CC BY
36
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип.№15
УДК 621.744.3
Дан Л.А.1, Трофимова Л.А.2, Шварц Л.Н.3
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ИЗ Cr-Ni-Mo ВЧШГ
Разработана и опробована в производственных условиях технология отливки валков из Cr-Ni-Mo высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в песчано -глинистые формы с последующей их термообработкой
Металлургические предприятия, оснащенные 20 и более лет назад импортным оборудованием, в настоящее время испытывают недостаток в сменно-запасных частях к нему. В разряд дефицитных попали валки к прокатным станам, поставленным западногерманской фирмой 8КЕТ.
Традиционная технология изготовления прокатных чугунных валков, используемая на специализированных предприятиях, предусматривает их отливку в металлические формы - ко-кили, иногда водоохлаждаемые [1]. За счет кристаллизации в условиях высоких скоростей теп-лоотвода формируется рабочий слой из отбеленного чугуна, который обладает высокой износостойкостью и термостойкостью. После этого литые заготовки подвергаются искусственному старению и механической обработке.
В условиях массового и крупносерийного производства подобный подход, безусловно, оправдан. И хотя предпочтительно получать заданную структуру металла непосредственно при литье, экономически нецелесообразно изготовление дорогостоящей оснастки для отливки небольших партий валков в литейных цехах. Как правило, они входят в состав ремонтных служб заводов и характеризуются широкой номенклатурой выпускаемой продукции.
Альтернативным путем получения структуры, обеспечивающей высокую эксплуатационную стойкость изделий из чугуна, является термическая обработка. Эффективность термической обработки применительно к отливкам из чугуна делает ее неотъемлемой частью технологического цикла изготовления изделий, в том числе и чугунных прокатных валков. В работах [2,3 и др.] показано, что наиболее полно реализуются возможности термической обработки чугуна при ее осуществлении по отношению к отливкам из легированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Бейнитная структура, формирующаяся при изотермической закалке ВЧШГ, обеспечивает повышение упругопластических свойств чугуна и его износостойкости [4]. Однако, обычно такой закалке подвергают детали с толщиной стенки не более 25 мм.
Объемная закалка с последующим отпуском обеспечивает наиболее высокие механические свойства чугуна. Для ВЧШГ в зависимости от конечной структуры, требуемого комплекса механических и служебных свойств может быть выбрана как полная, так и частичная аусте-низация [5].
Получение в структуре закаленного чугуна того или иного количества остаточного аусте-нита, который при определенных условиях позволяет реализовать эффект самозакалки открывает широкие возможности управления свойствами изделий [6].
В связи с этим по заказу и при технической поддержке ООО «Укрполимер» нами были проведены исследования, направленные на разработку альтернативной технологии изготовления прокатных валков из легированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
1 ПГТУ, канд.техн.наук, доцент
2 ПГТУ, ассистент
3 ООО «Укрполимер», инженер
Целью работы было исследование влияния режимов термической обработки отливок из Cr-Ni-Mo ВЧШГ, полученных в разовых песчано-глинистых формах, на их структуру, механические и служебные свойства.
Исследования проводили на калибрующих валках мелкосортного прокатного стана (валки имели следующие «чистовые» размеры: наружный диаметр 365 мм, внутренний - 140 мм, высоту - 205 мм). В соответствии с ТУ 27.1-00190319-1291-202 валки этого класса рекомендуется изготавливать из чугуна типа СШХНМД-55.
Металл выплавляли в индукционной печи ИСТ - 0,4 с кислой футеровкой. Химический состав опытных валков соответствовал составу чугуна марки СШХНМД-55 и содержал (мас.%): 3,3 - 3,8 С; 1,5 - 1,7 Si; 0,4 - 0,6 Мп; 0,1 - 0,3 Cr; 2,5 - 3,0 Ni; 0,3 - 0,5 Mo; 1,6 - 2,0 Си; содержание серы не превышало 0,02 %. Модифицирование для получения ШГ выполняли в ковше «сэндвич» - методом введением модификатора ФСМг-9 и плавикового шпата в количестве 2 и 0,5 % от массы обрабатываемого чугуна, соответственно. Детали отливали в сухие пес-чано-глинистые формы. Параллельно с валками были отлиты пробные заготовки. После выбивки и очистки литье подвергали искусственному старению при 520 - 550 °С. Механическую обработку изделий выполняли до получения «чистовых» размеров.
