Способ изготовления высокопрочного бандажированного прокатного валка

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БАНДАЖИРОВАННОГО ПРОКАТНОГО ВАЛКА Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности к производству путем термообработки бандажированных (составных) валков холодной и горячей прокатки. Задача одновременное уменьшение возможности хрупкого разрушения бандажа валка и уменьшение вероятности его осевого сползания с оси, что в совокупности обеспечит существенное увеличение ресурса эксплуатации такого валка. Для повышения величины натяга между осью и бандажом с одновременным обеспечением допустимого с точки зрения хрупкой прочности уровня остаточных напряжений в бандаже проводят многократные индукционные нагревы поверхностного слоя бандажа до температуры, превышающей точку Ac1 и соответствующей температуре закалки стали, с последующим спреерным охлаждением поверхности. Бандаж в форме трубы постоянного сечения изготавливают из особо высокопрочной Ni-Co-Mo стали мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, обладающей высокими значениями прочностных и пластических характеристик, например из стали типа 25 Н 12 М 6 К 10 или 30 Н 12 М 6 К 10 Б. Характерной особенностью этой стали является весьма низкая температура начала аустенитного превращения (Ac1=570C). После последней закалки проводят старение (отпуск), в процессе которого происходит наноструктурирование, связанное с выделением высокодисперсных частиц нанометрического диапазона (от 5 до 10 нм), а именно карбидной (Mo2C) и интерметаллидной(Fe2Mo) фаз, что приводит к реализации оптимального сочетания свойств: с одной стороны,высокого предела прочности B=2400 МПа, а с другой - высоких значений вязкости разрушения и трещиностойкости KIc=120 МПам 1/2. Покровский Алексей Михайлович,Лешковцев Виталий Германович,Плохих Андрей Иванович, Бочектуева Елена Баторовна (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА" (RU) 016354 Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности к производству путем термообработки бандажированных (составных) валков холодной и горячей прокатки. Известны способы изготовления составных прокатных валков путем горячей посадки бандажа на ось. Передача крутящего момента при этом может осуществляться как за счет сил трения между поверхностями бандажа и оси, так и за счет дополнительных устройств и приспособлений, способствующих увеличению этих сил. Наиболее простым в изготовлении является валок, состоящий из высокопрочного бандажа и оси простой формы. В этом случае крутящий момент обеспечивается силами трения, возникающими за счет теплового натяга при посадке бандажа на ось. Эксплуатационные характеристики такого составного валка зависят от многих факторов, но в первую очередь, как показывает практика, от величины остаточных напряжений, удерживающих бандаж от проскальзывания и осевого сползания. Однако повышение напряжений, связанное с уменьшением величины теплового зазора (величина которого обычно находится в пределах 0,0003-0,0013 от номинального диаметра посадочной поверхности) при посадке бандажа, способно спровоцировать преждевременное хрупкое разрушение составного валка. Известным конструктивным приемом, позволяющим существенно и положительно влиять на характер распределения напряжений от натяга, является создание конусных скосов на посадочной поверхности оси вблизи от е торцов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и взятым в качестве прототипа является способ изготовления бандажированного прокатного валка [1], при котором увеличение пластичности бандажа и плотности сопряжения его с осью при одновременном сохранении высоких прочностных свойств достигают тем, что перед поверхностной закалкой бандажа с индукционного нагрева, собранного с осью в холодном состоянии с зазором, его подвергают многократному индукционному нагреву до температуры 500-700C (т.