоя обмазки и химическим.составом чугуна. Глубина отбе-ленного рабочего слоя валков мелкосортных станов составляет 15—30 мм, средне-сортных 20—40 мм и крупносортных и рельсо-балочных 150—200 мм/ Глубина отбеленного слоя ручьевых валков должна обеспечить возможность полной их переточки.

Магнитогорский (ММК) и Кузнецкий (КМК) металлургические комби-наты, Серовский металлургический завод применяют передовую технологию литья валков в металлические сборные формы. Большого внимания заслужи-вает технология литья валков на КМК. Верхняя шейка валка формируется в земляной форме, а бочка и нижняя шейка — в чугунном кокиле. Внутрен-нюю поверхность литейной формы окрашивают хромомагнезитовой краской толщиной до б мм. Окрашенные формы сушат при 300—350°С.

Чугунные валки отливают на Днепропетровском чугуно-вальцеделательном заводе (ДЧВЗ), Лутугинском заводе прокатных валков (ЛЗПВ), Кушвинском заводе и для собственных нужд на КМК, ММК, Серовском метал-лургическом заводе и на других заводах.

Химический анализ чугуна должен проводиться (ГОСТ 2331—63) на пробах, взятых при заливке чугуна.

Работниками Лутугинского завода освоен способ обработки чугуна магнием с использованием жидкой чугуно-магниевой лигатуры. Сущность способа заключается в том, что обработке магнием подвергают не всю мас-су (металла в 35-т ковше, а только часть его в малом ковше емкостью 10— 15 т.

Плавку ведут одновременно в вагранке и пламенной печи. Обе части плавки (ваграночная, обработанная магнием и печная) после смешивания обеспечивают требуемые химический состав, твердость и микроструктуру отливок.

Обработка чугуна жидкой чугуно-магниевой лигатурой позволяет повы-сить температуру заливки и сохранить в массовых отливках остаточный магний, необходимый для образования в чугуне шаровидной формы графита.

Опыт Лутугинского завода получения тяжелых отливок из магниевого чугуна переняли многие заводы как в нашей стране, так и за рубежом.

Вакуумирование жидкого чугуна при отливке способствует уменьшению газонасыщенности и загрязненности неметаллическими включениями метал-л а валков; при этом глубина отбеленного слоя валков уменьшается в 1,3 ра-за, а переходной зоны — в 1,5 раза.

На некоторых металлургических заводах при изготовлении литых сталь-ных валков наряду с заливкой металла в -форму (кокиль) сверху применя-ют сифонную заливку. Сифонная заливка позволяет уменьшить припуск под механическую обработку валков на 25—30%. Однако сифонная заливка усложняет процесс формовки и выбивки валков из формы, повышает стои-мость изготовления форм и требует больше производственных площадей.

Стойкость кокилей для валков диаметром 800—1100 мм и длиной бочки до 2000 ммдостигает 35 заливов, а для валков диаметром до 800 мм на-ходится в пределах 40—50. На КМК кокили массой более 10 τ отливают с бандажами, что приводит к увеличению стойкости кокилей на 20—25%.

Литые стальные валки для горячей прокатки находят все большее при-менение. Ряд заводов черной металлургии, используя передовую технологию-изготовления валков, уже в течение нескольких лет успешно применяет ли-тые стальные валки вместо кованых.

Литые валки из углеродистых заэвтектоидных сталей (марок У10, У12) изготавливают и эксплуатируют на ММК и КМК в черновых клетях рель-со-балочных и крупносортных станах.

Успешное применение литых стальных валков объясняется их низкой, стоимостью и высокой стойкостью. Срок службы литых валков обычно в 1,5—2,5 раза больше, чем кованых.

Основными поставщиками кованых валков горячей прокатки являются УЗТМ, НКМЗ, ЭЗТМ, ЮУМЗ, Ижорский, Днепропетровский и некоторые другие заводы тяжелого машиностроения, располагающие мощным кузнечно-прссовым оборудованием и необходимыми рредствами термообработки.

Качество валков, выпускаемых отдельными заводами, неодинаково. Как показывают многочисленные статистические данные, наиболее высокую стой-кость при эксплуатации имеют валки Уралмашзавода. Ковку валков на УЗТМ в отличие от ковки на большинстве других заводов осуществляют, как правило, с одной осадкой при степени укова не менее трех. Для повы-шения износостойкости бочку валков можно подвергать поверхностной за-калке, наплавке твердыми сплавами и обкатке роликами.

