Разработка технологии химико-термического упрочнения прокатных валков

Основным инструментом в прокатном производстве является прокатный валок. Валок – это высоконагруженный и ответственный узел рабочей клети. Валок подвергается высокому трению за счет взаимодействия поверхности валка и поверхности раската [1].
Основными видами износа прокатных валков являются тепловой, окислительный и абразивный. При прокатке различных профилей в различных частях калибра может преобладать один вид износа. В тех частях калибра, где отмечается большое скольжение, высокие удельные давления и на поверхности прокатываемого металла имеется слой окалины, в большой мере проявляется абразивный износ. Там, где металл имеет высокую температуру и меньше проскальзывает по поверхности валка, больше проявляется тепловой износ. Значительное влияние на износ оказывают разгарные трещины, образующиеся на поверхности валков в результате циклических нагревов и охлаждений в процессе прокатки. Возникновение разгара ускоряет истирание, облегчает выкрашивание частиц металла и способствует быстрому изнашиванию рабочей поверхности прокатных валков [2].
В следствии высокого трения прокатный валок подвергается износу. Износ прокатных валков делится на два типа:
– естественный износ – зависящий от твердости, восприимчивости к наклепу, формы профиля бочки, условий трения;
– износ, образуемый наварами – зависящий от величины образующегося большого количества тепла в зоне деформации, отсутствия необходимого количества смазки в этой зоне [3].
Поверхность прокатного валка должна обладать определенными физико-механическими свойствами, а именно твердостью и износостойкостью. Стойкость валка к износу напрямую зависит от твердости и состояния поверхностного слоя, которая изменяется в зависимости от глубины слоя. Чем выше твердость рабочей поверхности, тем выше ее износостойкость.
В производстве существует несколько методов для повышения твердости и износостойкости рабочей поверхности прокатного валка. К данным методам относятся: легирование или модифицирование металла валка на стадии его изготовления литьем; переточка на вальцетокарных станках; газопламенная поверхностная закалка; поверхностная закалка калибров с использованием ТВЧ; закалка прокатных валков в кольцевых печах; электронаплавка изношенных мест и обкатка.
Каждый метод обладает преимуществами и недостатками. Переточка изношенной поверхности приводит к увеличению калибра и уменьшению твердости рабочей поверхности за счет срезания верхнего слоя прокатного валка. Известен способ восстановления составного прокатного валка. Он заключается в переточке прокатного валка с последующей обработкой в несколько проходов вдоль оси вращающейся металлической щеткой. Во время обработки также наносят алюминий или латунь для уменьшения окисления поверхностного слоя валка [4].
Газопламенная закалка проводится на специализированном оборудовании обеспеченным горелками для подвода горящего газа и форсунок для подачи воды. Процесс заключается в нагреве поверхности валка газовым пламенем до температуры закалки и охлаждением водой. Данный процесс требует времени от 30-60 минут в зависимости от диаметра и длины валка. Твердость поверхности до 50 HRC. После закалка требуется переточка до 1-2 мм толщиной.
Закалка калибров с использованием ТВЧ нагрева требует создания индуктора. Преимущество данного способа быстрота и равномерность нагрева по всему сечению прокатного валка. Твердость достигает 60 HRC.
Закалка в кольцевой печи. Нагрев прокатного валка в кольцевой печи осуществляется за счет горения коксика и подачи в рабочую камеру воздуха. Закалка осуществляется путем подачи воды в рабочую камеру печи и охлаждения до температуры самоотпуска. Недостатком данного процесса является длительность. После процесса закалки требуется переточка.
Электронаплавка изношенных мест прокатных валков. Этот процесс в промышленности нашел широкое применение из-за простого оборудования. Данный процесс обладает рядом недостатков: низкая производительность, необходимость отжига для снятия сварных напряжений длительностью 5-10 часов, необходимость переточки после термической обработки.
Обкатка повышает усталостную прочность и износостойкость за счет наклепа. Преимущество в простоте приспособления для обкатки и высокая частота поверхности. Недостатком является низкая производительность и уменьшение в диаметре валка на 2-3 мм [5].
В машиностроении давно и широко применятся химико-термическая обработка для улучшения физико-механических и технологических свойств. К методам ХТО относятся такие процессы: цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, цианирование [6]. Самым хорошо изученным и широко используемым в отечественном машиностроении методом химико-термической обработки является цементация. Данный метод повышает твердость и износостойкость за счет насыщения поверхностного слоя углеродом. Технологический процесс цементации состоит из нескольких этапов: нагрев детали или изделия в карбюризаторе; нагрев детали или изделия под закалку с резким охлаждением в воде, соленой воде или жидким азотом; отпуск после закалки [7].