е. выше температуры рекристаллизации стали бандажа, но ниже температуры ее точки Ac1) и последующему спреерному охлаждению до 60-120C. С каждым циклом нагрева и охлаждения почти с неизменной интенсивностью происходит постепенная усадка бандажа по внутреннему диаметру с одновременным прогревом (в результате теплопередачи металла) глубинных слоев, контактирующих с посадочной поверхностью оси. Возникающий при этом термический наклеп не снижает пластических свойств металла по сечению бандажа. Пластическое деформирование внутренних слоев под действием температурных напряжений, возникающих в процессе нагрева и охлаждения бандажа, обеспечивает взаимное внедрение неровностей (шероховатостей) посадочных поверхностей бандажа и оси и плотное прилегание сопрягаемых поверхностей. Окончательная индукционная закалка,производимая сразу же после последнего термоцикла, обеспечивает необходимую твердость рабочей поверхности бандажа и еще более уплотняет соединение. При окончательном остывании бандажа под влиянием остаточных напряжений сжатия создается дополнительный натяг. Недостатком указанного способа является то, что действующих температурных напряжений, возникающих в процессе предварительных циклических нагревов и охлаждений бандажа в интервале температур, не превышающих температуру Ac1, оказывается достаточно только для пластического деформирования неровностей и шероховатостей посадочных поверхностей, но недостаточно для деформирования глубинных слоев бандажа, контактирующих с посадочной поверхностью, уменьшающих вероятность его осевого сползания с оси. Задачей предлагаемого изобретения является одновременное уменьшение возможности хрупкого разрушения бандажа валка и уменьшение вероятности его осевого сползания с оси, что в совокупности обеспечит существенное увеличение ресурса эксплуатации такого валка. Указанную задачу решают тем, что для повышения величины натяга между осью и бандажом с одновременным обеспечением допустимого с точки зрения хрупкой прочности уровня остаточных напряжений в бандаже проводят многократные индукционные нагревы поверхностного слоя бандажа до температуры, превышающей точку Ac1 и соответствующей температуре закалки стали, с последующим спреерным охлаждением поверхности. Бандаж в форме трубы постоянного сечения изготавливают из особо высокопрочной Ni-Co-Mo стали мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, обладающей высокими значениями прочностных и пластических характеристик, например из стали типа 25H12M6 К 10 или 30H12M6 К 10 Б [2-4]. Характерной особенностью этой стали является весьма низкая температура начала аустенитного превращения (Ac1=570C). Таким образом, в отличие от прототипного способа предлагается принципиально другой, более широкий температурный интервал индукционных нагревов, обеспечивающий горячее пластическое деформирование внутренних слоев бандажа, не прогретых до закалочных температур, но уже перешедших в высокопластичное аустенитное состояние. Определяющим для предлагаемого способа является то, что дополнительно к термическим напряжениям, возникающим при циклических охлаждениях бандажа, добавляются структурные напряжения, возникающие из-за протекания мартенситного превращения в поверхностном слое стали бандажа в процессе многократных закалок. Результатом многократного повторения указанной операции термоциклирования является высоконадежная посадка бандажа на ось. Пластичное состояние внутренних слоев бандажа обеспечивается как особой отожженной структурой, так и разогревом за счет тепла, идущего от поверхности бандажа.-1 016354 После последней закалки проводят старение (отпуск), в процессе которого происходит наноструктурирование, связанное с выделением высокодисперсных частиц нанометрического диапазона (от 5 до 10 нм), а именно карбидной (Mo2C) и интерметаллидной (Fe2Mo) фаз, что приводит к реализации оптимального сочетания свойств стали: с одной стороны, высокого предела прочности B=2400 МПа, а с другой стороны - высоких значений вязкости и трещиностойкости (KIc=120 МПам 1/2). Наружный размер бандажа должен иметь гарантированный припуск на проведение чистового точения после завершения посадки бандажа на ось. Размеры сопрягающихся поверхностей оси и бандажа должны обеспечить величину окончательного натяга в интервале 0,0015-0,006 от диаметра оси. Собранный валок располагают в индукционной закалочной машине и за счет непрерывного перемещения кольцевого индуктора вдоль оси валка равномерно разогревают его поверхность до закалочной температуры. При достижении закалочной температуры индуктор выключают и спреером охлаждают бандаж до комнатной температуры. Количество термоциклов, необходимых