Технология термической обработки

Валки горячей прокатки изготавливают из различных сталей литьем или ковкой. Для получения необходимой твердости и структуры литые валки подвергают сложной термической обработке. Термическая обработка поковок для валков горячей прокатки после ковки является, как правило, их окончательной термообработкой и состоит из нормализации и длительной выдержке при температуре высокого отпуска.

Необходимость нормализации вызвана тем, что в процессе ковки температура различных частей крупных поковок колеблется в широком интервале. Степень деформации различных слоев поковок неодинакова: отдельные участки подвергаются воздействию высоких температур без последующей пластической деформации, что приводит к сохранению крупного зерна. Целью нормализации является уменьшение остаточных напряжений, возникающих при ковке, измельчение зерна и, как следствие, повышение механических свойств поковок.

Структура металла литых валков из стали марок У12 и 150ХНМ должна состоять из тонкопластинчатого перлита и избыточных карбидов цементитного типа, из сталей 60ХГН и 80ХГН – из тонкопластинчатого перлита, а в структуре валков из сталей 50ХН и 60ХН допускается присутствие ферритной сетки по границам зерен. Режим термической обработки литых валков из стали 60ХН следующий: посадка в печь при температуре 250°С, выдержка 4 ч; нагрев до 650°С со скоростью 40°С/ч, выдержка 3–5ч; нагрев до 950°С со скоростью 60°С/ч, выдержка 18–22ч; охлаждение на воздухе до 550–600°С; нагрев до 850–870°С со скоростью 80°С/ч, выдержка 14–18ч; охлаждение на воздухе до 400–500°С; нагрев до 600°С со скоростью 80°С/ч, выдержка 12ч, охлаждение с печью до 200°С со скоростью 25°С/ч. длительность термической обработки 110ч.

Таким образом, для литых валков из стали 60ХН применяют двойную нормализацию с нагревом в первой ступени до 950°С, а во второй 850–870°С. При такой термической обработке все избыточные карбиды при нагреве в первой ступени переводятся в твердый раствор, устраняется дендритная неоднородность, образовавшаяся в результате первичной кристаллизации стали, а во второй ступени в результате получения мелкого исходного аустенитного зерна обеспечивает получение сорбитной или перлито-сорбитной структуры.

Поковки для стали горячей прокатки подвергают термической обработке в больших печах с выдвижным подом, в которых садка достигает 200–250т. Поковки на подине располагаются в несколько ярусов. Практика термической обработки показывает, что для нормального прогрева изделий больших сечений необходима выдержка 2,5–3ч на 100 мм диаметра. Только в этом случае будут обеспечены необходимые условия для перекристаллизации, что приведет к измельчению зерна по сечению поковки, наиболее полному устранению внутренних напряжений, оставшихся после ковки, и, как следствие, к улучшению механических свойств поковок после термической обработки.

Заводы заинтересованы в сокращении продолжительности существующих режимов, что позволило бы при хорошем качестве изделий увеличить производительность печей, уменьшить расход топлива и, как следствие понизить себестоимость продукции. Но такая возможность может реализовываться только при условии знания реальных скоростей нагрева и охлаждения различных участков сечения поковок в процессе термической обработки, а также кинетики распада переохлажденного аустенита, как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Нагрев под нормализацию должен обеспечить температуру выше критических точек по всему сечению поковок. С учетом этой необходимости выбирают режим нагрева садки: скорость нагрева, температуру и время выдержки при температуре нормализации.

Скорость охлаждения металла реальных поковок при нормализации для садок массой 200–250т в разных точках сечения составляет 25–60°С/ч. Путем наложения указанных скоростей охлаждения на термокинетические диаграммы и превращения переохлажденного аустенита для сталей 60ХН, 60ХГ и 55Х можно заключить, что при охлаждении поковок из этих сталей до температуры 650–600°С в них полностью завершится перлитное превращение.

Охлаждение поковок необходимо вести до тех пор, пока в центре их сечения не будет достигнута температура 600°С. Диаметр бочки поковки для валков горячей прокатки обычно в 2–2,5 раза больше диаметра шейки. Это накладывает определенные трудности на процесс охлаждения поковок, так как шейки охлаждаются быстрее бочек, и при значительном переохлаждении в них могут возникнуть флокены. Знание кинетики изменения температуры по сечению поковки в сочетании с термокинетической диаграммой позволило разработать и внедрить новый режим термической обработки поковок для производства валков горячей прокатки.

Для ускорения прогрева, полной перекристаллизации на глубине 1/3 R от поверхности и частичной перекристаллизации в центре поковки новый режим нормализации исключал изотермическую выдержку при температуре 750°С и предусматривал предварительный нагрев печи до 950°С с последующим снижением и выдержкой при температуре нормализации 860°С.

Цель кратковременного перегрева печи на 100°С против нормальной температуры нормализации в течение 2–3 часов заключалась в создании дополнительного теплового импульса, позволяющего поднять температуру глубинных слоев поковки и обеспечить полную или частичную перекристаллизацию металла по всему сечению.

В каждом конкретном случае в прокатных цехах устанавливают необходимый режим эксплуатации валков, исходя из условий их работы и твердости. Валки с повышенной твердостью следует устанавливать в чистовые и предчистовые клети. Наиболее твердые валки следует применять для прокатки круглых и квадратных профилей. Более мягкие валки могут работать на блюмингах, слябингах, и черновых клетях сортовых станов. Это объясняется тем, что валки с высокой твердостью более хрупки и их необходимо оградить от динамических воздействий, которые наблюдаются на блюмингах, слябингах, и черновых клетях сортовых станов. Валки средней твердости применяют для работы на рельсобалочных станах.

Наблюдается тенденция к увеличению легирования валковых сталей, широкого применения сталей класса быстрорежущих и полубыстрорежущих для валков сортовых и листовых станов и твердых сплавов для валков сортовых станов. При изготовлении двухслойных валков наиболее эффективным является вертикальное центробежное литье. К особенностям термообработки современных стальных валков станов горячей прокатки можно отнести повышение эффективности и качества индукционной закалки использование криогенной обработки для улучшения структуры рабочего слоя. Для биметаллических валков предпочтительной является термообработка по схеме нормализация + неполный отжиг, аустенитизация, закалка и отпуск. Расширяется применение лезвийной обработки закаленного слоя рабочей части валков современными высокопроизводительными материалами. Наиболее эффективной является комплексная дефектоскопия валков, включающая в себя ультразвуковой (выявление внутренних дефектов) и токовихревой (выявление поверхностных дефектов) методы контроля.