В зависимости от марки стали валки для горячей прокатки подвергают следующим видам термической обработки: нормализации и отпуску (для рельсо-балочных и крупносортных станов) — стали марок 50, 55, 9Х, 9ХФ; закалке и отпуску (для проволочных станов) —9Х, 9ХФ, 9Х2МФ; двойной нормализации и отпуску (для непрерывно-заготовочных, среднесортиых, мелкосортных станов) — 150ХНМ.

Стали марок 55Х, 60ХГ, 50ХН и 60ХН подвергают нормализации и от-пуску или по требованию заказчика — закалке и отпуску для валков с боч-кой диаметром до 500 мм, а с бочкой диаметром более 500 мм закалка и отпуск должны проводиться по соглашению сторон.

Литые валки из стали марок типа 60ХН подвергают термической обра-ботке по следующему режиму "[}]: выдержка в печи в течение 4 ч при 250°С, последующий нагрев до 650° со скоростью 40°С/ч, выдержка 3—5 ч; нагрев до 950°С со скоростью 60°С/ч, выдержка 18—22 ч; охлаждение на воздухе до 550—600°С; нагрев до 850—870°С, со скоростью 80°С/ч выдержка 14— 18 ч; охлаждение на воздухе до 400—500°С; нагрев до 600°С со скоростью 80°С/ч; выдержка 12 ч; охлаждение с печью до 200°С со скоростью 25°С/ч. Время термической обработки составляет около ПО ч.

На ММК литые валки из стали У150ХНМ подвергают термической об-работке по следующему режиму: тройная нормализация с температур 1050, 820, 900°С, последующий отпуск при 600°С (твердость HS46—49), норма-лизация с Ш50°С, последующий отжиг при 820°С (твердость HS41—45),

Кованые стальные валки из углеродистых сталей подвергают термиче-ской обработке по следующему режиму: нагрев до температуры норма-лизации (830—870°С) с выдержкой в печи после выравнивания температу-ры из расчета 0,6 ч на 100 мм толщины с последующим охлаждением на воздухе до "250—550°С. Температура отпуска 580—660°С, время выдержки из расчета 1,2 ч на 100 мм толщины. Охлаждение после отпуска: до 400°С со скоростью 40—60°С/ч, охлаждение до 250—300°С со скоростью 20—30°С/ч. Нагрев и охлаждение валков из легированных сталей осуществляют более осторожно.

Валки из углеродистых сталей можно подвергать термической обработке в необработанном виде, а из легированных — только после механической обработки.

Валки для горячей прокатки должны поставляться с чисто обработанны-ми и зацентрованными шейками. Шероховатость поверхности бочки валков для горячей прокатки должна быть не ниже 5-го класса, а грубообработанной поверхности бочки —не ниже 3-го класса (ГОСТ 2789—73).

Общие требованиями к сталям для валков горячей прокатки основываются на разогреве поверхностного слоя валка деформируемым металлом, при этом поверхностный слой расширяется сильнее, чем внутренний, более холодный. Это приводит к появлению больших напряжений – сжимающих на поверхности и растягивающих в глубинных слоях. В момент завершения контакта поверхности валка с деформируемым металлом происходит быстрое охлаждение поверхностного объема и образуются напряжения сжатия. В результате чего возникают напряжения противоположного знака. Многократный, циклический быстрый нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением приводит к образованию сетки трещин (разгар).

Исследования показали, что в установившемся режиме прокатки поверхность нагревается до 750–800 °С, в то время как на глубине 3–4 мм она не превышает 100 °С. Термические и структурные напряжения, возникающие на поверхности валка, суммируются с напряжениями от действующих нагрузок и могут превысить предел прочности отдельных микрообъемов, что и приводит к образованию трещин. Длительный нагрев до высоких температур может привести к структурным изменениям. В сталях перлитного класса происходит сфероидизация карбидов. Основным критерием работоспособности валков является термостойкость, износостойкость и усталостная прочность. Химический состав сталей не может однозначно определить качество валков горячей прокатки, поскольку сопротивление износу и зарождению трещин зависит от множества других факторов, определяемых и термической обработкой.

