CC BY
139
УДК 621.785.47
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ВАЛКОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЦО
В.Ю. Иващенко, ст. преподаватель,
А.П. Чейлях, профессор,
Приазовский государственный технический университет
Аннотация. Рассматриваются факторы, влияющие на причины снятия с эксплуатации цельнокованых валков горячего проката. Разработанные с учетом этих факторов режимы термоциклической обработки позволяют повысить износостойкость и разгаростойкость валкового инструмента.
Ключевые слова: валки, термоциклирование, износ, разгаростойкость.
Введение
Повышение стойкости валков горячего проката остается одной из актуальных задач металлургического производства, поскольку валки являются одними из наиболее материалоёмких изделий и величина их стоимости составляет существенную долю затрат на производство.
Анализ публикаций
Факторы, влияющие на стойкость, причины выхода из строя, оптимизация режима работы валков с целью увеличения срока их службы изучались многими авторами [1, 2]. Несмотря на то, что использование литых валков признано важным резервом увеличения производительности прокатных станов, доля применяемых кованых валков остается по-прежнему довольно высокой, но их эксплуатационная стойкость недостаточна [3].
Цель и задачи исследования
В настоящем исследовании поставлена задача - выявить факторы, отрицательно влияющие на стойкость инструмента, и исследовать влияние разработанных режимов термической обработки на эксплуатационные свойства валковых сталей.
Статистические исследования стойкости кованых валков
Для оценки причин выхода валков из строя было выполнено исследование на партии кованых валков из стали 50ХН. Типичная термообработка валков заключалась в нормализации при 880 - 900 °С с последующим высоким отпуском при 580 - 610 °С. Требуемая твердость - 210 - 250 НВ.
Основными причинами снятия с эксплуатации отработавших валков является износ рабочей поверхности (72 %) и образование сетки трещин разгара (18 %).
Общая стойкость каждого валка (<2) оценивалась по массе прокатанного им металла от установки и до окончательного выхода из строя. Установлено, что валки, вышедшие из строя по причине износа, имеют более широкий разброс в значениях стойкости и более высокую среднюю стойкость - 1149 тыс. т., а валки, подвергшиеся разгару - более низкую
- 1056 тыс. т. Кроме того, валки с более высокой твердостью (НВ 230..265) склонны к разгару.
Для каждой группы отработавших валков проведен анализ корреляционной связи между механическими свойствами, химическим составом стали и показателем стойкости Q. Установлено, что на стойкость валков, которые были сняты с эксплуатации по причине
износа бочки, эффективно влияет исходная твердость бочки (гнв-д= - 0,59) и содержание следующих элементов: С (гС-е= +0,44),
81 (Пзн2= +0,69), Мп (гмп-е= +0,52), Си (гси-е= =+0,49).
Для группы валков, снятых с эксплуатации по причине разгара, установлено, что наиболее эффективными факторами являются ударная вязкость (гкси-е=0,768) и относительное удлинение (г5_е=0,49).
Из химических элементов на разгар влияют:
С (гс-2=+0,76Х Мп (гмп-е=+0,47Х Р (гр-е= = - 0,35), 8 (^-е= - 0,55), Сг (гсг-от - 0,42). Положительное влияние Мп подтверждается авторами [3, 4], которые отмечают его способность увеличивать прочность при повышенных температурах и, следовательно, тормозить зарождение трещин термической усталости в поверхностном слое валка. Хром, как правило, повышает термическую стойкость, но в сталях без молибдена он повышает склонность к развитию отпускной хрупкости (сталь 50ХН не содержит Мо), чему также способствует фосфор. Этим можно объяснить отрицательное влияние этих элементов на разгаростойкость.
Снижение стойкости при увеличении концентрации серы вероятнее всего связано с увеличением количества сульфидов. Как правило, в поверхностных слоях валка сульфиды имеют вытянутую форму, что, по данным работы [5], отрицательно сказывается на усталостной прочности, способствуя зарождению трещины на границе матрицы и сульфида.
