Способ термической обработки калиброванных валков из чугунов с шаровидным графитом Советский патент 1993 года по МПК C21D9/38 C21D5/00 

.. Изобретение относится к термической обработке изделий из преимущественно легированных медью чугунов с шаровидным графитом и предназначено для использования в черной металлургии при изготовлении валков горячей прокатки, а также в тяжелом и транспортном машиностроении.

Целью изобретения является повышение прочности, твердости, .термостойкости и сокращение процесса.

Предложенный способ обеспечивает получение в процессе аустенитизации гомогенного аустенита при нагреве до температуры Акс1 + 180-250°С, что позволяет одновременно повысить прочность и термическую стойкость материала. Охлаждение с критической скоростью, равной величине

отношения -тг , до 100-150°С создает перенасыщенность феррита медью, которая при последующем дисперсионном твердении материала способствует значительному повышению его твердости при нагреве до 600°С-33,ЗК. Использование охлаждения на воздухе после нагрева до температур дисперсионного твердения, а также возможность исключения .обязательного регулированного охлаждения с целью снятия осТаточнгых напряжений, которое предусматривается в известных технических решениях, позволяют существенно сократить длительность процесса термической обработки. Выбор граничных параметров обусловлен тем, что при нагреве до температуры на 180-250°С превышающий AKci, происходит полное растворение структурно свободного цементита и 30-50% графитовых включений, что обеспечивает максимально возможное насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами. В процессе нагрева до этой темле- ратуры достигается наиболее полное выравнивание концентрации углерода и легирующих элементов по объему зерен аустенита, что является недостижимым из-за непрерывного растворения графитам эвтектических карбидов при нагреве до температуры ниже оптимальной. Увеличение температуры нагрева выше оптимальной приводит к интенсивному росту зерна и локальному оплавлению матрицы вокруг гло- булей графита, при котором выравнивание концентрации углерода в матрице чугуна также не достигается. Следовательно, тер

у

И

3

о

Ј

мообработка с нагревом до температур выше и ниже оптимальной не только не устраняет, но даже усиливает концентрационную, а вместе с ней и структурную микронеоднородность чугуна и не позволяет обеспечить высокий комплекс его свойств - одновременное повышение прочности и термической стойкости чугуна. -; -Охлаждениеё оЪ к Ьростью, равной отношению диаметра валка к концентрации меди в сплаве, позволяет обеспечить охлаждение заготовки валка с критической скоростью, при которой достигается максимальная степень пересыщения феррита эв- тектоида медью. При скорости охлаждения,

превышающей величину отношения -тг ,

степень пересыщений медью твердого раствора, обеспечивающая вторичное твердение и повышение Твердости материала калибра при повторном нагреве, дополнительно не увеличивается. Кроме того, возникает опасность появления трещин из-за высокого уровня остаточных термических напряжений. Охлаждение со скоростью

- . D меньшей, чем величина отношения -гг , не

1ч ,

позволяет обеспечить достаточную степень пересыщения медью твердого раствора, поэтому твердость материала дна калибра в процессе вторичного твердения повышается незначительно.

Охлаждение до температуры, превышающей 150°С, вызывает выделение меди на межфазной поверхности и также, как и уменьшение скорости охлаждения, снижает степень пересыщения медью ферритной составляющей. Это отрицательно сказывается на эффективности вторичного твердения при последующем нагреве и уровне твердости материала калибра. Охлаждение до температуры менее 100°С дополнительного положительного влияния не оказывает, вы- зы вая л и шь увёл ичен ие п родолжйтёл ь ности обработки.

Нагрев заготовки валка до температуры 600°е - 33,ЗК необходим для проведения искусственного старения, вызывающего значительное повышение твердости мате- р иала. Необходимо отметить; что материал дна калибра по сравнению с поверхностью бочки упрочняется в значительно большей степени. Это достигается за счет более высокой Скорости охлаждения этих участков валка, обеспечивающей большую перенасыщенность твердого раствора медью. Поэтому выделение меди в виде дисперсной фазы при нагреве до температур 600°С -. ЗЗ.ЗК в различной степени повышает твердость материала поверхности бочки и дни

калибра. При нагреве до температур менее 600°С - 33,3К степень упрочнения не достигает максимально возможной величины. Повышение температуры более 600°С - 33,ЗК

приводит к коагуляции медистой фазы и разупрочнению материала.

