способ термической обработки прокатных валков

Формула изобретения

Способ термической обработки прокатных валков, включающий обработку поверхности изделия плазменной струей с заданными расходом плазмообразующего газа, плотностью мощности и скоростью перемещения плазменной струи над изделием, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют аргон с расходом 1,1-1,6 м ³/ч, с плотностью мощности (85-125)·10 ⁶ Вт/м² и скоростью перемещения струи 35-53 мм/с, а в качестве защитного газа используют азот с расходом 3,5-3,8 м³/ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической обработке, а именно к технологическим процессам поверхностного упрочнения железоуглеродистых сплавов высокоэнергетическими плазменными потоками, и может быть использовано при обработке прокатных валков.

Известен способ термической обработки прокатных валков преимущественно с отношением длины к диаметру 6-10, включающий непрерывно-последовательную закалку поверхности валка от центральной части к периферии высококонцентрированным источником энергии (SU №1731831, C21D 1/06, опубл. 07.05.92, бюл. №17).

Недостатком этого способа является ограничение его применения по типоразмеру валков и технологическому режиму обработки, который приводит к значительному оплавлению обрабатываемой поверхности.

Известен способ поверхностной закалки прокатных валков преимущественно из хромистой стали, включающий обработку сфокусированным лазерным лучом с заданной плотностью мощности при вращении и продольном перемещении валка с заданными скоростями. Обработку ведут при плотности мощности лазерного луча (1,7-6,0)·10 ⁶ кВт/м², скорости вращения валка (67-167) об/с и скорости продольного его перемещения (0,5-25)·10 ^-3 м/с в условиях принудительного охлаждения (SU №1352962, C21D 1/06, опубл. 07.05.92, бюл. №17).

Недостатком данного способа является технологическая невозможность достижения упрочненного слоя требуемой толщины с однородной аустенитно-мартенситной структурой без оплавления.

Наиболее близким к предлагаемому способу термической обработки является способ упрочнения деталей, включающий обработку поверхности изделия азотной плазменной струей с мощностью 10.5-12 кВт, расходом азота 15-17 л/мин и скоростью перемещения плазменной струи над изделием 0,5-1,1 мм/с. (SU №1766970, C21D 1/06, опубл. 07.10.92, бюл. №37).

Недостатком данного способа является низкая эксплуатационная стойкость прокатных валков, обработанных данным способом, по причине получения неравномерных качественных характеристик и свойств закаленного слоя.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной стойкости прокатных валков путем получения упрочненного поверхностного слоя прокатных валков с высокой твердостью, оптимальной структурой и толщиной.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, включающем обработку поверхности изделия плазменной струей с заданными расходом плазмообразующего газа, плотностью мощности и скоростью перемещения плазменной струи над изделием, согласно изобретению, в качестве плазмообразующего газа используют аргон с расходом 1,1-1,6 м³/ч, с плотностью мощности (85-125)·10⁶ Вт/м ², со скоростью перемещения 35-53 мм/с, а в качестве защитного газа используют азот с расходом 3,5-3,8 м³ /ч.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплутационной стойкости прокатных валков, получение упрочненного поверхностного слоя с высокой твердостью, оптимальной структурой и толщиной.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в качестве плазмообразующего газа используют аргон с расходом 1,1-1,6 м³ /ч, с плотностью мощности (85-125)·10⁶ Вт/м², со скоростью перемещения 35-53 мм/с, а в качестве защитного газа используют азот с расходом 3,5-3,8 м³/ч.

Использование аргона в качестве плазмообразующего газа обеспечивает повышенную температуру плазменной струи 13000-15000°С. Упрочнение прокатного валка с расходом аргона 1,1-1,6 м³/ч позволяет получить стабильную, максимально ионизированную плазменную дугу, что положительно влияет на производительность процесса.

