Способ получения микрорельефного электрохимического хромового покрытия прокатного валка Российский патент 2023 года по МПК C25D3/04 C25D5/00 C25D7/00 B21B28/02 

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано на станах кварто при холодной прокатке и дрессировке стальных полос.

Известен способ эксплуатации рабочего валка листопрокатной клети, включающий шлифование его бочки и последующее хромирование, причем перед нанесением хромового покрытия высоту микронеровностей поверхности бочки уменьшают на 5-20%. Хромированный валок при работе в клети имеет сглаженные пики шероховатости поверхности [Заявка Японии №61-202707, МПК В21 В 27/00, С23С 30/00, 1986].

Недостатки данного способа состоят в том, что хромовое покрытие валка обладает низкой износостойкостью. Помимо этого, прокатанная полоса приобретает низкую шероховатость поверхности, что приводит к свариванию витков рулонов в процессе отжига.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ, включающий шлифование бочки рабочего валка, насечку, электролитическое хромирование и работу валка в клети. Валок шлифуют до достижения шероховатости поверхности 0,3-0,8 мкм Ra, после чего насекают до шероховатости поверхности 2,0-4,0 мкм Ra, а электролитическое хромирование ведут в растворе хромовой кислоты при температуре электролита 55-65°С и плотности тока 22-65 А/дм². Кроме того, электролитическое хромирование осуществляют за три этапа: вначале при плотности тока 22-30 А/дм² в течение 18-22 мин, затем при плотности тока 55-65 А/дм² в течение 1-2 мин и завершают при плотности тока 44-50 А/дм² и времени выдержки 90-110 мин [патент RU 2351420, МПК B21B 28/02, 2009].

Недостатком данного способа является быстрое сглаживание насечек валка во время прокатки, что приводит к снижению коэффициента отпечатываемости и не возможности получения требуемой шероховатости полосы в течение необходимой кампании валков.

Общим недостатком вышеуказанных изобретений является то, что рельеф получаемого хромового покрытия имеет «пикообразную» форму, что в последствии, при эксплуатации валка, приводит к быстрому стачиванию пика и как следствие, к снижению отпечатываемости рельефа на стальной полосе.

Технический результат заявленного изобретения - разработка экономически эффективного способа получения повышенной износостойкости прокатных валков за счет создания глобулярного микрорельефа на их поверхности без использования операции электоразрядного текстурирования.

Под глобулярным микрорельефом хромового покрытия понимают покрытие образуемое в ходе процесса электрохимического осаждения хрома на рабочей поверхности валка в форме множества глобулей (полусфер) плотно расположенных друг к другу.

Технический результат достигается тем, что в способе получения рельефного электрохимического хромового покрытия прокатного валка, включающем шлифование бочки валка, электролитическое хромирование валка, согласно изобретения, в начале осуществляют прогрев верхнего слоя валка до температуры, составляющей не менее 0,5 температуры электролита, затем на первой стадии осуществляют подачу обратного тока при его плотности 10 - 45 А/дм² в течение 1 - 25 мин, после этого, на второй стадии, осуществляют подачу прямого тока при его плотности 35 - 80 А/дм² в течение 60 - 210 мин, на третьей стадии производят подачу прямого тока при его плотности 60 - 200 А/дм² в течение 45 - 200 мин и подачу обратного тока при его плотности 15 - 50 А/дм² в течение 3 - 10 мин, при этом осуществляют цикличное повторение третьей стадии 3 - 10 раз, а далее, на четвертой стадии, производят подачу прямого тока при его плотности 40 - 100 А/дм² в течение 30 - 70 мин.

Входящая шероховатость поверхности валка перед хромированием находится в диапазоне от 0,05 до 1,0 мкм.

Температура электролита в проточной ванне составляет 30 - 85°С.

Прогрев верхнего слоя валка осуществляют путем погружения части валка в электролит и его вращения в течение не менее 45 мин.