Проведенный анализ заявляемого способа изготовления калиброванных валков из чугунов с шаровидным графитом свидетельствует о том, .что положительный зф- фект при осуществлении изобретения будет получен благодаря тому, что одновременному повышению прочности и термической стойкости материала сопутствует и повышейие твёрдости материала калибра за счет структурных превращений, описанных выше. .

По заявляемому способу заготовку валка с калибрами медленно нагревают со скоростью не более 30-50°С/ч до температуры Акс1 + 180-250°С, выдерживают при этой температуре не более 1 ч и охлаждают от 100- 150°С со скоростью, изменяющийся в зависимости от диаметра валка и концентрации.в чугуне меди, определяемой из соотношения V

у °С/ч, где D - диаметр валка,

мм; К-концентрация в сплаве меди, %. Затем валок нагревают с произвольной скоростью

до температуры-, определяемой с учетом кон- центрации меди по формуле Т 600°С - 33,3 К, и охлаждают на воздухе.

Для определения механических и эксплуатационных свойств материала валков,

термообработанных по предлагаемому способу, были изготовлены 8 валков размером мм химического состава, %: 3,7-3,8 углерода, 1,3-1,4 кремния, 0,5-0,6 марганца, 0,3-0,4 хрома, 1,7-1,8 никеля, 1,5-1,6 меди,

до 0,15 фосфора, до 0,02 серы. Для обеспечения сопоставительного анализа были изготовлены также 3 валка аналогичного состава и размера, которые обрабатывались по способу прототипа. Чугун для изготовления валков-выплавляли в индукционной печи Й.ЧТ-6 в вальцелитейном цехе

Кушвинского завода прокатных валков. Шихта состояла из чугуна Л К, полупродукта, лома валков СШХН и стали, чугунной стружки. Необходимый уровень содержания рс- новных и легирующих элементов обеспечивали введением FeS (65), FeMn (45), FeCr (72), никеля гранулированного, FeMo (60), меди. Модифицирование осуществляли металлическим магнием при 1370 110°С. Вторичную инокулирующуга обработку проводили порошкоструйным способом путем подачи сжатым воздухом с помощью установки молотого FeSi (65) зернистостью до 1,5 мм на струю заливаемого металла.

Расход FeSi 1,5-2,0. кг/т. Температура заливки 1320 ± 10°С. Валки заливали в кокиль с покраской. Время выдержки валков в форме до ее разборки 12-16 ч. Материал заготовок ваяков подвергался термической обработке, Изтермообработанного металла были изготовлены образцы, которые испытывались по стандартным методикам на прочность и твердость. Испытания на термостойкость проводили на установке для термоциклирования с нагревом образцов до 600°С и последующим охлаждением водой до 20°С.

Так, например, при термической обработке заготовки валка с размерами бочки мм из чугуна состава, %: 3,8 углерода, 1,37 кремния; 0,54 марганца; 0,48 хрома; 1,77 никеля; 1,62 меди, менее 0,15 фосфора; менее 0,02 серы (Aci 820°C), наилучший уровень свойств достигнут при нагреве до температуры аустенитизации 1000-1070°С, охлаждении от температуры аустенитизации со скоростью 360° с/ч до температуры 100-150°С, последующего нагрева с произвольной скоростью до температуры дисперсионного твердения 550°Си охлаждении на воздухе. После такой обработки материал валка характеризовался следующим уровнем свойств; предел прочности при изгибе 1190-1230 МПа, термостойкость 3720-3920 циклов, твердость поверхности бочки 62-63 HSD, дна калибра 58:60 HSD.

Нагрев до оптимальной температуры аустенитизации 1000-1070°С обеспечивает наиболее полную гомогенизацию аустени- та, при охлаждении до 100-150°С со скоростью ЗбО°С/ч достигается максимальная степень пересыщения медью феррита; эв- тектоида, а в процессе последующего нагрева заготовки валка до 550°С происходит повышение твердости материала за счет искусственного старения чугуна и выделения дисперсной медистой фазы в металлической основе материала.

Нагрев до температуры менее 1000°С не позволяет получить достаточно высокий уровень прочностных характеристик, так как не обеспечивает достаточно полной гра- фитизации хрупких эвтектических карбидов, расположенных по границам зерен. При охлаждении от температуры аустенитизации со скоростью 350°С/ч, меньшей, чем

твердость материала дйа калибра снижается с 59 HSD до 52 HSD, что значительно уменьЩает эффективность термической обработки, а длитель-. ность процесса увеличивается. Завершение охлаждения при более низкой температуре (90°С) по сравнению с оптимальной не окавеличина отношения -&

г.