С учетом приведенных выше результатов статистических исследований можно сделать вывод, что для повышения стойкости валков, выходящих из строя по причине износа и разгара, нужно использовать различные подходы или повышать в целом комплекс свойств стали, чего не позволяют сделать классические режимы термообработки.
Повышение рабочих свойств валков под действием ТЦО
Известно [6], что повышения комплекса механических свойств в целом можно добиться за счет термоциклической обработки (ТЦО).
Разработанные режимы ТЦО с переменными параметрами [7, 8] включали медленный нагрев (чтобы избежать появления разрушающих напряжений в валках с крупными габаритами) и охлаждение двух-четырех циклов до различных температур (Гтах и Гт1п), которые изменялись по определенным схемам.
ТЦО с переменными параметрами влияет на механические свойства валковых сталей [7] в зависимости от сочетания числа циклов и схемы изменения Ттах и Тт1п от цикла к циклу. Режимы с повышением Ттах способствуют повышению прочностных свойств и ударной вязкости. Режимы с понижением Ттах повышают ударную вязкость и относительное сужение, хотя по сравнению с типовым режимом обработки валков свойства всегда повышаются в комплексе.
Установлено [8], что температура охлаждения между циклами влияет на уровень упругих микродеформаций, плотность дислокаций, поэтому механические свойства меняются от цикла к циклу немонотонно.
Испытания контактной износостойкости (е) при температурах 300 - 350 °С сталей 50ХН и 60ХН, прошедших ТЦО с переменными параметрами, показали, что во всех случаях применение ТЦО повышает износостойкость стали по сравнению с типовым режимом термообработки (е =1). При этом твердость образцов находилась в требуемых пределах -210 - 250 НВ, а микротвердость эвтектоида -в пределах 1700-2400 МН/м2.
Повышение относительной износостойкости стали 50ХН составило 1,2 - 1,9 раза, в зависимости от параметров циклирования, для стали 60ХН - в 1,5 - 1,8 раза.
После ТЦО в обрабатываемых образцах была получена мелкозернистая ферритно-перлит-ная структура, мало влияющая на твердость (ИЯС). При обработке с разными параметрами режима различия наблюдались в значениях микротвердости эвтектоида (Н50) и величине упругих микродеформаций (е)1.
Выдвинутое предположение, что эти характеристики будут являться основными факторами, влияющими на износостойкость, под-
1 Величины упругой микродеформации (е) опре-
делены с помощью рентгеноструктурного анализа [7].
твердились найденными зависимостями для режимов с понижением Ттах (1) и с повышением Ттах в циклах режимов ТЦО (2), в которых все коэффициенты являются значимыми
е = 2,119 - 0,343-е + 0,001-Ни. (1)
е = 0,235 - 0,042-е + 0,005-Н5с. (2)
Из полученных уравнений (1, 2) следует, что повышение Н50 способствует росту износостойкости, а увеличение е - снижает ее, что не противоречит традиционным представлениям, т.к. известно [9], что величина износостойкости определяется не только твердостью, но и составом и формой карбидов, их объемной долей, развитой полигональной структурой и другими факторами.
Для ферритно-перлитных структур прочностные свойства в холодном и горячем состояниях прямопропорционально связаны между собой, а теплостойкость определяется высокой стабильностью металлической матрицы и низкой способностью карбидов к коагуляции. Рост износостойкости при незначительных изменениях твердости можно объяснить с позиций повышения однородности структуры и химического состава, измельчения зерна, которые также способствуют росту теплостойкости.
Известно, что мелкозернистые сплавы являются более износостойкими в условиях абразивного изнашивания, чем крупнозернистые. Влияние азерн на износостойкость может быть объяснено торможением развивающейся трещины, т.к. для преодоления границы потребуется энергия, во много раз превышающая работу на распространение трещины внутри зерна. Износ валка относят к контактно-абразивному с незначительной долей абразивной составляющей [3], т.к. в процессе изнашивания участвуют только окислы поверхности бочки. Однако приведенное выше объяснение вполне применимо и к контактному виду износа, при котором определяющую роль играет деформация поверхностных слоев с последующим развитием разрушения.