Во время электролитического хромирования скорость вращения валка составляет 1 - 7 об/мин.

Сущность изобретения.

Шероховатость поверхности валка используемого для нанесения хромового микрорельефа должна быть в диапазоне от 0,05 мкм до 1,0 мкм. При входящей шероховатости поверхности валка менее 0,05 мкм не будет обеспечен прочный контакт хрома с валком. При входящей шероховатости валка более 1,0 мкм не получится равномерное (без полосчатости) покрытие из рельефного хрома.

При прогреве верхнего слоя валка глубиной до 5 см до температуры менее 0,5 температуры электролита не произойдет выравнивания температуры прикатодного слоя, в связи с чем, покрытие валка не будет обладать требуемой износостойкостью.

На первой стадии осуществляют подачу обратного тока при его плотности 10 - 45 А/дм² в течение 1 - 25 мин.

Обратной ток требуется для очистки поверхности от неметаллических включений и оксидной пленки. При длительности подачи тока менее 1 мин и плотности тока менее 10 А/дм² адгезия хромового покрытия к катоду (валку) будет недостаточной. При длительности подачи тока более 25 мин и его плотности более 45 А/дм² произойдет неравномерное увеличение исходного микрорельефа (шероховатости) поверхности валка, что приведет к получению покрытия с большим разбросом значений шероховатости.

На второй стадии осуществляют подачу прямого тока при его плотности 35 - 85 А/дм² в течение 60 - 210 мин.

Прямой ток плотностью 35-85 А/дм² требуется для создания подложки для последующего нанесения микрорельефного слоя и увеличения адгезии между слоями хромовых покрытий.

При длительности второй стадии процесса менее 60 мин и плотности тока менее 35 А/дм² на поверхности валка не происходит осаждение хрома. При превышении длительности процесса более 210 минут и плотности тока более 80 А/дм² на поверхности валка образуются металлические наросты (дендриты), которые в последующем процессе эксплуатации рабочего валка в стане образуют дефекты (отпечатки) на полосе.

На третьей стадии производят подачу прямого тока при его плотности 60 - 200 А/дм² в течение 45 - 200 мин и подачу обратного тока при его плотности 15 - 50 А/дм² в течение 3 - 10 мин, при этом осуществляют цикличное повторение третьей стадии 3 - 10 раз.

Прямой ток плотностью 60 - 200 А/дм² требуется для образования хромового микрорельефа поверхности. При длительности указанной стадии процесса менее 45 мин. и плотности тока менее 60 А/дм² будет осаждаться «обычное» хромовое покрытие без повышения его шероховатости покрытия. При превышении длительности процесса более 200 мин и при плотности тока более 200 А/дм² на поверхности валка будут образовываться металлические наросты (дендриты), а осаждаемый хром будет выделяться в виде губчатого осадка на поверхности валка с минимальной адгезией по отношению к осаждаемой поверхности. Плотность обратного тока 15 - 50 А/дм² требуется для сглаживания наиболее высоких пиков до средней высоты глобулей всего микрорельефного/глобулярного покрытия. При плотности менее 15 А/дм² и времени менее 3 минут, высота наиболее высоких глобулей будет недостаточно снижаться. При плотности тока выше 50 А/дм² и времени более 10 мин будет происходит повышенное снижение высоты всех глобулей или расхромирование.

Повторение данного цикла в количестве менее 3 раз приводит к получению отдельных слишком высоких глобулей. При повторении цикла более 10 раз, происходит отслоение хромового покрытия.

На четвертой стадии осуществляют подачу прямого тока при его плотности 40 - 100 А/дм² в течение 30 - 70 мин.

Прямой ток плотностью 40 - 100 А/дм² требуется для создания защитного слоя поверх глобулярного микрорельефа поверхности. При длительности данной стадии процесса менее 30 минут и плотности тока менее 40 А/дм² выделяется недостаточное количество хрома на поверхности валка, снижается микротвердость покрытия, что приводит к ускоренному снижению шероховатости покрытия валка во время прокатки. При превышении длительности процесса более 70 минут и при плотности тока более 100 А/дм² на поверхности валка будут образовываться металлические наросты (дендриты), которые в последующем процессе эксплуатации рабочего валка в стане образуют дефекты (отпечатки) на полосе.