Химический состав (%) сталей для валков горячей прокатки (ГОСТ 9487–70 и 10207–70)

Содержание кремния 0,17–0,37%, серы и фосфора Рассмотрим основные режимы термообработки заготовок, которые представлены на рис. 1.

Рис. 1. Режимы термической обработки поковок для производства валков горячей прокатки

Термическая обработка валков, как правило, является окончательной термообработкой после ковки и состоит из нормализации и длительной выдержки при температуре высокого отпуска. Необходимость нормализации вызвана тем, что в процессе ковки температура различных частей поковки может изменяться в широких пределах. Степень деформации также широко изменяется по сечению заготовки. Цель нормализации заключается в снижении внутренних напряжений и измельчении зерна, что приводит к повышению механических свойств.

На рис. 3а представлена термообработка поковок из стали 60ХН. Причем изотермическая выдержка в субкритическом интервале температур определялась из расчета около 4 ч на 100 мм сечения. Второй режим (3б) соответствует изотермической выдержке до 7 ч на 100 мм. В третьем случае проводится двойная термообработка – предварительная и окончательная, общая продолжительность которой доходит до 20 суток. Поковки подвергают термической обработке в печах с выкатным подом, садка которых достигает 200–250 т. Поковки располагают в несколько ярусов, причем для прогрева изделий больших сечений необходима выдержка 2,5–3 ч на 100 мм. Только в этом случае будут выполнены необходимые условия для перекристаллизации, что обеспечит измельчение зерна, устранение внутренних напряжений и выравнивание механических свойств по всему сечению.

Заводы заинтересованы в сокращении продолжительности термообработки, но это может быть реализовано только в том случае, когда известны реальные скорости нагрева и охлаждения по всему сечению заготовок, а также, если известна кинетика распада переохлажденного аустенита, как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Нагрев под нормализацию должен обеспечить температуру выше критических точек во всем сечении заготовки, исходя из чего выбирают режим нагрева, т.е. скорость нагрева, температуру и длительность выдержки.

Для таких садок скорость нагрева составляет от 20–60 град/ч. Скорость охлаждения также находится в этих пределах. Поэтому из анализа термокинетической диаграммы распада переохлажденного аустенита следует, что при охлаждении поковок до температур 650–600 °С в них полностью завершается перлитное превращение. Охлаждение необходимо проводить до тех пор, пока в центре поковки температура не достигнет 600 °С. Но диаметр бочки валка приблизительно в 2–2,5 раза больше диаметра шейки, из-за чего скорость охлаждения шейки значительно выше, чем скорость охлаждения бочки. Поэтому в этих местах могут возникать флокены. Таким образом, при термообработке крупногабаритных поковок необходимо учитывать обеспечение замедленного охлаждения шеек.

Четвертый режим обеспечивает сокращение длительности термообработки на 20–30 часов при обеспечении необходимого качества.

Качество поковок определяют по механическим свойствам на глубине, составляющей 1/3 радиуса от поверхности шейки на продольных образцах (см. рис. 2). Кроме того, проводится контроль по макроструктуре на флокены и ликвационную неоднородность.

Рис. 2. Схема отбора пробы металла в процессе контроля поковок для валков горячей прокатки

В состоянии поставки валки горячей прокатки должны иметь следующие свойства: σ в>800 МПа, σ 0,2>500 МПа, δ>8%, ψ>33%, KCV≥0,3 МДж/м2. Если в пробе выявляются флокены, то валки бракуются и подвергаются перековке. Обычно флокены наблюдаются на глубине от 1/3 до 2/3 R и не наблюдаются в поверхностной и центральной зонах, поскольку из поверхностной зоны водород успевает выделиться, а в центральной зоне имеются микронесплошности, в которые выделяется водород и не создает критического давления.

Валки для линий листовой холодной прокатки по их использованию делят на: рабочие и опорные. См. рис. 4 и 5.

Диаметр валка подбирают на основе расчетов, выполненных при учете сортамента (его толщины), условий работы, механических свойств проката, максимальных усилий, обжатий, конструкции линии.

Длина бочки РВ зависит от ширины полосы, листа, ленты.

Приводными валками обычно делают РВ. В клетях, где отношение длины бочки к Ø валка = или > 5:1, и прокатывается очень тонкая лента из легированной стали, на многовалковых агрегатах приводными выполняются ОВ (опорные валки). У валков с подшипниками качения, шейки изготовляют ступенчатыми. На станах, где используются подшипники скольжения, шейки валков, как правило, гладкие. Для редуцирования давления на подшипники, повышения прочности валковых шеек, работающих на ПЖТ, шейки имеют макс. Ø, а места переходов от шеек к бочке закругляются.