Следующей операцией была термическая обработка. Закалку в масле выполняли с температур нагрева 780 °С и 930 °С; температура отпуска была 250, 350, 450, 550 и 650 °С. Из пробных заготовок изготавливали образцы для изучения микроструктуры и твердости металла, а также исследования износостойкости. Металлографические образцы подготавливали стандартным методом, исследования проводили на микроскопе «Неофот - 21». Твердость измеряли на приборе Роквелла, отсчет по шкале С. Износостойкость определяли на машине МИ-IM при трении образцов из исследуемого материала о поверхность закаленного ролика из стали У8. Величину относительного износа, И (%), оценивали как отношение удаленной при изнашивании в течение 30 минут массы металла к ее начальному значению. Для сравнения исследовали структуру и свойства образцов, изготовленных из Cr-Ni-Mo высокопрочного чугуна стандартных валков поставляемых фирмой SKET. В литом состоянии структура этого металла состояла из ледебурита (ок. 40 %), перлита (ок. 60 %) и глобулярного графита. Твердость образцов была 42 ед. HRC, относительный износ за 30 минут составлял 0,8 %.
Микроструктура чугуна опытных литых заготовок (рис. 1) представляла собой смесь ледебурита и мелкодисперсного перлита в соотношении 50 % : 50 %. Включения глобулярного
^ , л , графита мелкие, расположенные равномерно. По строению ме-
Рис. 1-Микроструктура чугуна ' 1 „ r r f г
закаленного с 780 °С, хЮО
таллическои матрицы опытные отливки имели структуру половинчатого высокопрочного чугуна. Твердость металла - 53 ед. НЕ1С. Относительный износ, определенный на машине МИ-1М за 30 минут был 0,8 %.
После закалки с нагрева до 780 °С в структуре наблюдали смесь ледебурита (35 - 40 %), мартенсита и мелкие включения графита глобулярной формы.
Отпуск при 250 °С образцов закаленных с нагрева до 780 °С привел к появлению в структуре чугуна мартенсита отпуска. Соотношение структурных составляющих осталось прежним. Практически не изменилась и твердость чугуна -рис. 2 (кривые на рисунке: 1 - зависимости твердости, 2 - относительного износа металла от температуры отпуска).
60
и
50
40
30
20
10
и И к J
Ii к, я к
> JT 1' N
Я
и
1
И,' 0,8
0,4
0,2
0 250 350 450 550 Тотп., град.С
650
Рис.2 - Зависимость твердости (1) и относительного износа чугуна (2) от температуры отпуска
Рис.3 -Микроструктура чугуна закаленного с 780 °С, Тотп. 350 °С, хЮО
При повышении температуры отпуска до 350 °С, наблюдали увеличение твердости до 57 ед. HRC и уменьшение относительного износа (см. рис.2), что могло быть связано с разложением имевшегося в структуре небольшого количества остаточного аустенита (рис.3).
Дальнейшее повышение температуры отпуска до 450 °С привело к появлению в структуре троостита, и как следствие -к уменьшению твердости металла (до 48 ед-HRC) и увеличению относительного износа (см. рис.2).
Отпуск при температурах 550 и 650 °С имел своим результатом появление в структуре чугуна троосто-сорбитной смеси, что соответствовало снижению твердости металла до 35 ед. HRC.
Картину, отличную от описанной выше, наблюдали на образцах, закаленных с температуры 930 °С. После закалки в структуре чугуна присутствовали: игольчатый мартенсит (50 -55 %), остаточный аустенит (25 - 30 %) и небольшое количество не растворившихся карбидов (5-7 %) - рис.4. Твердость образцов в закаленном состоянии была 46 ед. HRC; относительный износ - 0,9 %.
Отпуск при 250 °С привел, как и в предыдущем эксперименте, к появлению в структуре мартенсита отпуска. При этом соотношение структурных составляющих осталось прежним. Незначительное снижение твердости практически не изменило величину относительного износа (рис.5) (обозначения кривых - те же, что и на рис.2).
Повышение температуры отпуска до 350 °С обеспечило дальнейший отпуск мартенсита, незначительное снижение твердости металла и повышение относительного износа (см. рис.5).