Оптимальный диапазон рабочих температур электролита в проточной ванне составляет от 30 до 85 °С. При снижении температуры электролита менее 30 °С происходит растрескивание наносимого покрытия, адгезия хромового покрытия к валку минимальна, покрытие от поверхности валка отшелушивается. При превышении температуры более 85 °С образуется большое количества дендритов на поверхности валка, которые в последующем процессе эксплуатации рабочего валка в стане образуют дефекты (отпечатки) на стальной полосе.

При вращении прокатного валка менее 45 минут его поверхность не прогреется до требуемой температуры (0,5 от температуры электролита), что приводит к получению хрупких хромовых осадков на его поверхности.

Скорость вращения валка 1 - 7 об/мин требуется для равномерного образования центров металлических кристаллов (зародышей). При уменьшении скорости вращения менее 1 об/мин в электролите будет происходить интенсивное образование кристаллов, которые образуют гладкое равномерное покрытие. При увеличении скорости вращения валка более 7 об/мин образование центров кристаллов будет происходить хаотично, при этом они будут расположены далеко друг от друга, что не позволит добиться глобулярного покрытия с достаточным количеством пиков RPc.

Эксперименты проводились в прокатном производстве ПАО «Северсталь».

Пример 1.

Отшлифованный валок дрессировочного стана №2 (диаметр бочки D=500 мм, длина бочки L=1700 мм, шероховатость 0,8 мкм) закрепили в установке для хромирования. Нижнюю часть бочки погрузили в ванну с электролитом: раствор хромовой (H₂CrO₄) и серной кислоты (H₂SO₄) в соотношении их концентраций 100:1.

Глубина погружения бочки дрессировочного валка составила 15 мм, что соответствует площади обрабатываемой поверхности бочки валка 40 - 42 дм². Рабочий валок соединили с отрицательным источником постоянного тока, а нерастворимый свинцовый анод - с положительным. Валок привели во вращение (3 об/мин), в процессе которого происходил его прогрев от электролита.

Температуру электролита поддерживали на уровне 45 - 47°С. Продолжительность прогрева валка составляла 50 мин.

После окончания прогрева валка через раствор электролита от анода к бочке валка пропускали постоянный обратный электрический ток (отрицательный) с плотностью 41 А/дм². По истечении времени 15 минут плотность прямого тока (положительный) установили 65 А/дм². При указанной плотности тока электролиз продолжали в течение 140 мин.

Далее плотность тока повысили до 75 А/дм² и осуществляли электрохимический процесс в течение 60 мин. После этого, изменили полярность тока на 5 мин при его плотности 25 А/дм², процесс был циклично повторен 4 раза. После этого, плотность тока установили 65 А/дм² и осуществляли электрохимический процесс в течение 35 мин.

По завершении хромирования микрорельеф поверхности покрытия валка был сформирован полусферами (глобулями) близко расположенными друг к другу, а шероховатость покрытия составила (Ra) 1,4-1,6 мкм.

Валки, подготовленные по описанной технологии, были установлены в дрессировочный стан. Эксплуатация валков показала, что их наработка увеличилась на 51% в сравнении с классической технологией текстурирования, при которой микрорельеф получается за счет электроразрядов медных электродов о рабочую поверхность прокатного валка (геометрия текстуры визуально представляет кратер с острыми пиками по краям).

Пример 2.

Отшлифованный валок дрессировочного стана №2 (диаметр бочки D=500 мм, длина бочки L=1700 мм, шероховатость 0,1 мкм) закрепили в установке для хромирования. Нижнюю часть бочки погрузили в ванну с электролитом: раствор хромовой (H₂CrO₄) и серной кислоты (H₂SO₄) в соотношении их концентраций 100:1.