зывает дополнительного положительного влияния на характеристики чугуна. Окончательный нагрев заготовки до температуры дисперсионного твердения позволяет зна5 чительно повысить уровень твердости по сравнению с литым состоянием. При нагрет ве до температуры менее 550°С снижаются все показатели прочностных свойств мате-, риала и термической стойкости. Таким обра10 зом, при проведении термической обработки, параметры которой находятся на более низком уровне по сравнению с оптимальным, качество материала ухудшается (предел прочности при изгибе 975 МПа,

5 термостойкость 3040 циклов, твердость поверхности бочки 58 HSD дна калибра 56

HSD). ...-.;.

При превышении оптимального уровня температуры аустенитизации прочностные

0 характеристики также снижаются из-за по-, вышенной структурной неоднородности материала валка. Кроме того, повышение температуры эустенйтизацйи увеличивает длительность термической обработки. Ох5 лаждение со скоростью 370°С/ч, превышающей оптимальную, не обеспечивает наилучшего сочетания предела прочности чугуна при изгибе и твердости материала. Завершение охлаждения при более высокой

0 температуре, например 160°С, вызывает снижение как прочностных характеристик, так и уровня термической стойкости материала. Повышение температуры дисперсионного твердения более 500°С приводит к

5 коагуляции упрочняющей дисперсной медистой фазы и снижению уровня твердости и термической стойкости. Уровень свойств после такой обработки: предел прочности при изгибе 1020 МПа; термостойкость 2980

0 циклов, твердость поверхности бочки 59 HSD, дна калибра 54 HSD.

Как показали данные проведенных испытаний, заявляемый способ термической обработки калиброванных валков из ч угу5 нов с шаровидным графитом обеспечил достижение следующего уровня характеристики материала; предел прочности при изгибе 1190-1230 МПа; термостойкость 3720-3920 циклов до разрушения,

0 твердости поверхности бочки 62-63 HSD, дна калибра - 58-60 HSD.

Согласно данным проведенных лабораторных испытаний заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следу5 ющими преимуществами: предел прочности при изгибе повысился в 1,4-1,5 раза (с 840 до 1190-1230 МПа), термостойкость в 1,8-1,9 раза ( с 2100 до 3720-3920 циклов), твердость поверхности бочки возросла дополни- тельно на 7-8 HSD (с 55 HSD до 62-63 HSD),

дна калибра - на 6-8 HSD (с 52 HSD до 58-60 HSD). Продолжительность термической обработки при этом сократилась на 27-30 часов. V- V:i .. - . ; . .

Кроме того, по сравнению с прототипом и известными аналогичными решениями заявляемое изобретение обладает следующими преимуществами: имея более высокий уровень качества, прокатные валки, термо- обработанные по предлагаемому способу, обеспечивают более высокую производительность прокатных станов, повышается выход годного более высоких сортов проката, сокращается расход металла при производстве металлопродукции. При этом снижается удельный расход валкового материала, так как износостойкость рабочего слоя валков, изготовленных по заявляемому способу, в 1,5-2 раза выше, чем у валков из чугунов с шаровидным графитом текущего производства. Сокращение процесса термической обработки позволит сэкономить электроэнергию, уменьшить численность обслуживающего термические печи персонала и повысить производительность термического оборудования,

Заявленное изобретение не оказывает вредного влияния на окружающую среду.

. :::.,:W;-: - --.

Формула изобретени я Способ термической обработки калиброванных валков из чугунов с шаровидным графитом, преимущественно легированных

медью, включающий нагрев до заданной температуры, выдержку, промежуточное охлаждение, повторный нагрев до заданной температуры, выдержку и окончательное охлаждение, отличающий с я тем, что, с

целью повышения прочности, твердости, термостойкости и сокращения процесса, нагрев ведут до AKCi+180-250°C, промежуточное охлаждение - до 150-100°С со скоростью V - 0/К°С/ч, где D - диаметр

валка, мм; К - концентрация меди, %. повторный нагрев осуществляют до температуры, определяемой из соотношения Т - (600-33,ЗК)°С, а окончательное охлаждение проводят на воздухе.

Сущность изобретения: валок нагревают до АКС1 + 180-250°С и охлаждают до 150- 100°С со бкоростью V О/К°С/ч, где D - диаметр валка, мм; К - концентрация меди в чугуне, %. Повторно нагревают до температуры Т (600-3,3 К)°С и окончательно охлаждают на воздухе.