В РВ (при Ø бочки >160 мм) делают сквозные пазы по оси, так называемые осевые каналы. В валках больших размеров эти каналы в области бочки переходят в более широкие камеры. Камеры имеют Ø, превышающий в значительной степени Ø входных отверстий.

Осевые каналы способствуют охлаждению центра валка в момент его закалки. Такое дополнительное охлаждение РВ в процессе функционирования линии создаёт стабильный термальный режим, повышая, таким образом, стойкость валка.

Опорные валки могут быть цельноковаными (как на рис. 3 и 4), литыми, бандажированными (см. рис. 5). К качеству подготовки ОВ предъявляются особо жесткие требования. Возникающее при работе биение бочки ОВ относительно шеек ведёт к разнотолщинности прокатываемой полосы. Макс. допустимое биение бочки валка Ø1500 мм будет равно 0,03 мм.

Для агрегатов холодной прокатки валки предусматривают из высококачественных сталей, в составе которых небольшое содержание вредных компонентов S и P. Наряду с механич. свойствами после термообработки стали оценивают по технологическим характеристикам — закаливаемости, склонности к перегреву, чувствительности к деформации при закалке, обрабатываемости, шлифуемости и др.

Важнейшими признаками для сталей, идущих на производство валков, считаются твердость и прокаливаемость. Твердость стали марки 9Х в закаленном состоянии достигает 100 ед. по Шору.

РВ многовалковых прокатных линий производят из сталей 9Х и 9Х2. За границей для этого служат инструментальные, среднелегированные и быстрорежущие стали. Твёрдость рабочей поверхности в состоянии после термообработки достигает HRC 61-66.

В последних технологиях все чаще упоминаются РВ, изготовленные из металлокерамических твердых сплавов (основу их образует карбид вольфрам). Изготовление валков из твердых сплавов основано, как правило, на горячем прессовании или спекании пластифицированных заготовок. Количество кобальтового порошка принимается, равным 8-15 % (остальной компонент - карбид вольфрам).

Твёрдосплавные валки, по сравнению с валками из легированных марок стали, более износостойкие. Их стойкость к износам в 30—50 раз выше. При прокатке ими может быть получена макс. шероховатость на поверхности прокатываемого материала.

Их изготавливают цельными и составными. В качестве РВ многовалковых прокатных линий, как правило, применяют цельные металлокерамические валки. При проектировании твёрдосплавных валков учитывают определенные соотношения Ø шейки к Ø бочки (≥ 0,6) и Ø и длины бочки (≤ 4).

Основным недостатком металлокерамических валков является повышенная хрупкость, что исключает возможность эксплуатации их при толчках, ударах, больших прогибах. При завалке их в клеть необходимо полностью устранить перекосы, влияющие на качество прокатываемого материала. ОВ для линий холодной прокатки обычно изготовлены из сталей марок 9X2, 9XФ, 75ХМ, 65XНМ. В последнее время сталь марки 75ХМ для цельнокованых ОВ наиболее широко применяется.

Марки сталей 40ХНМА, 55Х, 50ХГ и стали 70 идут на изготовление осей составных (бандажированных) ОВ (малых и средних). Для изготовления осей крупных ОВ тяжелонагруженных станов применяют стали марок 45XHВ и 45XHМ.

Стали 9Х, 9ХФ, 75ХН, 9X2, 9Х2Ф и 9Х2В используются для изготовления бандажей составных ОВ. Твёрдость поверхности бандажа после конечной термообработки 60—85 ед. по Шору.

Целесообразно применение литых ОВ, они дешевле кованых, обладают значительно большей износостойкостью. Крупные литые опорные валки изготавливают из хромоникельмолибденовых и хромомарганцево-молибденовых сталей. Например, изготовляют ОВ из стали типа 65ХНМЛ. Они после термообработки имеют твёрдость 45—60 ед. по Шору.

ОВ многовалковых станов изготавливают из инструментальной стали. В ней содержится 1,5% С и 12 % Сг. Твёрдость их после термообработки HRC 56— 62.

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 n B 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 B 4 C 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 5·10 3 - 5·10 4 Вт/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.