Глубина погружения бочки дрессировочного валка составила 18 мм, что соответствует площади обрабатываемой поверхности бочки валка 41 - 43 дм². Рабочий валок соединили с отрицательным источником постоянного тока, а нерастворимый свинцовый анод - с положительным. Валок привели во вращение (4 об/мин), в процессе которого происходил его прогрев от электролита.

Температуру электролита поддерживали на уровне 64 - 65 °С. Продолжительность прогрева валка составляла 48 мин.

После окончания прогрева валка через раствор электролита от анода к бочке валка пропускали постоянный обратный электрический ток (отрицательный) с плотностью 19 А/дм². По истечении времени 20 минут плотность прямого тока (положительный) установили 48 А/дм². При указанной плотности тока электролиз продолжали в течение 183 мин. Далее плотность тока повысили до 85 А/дм² и осуществляли электрохимический процесс в течение 48 мин. После этого, изменили полярность тока на 3,5 мин при его плотности 30 А/дм², процесс был циклично повторен 6 раз. После этого, плотность тока установили 50 А/дм² и осуществляли электрохимический процесс в течение 50 мин.

По завершении хромирования микрорельеф поверхности покрытия валка был сформирован полусферами (глобулями) близко расположенными друг к другу, а шероховатость покрытия составила (Ra) 1,5-1,7 мкм.

Валки, подготовленные по описанной технологии, были установлены в дрессировочный стан. Эксплуатация валков показала, что их наработка увеличилась на 53% в сравнении с классической технологией насечки.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано на станах кварто при холодной прокатке и дрессировке стальных полос. Способ включает шлифование бочки валка, электролитическое хромирование валка, в начале которого осуществляют прогрев верхнего слоя валка до температуры, составляющей не менее 0,5 температуры электролита, затем на первой стадии осуществляют подачу обратного тока при его плотности 10-45 А/дм² в течение 1-25 мин, после этого на второй стадии осуществляют подачу прямого тока при его плотности 35-80 А/дм² в течение 60-210 мин, на третьей стадии производят подачу прямого тока при его плотности 60-200 А/дм² в течение 45-200 мин и подачу обратного тока при его плотности 15-50 А/дм² в течение 3-10 мин, при этом осуществляют цикличное повторение третьей стадии 3-10 раз, а далее на четвертой стадии производят подачу прямого тока при его плотности 40-100 А/дм² в течение 30-70 мин. Техническим результатом является повышенная износостойкость прокатных валков за счет создания глобулярного микрорельефа на их поверхности без использования операции электроразрядного текстурирования. 4 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения рельефного электрохимического хромового покрытия прокатного валка, включающий шлифование бочки валка, электролитическое хромирование валка, отличающийся тем, что при электролитическом хромировании вначале осуществляют прогрев верхнего слоя валка до температуры, составляющей не менее 0,5 температуры электролита, затем на первой стадии осуществляют подачу обратного тока при его плотности 10-45 А/дм² в течение 1-25 мин, после этого на второй стадии осуществляют подачу прямого тока при его плотности 35-80 А/дм² в течение 60-210 мин, на третьей стадии производят подачу прямого тока при его плотности 60-200 А/дм² в течение 45-200 мин и подачу обратного тока при его плотности 15-50 А/дм² в течение 3-10 мин, при этом осуществляют цикличное повторение третьей стадии 3-10 раз, а далее на четвертой стадии производят подачу прямого тока при его плотности 40-100 А/дм² в течение 30-70 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что входящая шероховатость поверхности валка перед хромированием находится в диапазоне от 0,05 до 1,0 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура электролита в проточной ванне составляет 30-85 °С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прогрев верхнего слоя валка осуществляют путем погружения части валка в электролит и его вращения в течение не менее 45 мин.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время электролитического хромирования скорость вращения валка составляет 1-7 об/мин.