Другая эксплуатационная характеристика -разгаростойкость (т) образцов из валковых сталей, прошедших ТЦО, оценивалась при испытании в интервале температур от 20 до 600 оС по числу термосмен, выдержанных образцом до появления трещины на его по-
верхности. По сравнению с типовым режимом обработки валков ТЦО повышает разга-ростойкость в среднем в 1,4.. 1,5 раза.
Обнаружена зависимость между т и величиной е, межпластинным расстоянием (1/Н50)2, содержанием перлита в структуре, диапазоном изменения диаметров зерен (Да?)
т=189,8-е+1333579-1/Я50 - 1,3-108-(1/Я5с)2+ 486,4-П - 2,8П2 - 16,42-Да -23598,5. (3)
Уравнение является адекватным, все коэффициенты уравнения значимы. Наиболее сильным фактором, определяющим разгаро-стойкость, является Да (гда-т= -0,73). Чем сильнее разброс диаметров зерен, тем выше вероятность появления трещин разгара.
Корреляционный анализ по механическим свойствам также подтверждает влияние размера зерна на разгаростойкость через связь с ударной вязкостью (г Кси-т =+0,92).
Регрессионный анализ связи между механическими свойствами стали 50ХН и т показал наличие адекватной зависимости (4). При этом коэффициенты при ов и о0>2 - незначимы.
Для образцов из стали 60ХН получено аналогичное адекватное уравнение (5) с разницей в коэффициентах при показателях свойств
т = 7,19-КСи + 3,69- у - 4,90-5 + 0,86-ов - 0,54о0,2+214,98, (4)
т = 8,14-КСи + 4,03- у - 5,21-5 +
0,72-ов - 0,58-о0,2+189,06. (5)
Исследования структуры показали, что максимальный уровень разгаростойкости обеспечивается применением режимов ТЦО с эффективной сфероидизацией карбидной фазы.
Выводы
1. На выход из строя по причинам износа или разгара разных групп валков влияют различные факторы.
2. Износостойкость валковых сталей, обработанных с использованием ТЦО, растет в среднем в 1,2 - 1,9 раза с увеличением мик-
2 Условно принято, что межпластинное расстояние
обратно пропорционально микротвердости Н50.
ротвердости эвтектоида и падением уровня упругих микронапряжений.
3. Разгаростойкость после ТЦО повышается в 1,4 - 1,5 раз за счет измельчения межпла-стинного расстояния перлита и размеров зерен, увеличения количества эвтектоида в структуре и снижения величины микронапряжений.
Литература
1. Воронцов Н.М., Жадан В.Т., Шнееров Б.Я.
и др. Эксплуатация валков обжимных и сортовых станов. - М.: Металлургия, 1973. - 288 с.
2. Иванченко Ф.К., Полухин П.И., Тыл-
кин М. А. и др. Динамика и прочность прокатного оборудования. - М.: Металлургия, 1970. - 488 с.
3. Тылкин М.А. Повышение долговечности
деталей металлургического оборудования. - М.: Металлургия, 1971. - 608 с.
4. Баландин Ю.Ф. Термическая усталость
металлов в судовом машиностроении. -М.: Судостроение, 1967.
5. Малиночка Я.Н., Ковальчук Г.З. Сульфиды
в сталях. - М.: Металлургия, 1988. -248 с.
6. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термо-
циклическая обработка металлов и деталей машин. - Л.: Машиностроение, 1989. - 255 с.
7. Иващенко В.Ю. Влияние термоцикличе-
ской обработки на свойства валковой стали 50ХН // Захист металургшних машин вщ поломок. - 2000. - № 5. -
С.257 - 261.
8. Иващенко В.Ю., Ткаченко Ф.К. Влияние
ТЦО с переменными параметрами на состояние субструктуры и свойства стали 50ХН // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. - 2004.
- №2. - С. 16 - 18.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 июля 2009 г.
