валок для горячей и холодной прокатки

Формула изобретения

1. Валок для горячей и холодной прокатки, содержащий бочку, имеющую одну или несколько карбидных вставок, отлитых в тело валка из литейных сплавов преимущественно графитизированного чугуна с 15 20 мас. остаточного аустенита, превращающегося при последующей термообработке с увеличением объема полностью или частично в бейнит, что содействует уменьшению дифференциала усадки между чугуном и карбидными вставками при охлаждении с температуры литья, отличающийся тем, что валок имеет шейку, соединенную с бочкой, и отлит целиком под чистовую механическую обработку.

2. Валок по п.1, отличающийся тем, что карбидные вставки (или вставки) отлиты из одного литейного сплава, а бочка и шейка валка из другого литейного сплава центробежным литьем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к процессам центробежного литья карбидных вставок (одной или нескольких) для изделий из литейных сплавов на основе железа, в основном из чугуна. Конечным изделием является составной монолитный валок, в структуре которого между карбидной вставкой и чугуном имеется переходная зона.

Составные валки для горячей и холодной прокатки имеют одну или несколько вставок из карбидосодержащих материалов, которые крепятся на приводном валу при помощи различных приспособлений и запорных устройств. Первый способ передачи усилия от вала к составному валку с карбидными вставками предусматривает использование шпоночных канавок или направляющих ручьев и приливов, связанных с карбидной вставкой.

Недостатки карбидных вставок повышенная хрупкость, невысокий предел прочности и высокая чувствительность к надрезам, что может отрицательно сказаться при изготовлении из этого материала внутренних ребер в устройствах крутящей передачи. Стандартные методы соединений узлов разработаны недостаточно.

Второй способ передачи крутящего момента может осуществляться за счет сил трения на поверхности расточенного отверстия карбидной вставки. Наличие на этой поверхности радиальной составляющей силы трения приводит к увеличению тангенциальной составляющей растягивающих напряжений в карбидной вставке. Максимального значения этот параметр достигает у внутреннего диаметра. Такого рода растягивающие напряжения суммируются с растягивающими напряжениями, возникающими в процессе эксплуатации валка.

Составной валок для горячей или холодной прокаток должен иметь на поверхности карбидной вставки защитное покрытие на основе одного из сплавов железа. Для обеспечения возможности передачи крутящего момента в теле валка укрепляются необходимые для этого приспособления. Однако задача не так проста. Под влиянием термических напряжений в процессе охлаждения покрытие остывает быстрее, чем сама карбидная вставка, в результате чего на ее поверхности возникают силы, направленные к центру валка. Это обстоятельство приводит к увеличению осевых растягивающих напряжений на наружной поверхности карбидной вставки. Упомянутые напряжения перпендикулярны микротрещинам, возникающим при прокатке на поверхности валков. Под воздействием растягивающих напряжений микротрещины углубляются, что может привести даже к преждевременному разрушению валков.

Известен способ разрешения этой проблемы, согласно которому одну или несколько карбидных вставок отливают в кокиль, где графит в значительной степени графитизируется; по окончании процесса отливки в структуре чугуна содержится 15-20 мас. аустенита. После однократной или многократной термообработки аустенит частично или полностью превращается в бейнит. Процесс распада аустенита сопровождается увеличением объема, что способствует существенному уменьшению или ограничению разницы в объемной усадке чугуна и карбидной вставки, возникающей в процессе охлаждения отливки. Способ позволяет наладить производство составных прокатных валков, которые в окончательном виде монтируются на передающем валу при помощи соединительных муфт и устройств блокировки. Даже если все необходимые приспособления для обеспечения крутящей передачи будут изготовлены из чугуна, все равно имеют место размерные ограничения, а следовательно, и ограничения на величину передаваемого валками крутящего момента. Рабочий слой валка (барабана), подвергающийся износу, также имеет ограничения по размеру. Согласно известным принципам сборки составных валков последние приводятся в движение при помощи муфт сцепления разной конструкции, осуществляющих передачу крутящего момента. На барабане практически невозможно разместить карбидные вкладыши, поскольку муфты сцепления и устройства блокировки требуют места для их размещения. В силу указанного обстоятельства площадь поверхности валка становится весьма ограниченной.

Технология литья центробежным способом хорошо известна, она широко применяется для изготовления деталей, представляющих собой тела вращения. Эта технология основана на использовании центробежных сил, создаваемых вращающейся литейной формой и направленной на транспортировку металла к стенкам литейной формы, где и происходит кристаллизация расплава под воздействием давления и формируется отливка заданной конфигурации. Данная технология широко используется для изготовления труб, вкладышей, подшипников, втулок и т. д. Применяется она также и для изготовления прокатных валков.

Согласно изобретению составной валок предлагается изготавливать только с помощью центробежного литья при наличии промежуточной зоны между карбидными вкладышами и чугунной сердцевиной валка. В зависимости от конкретных условий прокатки и предъявляемых требований барабан может иметь один или несколько карбидных вкладышей. С помощью данного изобретения можно получить возможность выбора конструктивного выполнения валков.

На фиг. 1 показан прокатный валок 1 из вязкого железа, в который залит один карбидный вкладыш 2; на фиг. 2 валок 1 из вязкого железа, в котором имеются четыре карбидных вставки, полученных способом литья; на фиг. 3 валок с четырьмя карбидными вкладышами 2, залитыми в ковкий чугун 1, а сердцевина и шейка валка выполнены из другого материала 3.