При температуре отпуска 450 °С отметили снижение количества остаточного аустенита. После названной термической обработки структура чугуна состояла из мартенсита отпуска (ок. 20%), остаточного аустенита (ок.20 %), троостита (ок. 50 %) и карбидов (ок. 10 %) - (рис.6). Наблюдавшееся резкое, почти в 5 раз, снижение относительного износа (см. рис.
Рис.4 - Микроструктура чугуна закаленного с 930 °С, хЮО
и
60
50
40
30
20
10
U А к
ы у i N
/ л / N
\ /
V
1
1,2
И,%
1
0,4
0,2
0
250 350
450 550 650 Тотп., град.С
Рис.5 - Зависимость твердости (1) и относительного износа чугуна (2) от температуры отпуска
5) на фоне повышения в 1,5 раза твердости не объясняется частичным разложением остаточного аустенита. При твердости ме-
талла равной 55 ед. HRC, как и после закалки с 780 °С с отпуском при 350 °С, износостойкость по сравнению с предыдущим экспериментом увеличилась более, чем в 3 раза. Наиболее вероятной причиной такого явления могло быть выделение во время отпуска при 450 °С из аустенита элементов стабилизирующих его в виде дисперсных карби дов. Как следствие этого метастабильный аустенит, претерпевая в зоне изнашивания мартен
Рис.6 - Микроструктура чугуна закаленного с 930 °С, Тотп. 450 °С,х100
ситное превращение, обеспечивал существенное повышение износостойкости. На возможность подобного явления указывает автор работы [6].
Отпуск при 550 и 650 °С не привел к полному разложению остаточного аустенита и уменьшил дисперсность перлита. Это привело к снижению твердости до 36 ед. HRC и повышению относительного износа чугуна (см. рис. 5).
Математическая обработка кривых графиков 2 и 5 позволила получить уравнения с достаточной точностью описывающие зависимость твердости и относительного износа закаленных образцов исследуемого чугуна от температуры отпуска. Для образцов закаленных с температуры нагрева 780 °С:
HRC = - 04833t5отп +8,625 f отп - 57,667 t3onn +176,37 t2omn - 240,85 tomn +167 И = 0,0163 fomn - 0,2175 t3omn +1,0088 t2omn - 1,7775 tomn+l,6. To же для образцов после закалки с 930 °С:
HRC = - 0,1875 t4omn + 1,6528 t3omn - 3,1042 t2omn - 2,8016 tomn + 50,5 ;
И = - 0,1767 t4omn + 2,1467 fomn - 8,8983 t2omn + 14,418 tomn - 6,59 .
Таким образом, оптимальным следует признать режим окончательной термической обработки прокатных валков из Cr-Ni-Mo высокопрочного чугуна, отлитых в песчано-глинистые формы, включающий закалку в масле с температуры нагрева 930 °С и отпуск при 450 °С. Твердость чугуна при этом составляет 55 ед. HRC, относительный износ - 0,22 %, что в 3,6 раз меньше, чем износ чугуна эталонных деталей.
Вместе с тем представляет значительный интерес изучение роли метастабильного аустенита в процессе упрочнения исследуемого материала и повышения его служебных свойств.
Вывод
Для повышения стойкости прокатных валков отлитых из Cr-Ni-Mo высокопрочного чугуна с шаровидным графитом рекомендуется закалка их с 930 °С в масле и отпуск при 450 °С.
Перечень ссылок
1. Гун Г. С. Обработка прокатных валков / Г. С. Гун, В.Е. Соколов, H.H. Огарков - М.: Металлургия, 1983,- 112 с.
2. БоброЮ.Г. Легированные чугуны /Ю.Г. Бобро- М.: Металлургия, 1976,- 286 с.
3. Герек А. Легированный чугун - конструкционный материал /А. Герек, Л.Байка: Пер. с пол.- М.: Металлургия, 1978. - 207 с.
4. Неижко И.Г. Термическая обработка чугуна / И.Г. Неижко. - К.:Наукова думка, 1992,— 208 с.
5. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Э.В. Захарченко, Ю.Н.Левченко, В.Г. Горенко, П.А. Вареник.-К.: Наукова думка, 1986,- 248 с.
6. Малинов Л.С. Получение в структуре сталей и чугунов метастабильного аустенита и реализация эффекта самозакалки при нагружении для использования внутренних резервов самих материалов - перспективное направление в ресурсосбережении / Л. С.Малинов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. / ПГАС и А. - Днепропетровск, 2003,- Вып.22. - С.88-93.
Статья поступила 27.01.2005