для плотной посадки бандажа на ось, должно быть не менее 5. После завершения термоциклирования следует окончательный закалочный нагрев с последующим старением. Пример реализации способа. Бандаж в форме трубы постоянного сечения с наружным диаметром 180 мм, внутренним 130 мм и длиной 500 мм был изготовлен из особо высокопрочной стали мартенситного класса с карбидноинтерметаллидным упрочнением типа 25H12M6 К 10. Валок устанавливали вертикально в центрах индукционной закалочной машины и подвергали поверхностному нагреву и спреерному охлаждению водой. Изменение посадочного диаметра бандажа определялось экспериментально после полного остывания бандажа без посадки на ось с помощью электронного микрометра с точностью измерения 1 мкм на данной базе. После 5 циклов нагрева до закалочной температуры 1100C и охлаждения до комнатной температуры порядка 25C, зазор между бандажом и осью исчезал, что гарантировало величину окончательного натяга в интервале 0,0015-0,006 от диаметра оси. Окончательная закалка и последующее старение при 500C обеспечили уровень прочности в поверхностном слое бандажа B=2400 МПа, высокие значения пластических и вязких характеристик(=4,5%, =30%, KCU=300 кДж/м 2), в том числе трещиностойкости KIc=120 МПам 1/2, что обеспечит существенное увеличение ресурса эксплуатации валка, полученного таким способом. Использованные источники информации 1. А.с. СССР 768835, МПК С 21D 9/38, заявл. 28.12.1978. 2. Дисперсионное твердение высокопрочных Ni-Co-Mo-сталей./А.Г. Рахштадт, А.В. Канн,О.М. Ховова и др.//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1985. -5. - С. 33-37. 3. Влияние условий аустенитизации на структурные превращения в фазонаклепанном аустените и свойства высокопрочной стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением./А.Г. Рахштадт,О.М. Ховова, А.И. Плохих//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. -5. - С. 15-21. 4. Исследование возможности создания композитных валков с наплавкой из стали 30H12M6 К 10 Б с карбидно-интерметаллидным упрочнением./В.Г. Лешковцев, A.M. Покровский, О.М. Ховова,А.И. Плохих//Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. -3. - С. 38-42. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления высокопрочного бандажированного прокатного валка, заключающийся в том, что бандаж надевают на ось с предварительным тепловым натягом и проводят термоциклирование валка в виде многократных индукционных нагревов поверхностного слоя бандажа с его последующим спреерным охлаждением, отличающийся тем, что в качестве материала бандажа используют особо высокопрочную Ni-Co-Mo сталь мартенситного класса с карбидно-интерметаллидным упрочнением, для которой проводят указанные многократные индукционные нагревы до температуры, превышающей температуру аустенитного превращения Ac1 указанной стали и соответствующей ее закалочной температуре,что обеспечивает горячее пластическое деформирование внутренних слоев бандажа, не прогретых до закалочных температур, но уже перешедших в высокопластичное аустенитное состояние, за счет сложения термических напряжений, возникающих при циклических охлаждениях, и дополнительных структурных напряжений, возникающих из-за протекания мартенситного превращения в поверхностном слое стали бандажа в процессе многократных закалок; после последней закалки проводят старение, в процессе которого происходит наноструктурирование, связанное с выделением высокодисперсных частиц нанометрического диапазона (от 5 до 10 нм), а именно карбидной (Mo2C) и интерметаллидной (Fe2Mo) фаз,что приводит к реализации оптимального сочетания механических свойств стали: с одной стороны, высокого предела прочности B=2400 МПа, а с другой стороны - высоких значений вязкости разрушения и трещиностойкости (KIc=120 МПам 1/2). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала бандажа используют сталь типа 25 Н 12 М 6 К 10 или 30 Н 12 М 6 К 10 Б. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что термоциклирование проводят не менее 5 раз путем нагрева поверхностного слоя бандажа до закалочной температуры 1100C при температуре аустенитного превращения указанной стали бандажа Ac1=570C и охлаждения до комнатной температуры, после последнего термоцикла проводят старение при температуре 500C.