Литейная форма из формовочной смеси для отливки одного или нескольких карбидных вкладышей должна иметь такую конструкцию, чтобы исключить попадание расплавленного чугуна на наружную поверхность вкладышей. Данное изобретение позволяет этого достигнуть.

Наружная поверхность карбидных вкладышей образует тело составного прокатного валка. В соответствии с имеющимся практическим опытом использования технологии получения литых вставок для прокатных валков, известно, что малые количества расплавленного чугуна, попавшие на поверхность прокатных валков, заметно снижают качество карбидных вставок. Поврежденная поверхность вставок удаляется при помощи механической обработки наружных поверхностей на глубину один или нескольких миллиметров. Для обеспечения условий для успешного производства составных валков следует исключить попадание расплава на поверхность вкладышей.

Для обеспечения оптимального качества структуры переходной зоны между карбидной вставкой и чугуном необходимо обеспечить высокую темпеpатуpу перегрева чугуна в ковше, ввести строгий контроль за наполняемостью литейной формы и заданной скоростью вращения формы. Эти мероприятия необходимы для обеспечения равновесия между нагревом и расплавлением поверхностной части карбидной вставки, не погруженной в формовочную смесь, т. е. именно той части вкладыша, которая должна быть диффузионно связана с чугуном.

Рассматриваемый прокатный валок после термообработки по заданному режиму и механической обработки до чистовых размеров представляет собой либо весь прокатной валок в целом, либо только вставку к нему.

Карбидные вставки заливают в чугун, имеющий значительную долю графитизированной структуры, а его состав соответствует углеродному эквиваленту. Химический состав чугуна подобран с учетом возможности формирования оптимальной переходной зоны между чугуном и карбидными вставками, обеспечения необходимой прочности материала. Все перечисленные свойства необходимы для обеспечения оптимальных условий передачи крутящего момента и гарантии обрабатываемости материала. За счет легирования железо-кремний-магний и или никель-магний чугун содержит 0,02-0,10 мас. магния (оптимальной является концентрация магния 0,04 0,07 мас.). За счет введения феррокремния чугун содержит 1,9-2,8 мас. кремния (оптимальный диапазон-2,1-2,5 мас.). Легирование кремнием ковкого чугуна позволяет получить дисперсную сферическую форму выделений графита. В термообработанном состоянии твердость такого чугуна составляет 250-300 ед. по Бринеллю. В дальнейшем чугуне следует легировать элементами, являющимися аустенитными стабилизаторами, в основном никелем в количестве 3,0-10,0 мас. (оптимальная концентрация 4-8 мас.); при наличии стабилизаторов в чугунных отливках содержится 5-30% остаточного аустенита (оптимальное содержание 10-25 или даже 15-20 мас.). За счет однократной или многократной ступенчатой термообработки объемное содержание остаточного аустенита может несколько увеличиться и перейти в другое структурное состояние, например в бейнит. Увеличение объема отливки может быть отрегулировано. Дифференциальная усадка, имеющая место в составном валке при охлаждении с температуры литья, может быть полностью или частично устранена. Для случая карбидных вставок и чугунных отливок, применяемых для изготовления прокатных валков, технология термообработки несколько модифицирована. Процесс термообработки включает нагрев и выдержку при температуре 800-1000^оС, охлаждение и выдержку при температуре 400-500^оС с последующим охлаждением до комнатной температуры.

При альтернативном способе получения составных валков используют карбидные вставки (или вставку) и чугунный кокиль, тогда как сердцевину валка и шипы отливают из другого литейного сплава с помощью технологии центробежного литья или обычным методом.

П р и м е р. Металлокерамические вставки из смеси карбидов, мас. вольфрам 70; кобальт 13; никель 15; хром 2, отливали в земляную литейную форму на вертикальной машине центробежного литья. Карбидные вставки имели следующие размеры: наружный диаметр 340 мм, внутренний диаметр 260 мм, ширина 50 мм.

По окончании процесса литья поверхность отверстия карбидной вставки и ее боковые поверхности оставались свободными, что позволило создать условия для образования между чугуном и карбидами переходной зоны с гетерогенной микроструктурой. Затем литейную форму устанавливали на машину центробежного литья, скорость вращения которой составляла 475 об/мин. Расплавленный чугун, содержащий, мас. углерод 3,7; кремний 2,3; марганец 0,3; никель 5,4; молибден 0,2; магний 0,05; железо остальное, при температуре 1500^оС разливали во вращающуюся литейную форму. Разливку продолжали до полного заполнения изложницы, время разливки составляло около одной минуты. По окончании разливки литейную форму останавливали и происходило охлаждение изложницы до комнатной температуры. После охлаждения составной валок зачищали и производили ультразвуковой контроль качества отливок. Промежуточная зона отливки обеспечивала достаточно высокое качество диффузионного сцепления разнородных материалов.

Валок после литья подвергали термообработке, цель которой состояла в превращении остаточного аустенита в бейнит. Для этого детали нагревали до температуры 900^оС, выдерживали при этой температуре 6 ч, а затем охлаждали до температуры 450^оС, выдерживали при этой температуре 4 ч, после чего деталь охлаждали до комнатной температуры.

Валки имели следующие размеры: барабан: D310 мм (при наличии карбидных вкладышей D 340 мм)х500 мм; шип вала: D 220х300 мм + 220х520 мм.