Выбор диапазона плотности мощности плазменной струи (85-125)·10 ⁶ Вт/м² и скорости ее перемещения 35-53 мм/с позволяет получать упрочненный слой с минимальной зоной оплавления и достижением технологической толщины зоны термического влияния, ограниченной допустимым износом прокатных валков, что способствует снижению затрат на съем невыработанного закаленного металла при последующих ремонтах валков.

Использование азота в качестве защитного газа с расходом 3,5-3,8 м ³/ч при электродуговой плазменной обработке предотвращает окисление оплавленного пятна на обрабатываемой поверхности.

Выбор значений расхода аргона менее 1,1 м³ /ч не обеспечивает равномерного распределения плотности теплового потока по площади зоны обработки. Превышение расхода аргона более 1,6 м³/ч приводит к "подстуживанию" плазменной струи и повышению ее газодинамического давления на оплавленную зону обработки.

Выбор значений плотности мощности плазменной струи более 125·10⁶ Вт/м ² и скорости ее перемещения менее 35 мм/с приводит к повышенному оплавлению упрочняемой поверхности, которое сопровождается катастрофическим трещинообразованием. Увеличение тепловложения путем реализации указанных технологических параметров приводит к растворению графита в зоне термического влияния, вблизи зоны оплавления, формируя при этом светлую прослойку с пониженной микротвердостью 5300...6900 МПа, состоящую из мартенсита и остаточного аустенита.

Упрочнение прокатных валков плазменной аргоновой струей с плотностью мощности менее 85·10⁶ Вт/м² и скоростью перемещения более 53 мм/с не позволяет получать необходимую технологическую толщину упрочненного слоя, вследствие чего такие прокатные валки имеют незначительное повышение стойкости.

При выборе значений расхода азота менее 3,5 м ³/ч не обеспечивается эффективная защита оплавленной зоны обработки от окисления для заявленного диапазона скорости обработки. Расход азота более 3,8 м³/ч приводит к необоснованному расходу газа.

Реализация предлагаемого способа термоупрочнения прокатных валков осуществлялась следующим образом.

Пример (таблица, вариант 4). Прокатные (горизонтальные) валки универсальных клетей чистовой группы стана "450" из чугуна с шаровидным графитом марки СШХНФ после прокатки балочного профиля перетачивались с удалением дефектов отработанной поверхности под планируемый номер балки.

После ремонта валок устанавливали в манипулятор установки плазменной закалки УПН-303, оборудованной плазмотроном прямого действия типа СМ и выпрямителем БС-315. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон. Для защиты от окисления оплавляемого пятна от воздействия плазменной струи применяли азот. Включением манипулятора задавали вращательное движение валка, что обеспечивало перемещение плазменной струи с шагом смещения 0,5 диаметра сопла относительно обрабатываемой поверхности валка. На установке проводили упрочнение рабочей торцевой поверхности бочки прокатного валка, подвергающейся при прокатке балочных профилей максимальным термическим и механическим нагрузкам по следующим режимам:

Рабочий ток, А	110
Напряжение на дуге, В	32
Скорость обработки, мм/с	45
Расход аргона, м 3/ч	1,3
Расход азота, м3/ч	3,6
Диаметр сопла, мм	6,0

В таблице приведены данные по стойкости горизонтальных прокатных валков, упрочненных в диапазоне оптимальных значений скорости обработки и плотности мощности плазменного потока. Выбранный оптимальный диапазон параметров режима плазменного поверхностного упрочнения прокатного валка позволил получить необходимую технологическую глубину упрочненного слоя со структурой мартенсита и остаточного аустенита и микротвердостью 7400...8600 МПа, плавно переходящей к значениям микротвердости перлита основы 3500...3900 МПа. Это благоприятно сказывается на эксплуатационных свойствах прокатных валков, упрочненная поверхность которых после отработки характеризуется отсутствием трещин, выкрошиваний и пониженной окисляемостью.

Использование предлагаемого способа позволяет путем плазменного упрочнения прокатных валков повысить их стойкость в 1,3-2 раза по сравнению с нормативной стойкостью, получить упрочненный поверхностный слой с высокой твердостью, оптимальной структурой и толщиной.