Цементация стальных деталей обеспечивает термодиффузионное насыщение деталей углеродом для повышения их поверхностной твердости, сопротивления изнашиванию, выносливости, окалиностойкости, коррозионной стойкости, а также для повышения износостойкости и предела выносливости при сохранении мягкой и вязкой сердцевины деталей [8].
В данной работе будут проведены исследования структуры образцов после цементации прокатной стали 40Х для разработки технологии химико-термической обработки прокатных валков.

1. Скобло, Т.С., Прокатные валки из высокоуглеродистых сплавов: учеб / Т.С. Скобло, Н.М. Воронцов, С.И. Рудюк. – М.: Металлургия, 1994 – 336 с.
2. Friction and the Hot Rolling of Steel / V. Panjkovic [et al.] // CRC Press, Taylor & Francis Group. – 2014. – С. 216
3. Водзянский, В.В. Характер износа валков холодной прокатки и повышения их стойкости / В.В. Водзянский // Университетская наука, 2010. – С.10
4. Пат. 2254186 Российская Федерация, МПК7 В 21, В28/02. Способ восстановления составного прокатного валка / Белевский Л.С.; заявитель и патентообладатель Белевский Л.С.; заявл. 08.10.2003; опубл. 20.06.2005, Бюл. №17.
5. Чекмарев, А.П. Износ прокатных валков: учеб. / А.П. Чекмарев, Р.А. Машковцев. – Металлургиздат: Москва, 1955. – 145 с.
6. Bakon, J.L. Heat Treatment of Steels / J.L. Bakon. – New York. : John Wiley & Sons, 1999. – 418 p.
7. Корецкий, Я. Цементация стали / Я. Корецкий. – Л. : Судпромгиз, 1962. – 230 с.
8. Пат. 2384649 Российская Федерация, МПК7 С23 С12/02. Способ термодифузионного упрочнения стальных деталей / Коршунов В.В.; заявитель и патентообладатель Коршунов В.В.; заявл. 20.06.2008; опубл. 20.03.2010, Бюл. №8.
9. Третьяков, А.В. Валки обжимных, сортовых и листовых станов / А.В. Третьяков. – М. : Интермет инжиниринг, 1999. – 80 с.
10. Трейгер, Е.И. Повышение стойкости прокатных валков / Е.И. Трейгер, А.З. Комановский. – Киев. : Техніка, 1984. – 146 с.
11. ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. – Введ. 1973-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1971. – 39 с.
12. ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. – Введ. 1991-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1988. – 30 с.
13. Гуляев, А.П. Инструментальные стали: учеб. / А.П. Гуляев, К.А. Малинина, С.М. Саверина. – 2-е изд. – М. : Машиностроение, 1975. – 272 с.
14. Bryson, W.E. Heat Treatment, Selection, and Application of Tool Steels / W.E. Bryson. – Carl Hanser Verlag, Munich, Germany, 2009. – 249 p.
15. Будагьянц, Н.А. Литые прокатные валки: учеб. / Н.А. Будагьянц, Карсский В.Е. – М.: Металлургия, 1983. – 175 с.
16. Cain, T. Hardening, Tempering and Heat Treatment / T. Cain. – Argus Books Ltd, 1984. – 124 p.
17. Шемшурова, Н.Г. Способы упрочнения поверхности рабочих валков / Н.Г. Шемшурова, В.Г. Антипова, Е.П. Киселева // Валки прокатных станов. – Магнитогорск. – 2014. – С. 112-122.
18. Liedtke, D. Merkblatt 450.Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren / D. Liedtke. – Düsseldorf: Stahl-Informations-Zentrum, 2005. – 38 s.
19. Пат. 2453615 Российская Федерация, МПК7 С21 D 9/38. Способ термической обработки валков из заэвтектоидной стали типа 150ХНМ / Дедюкин В.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения»; заявл. 26.04.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. №17.
20. Пат. 2128233 Российская Федерация, МПК7 С21 D 9/38. Способ термического улучшения валков/ Немзер Н.А.; патентообладатель ОАО «Северсталь»; заявл. 07.04.1998; опубл. 27.03.1999, Бюл. №17.
21. Пат. 2143009 Российская Федерация, МПК7 С21 D 9/38. Способ термической обработки прокатных валков / Ветер В.В.; заявитель и патентообладатель Ветер В.В.; заявл. 29.12.1999; опубл. 27.02.2001, Бюл. №17.
22. Термическая обработка с горячего посада чугунных прокатных валков / Л.Х Иванова [и др.] // Березень, 2011. – С. 14-17.
23. Steel Heat Treatment: Metallurgy And Technologies / G.E. Totten [et al.] – Taylor & Francis Group, 2006. – 820 p.
24. Соколов, С.О. Экономолегированная сталь для валков горячей прокатки высокопроизводительных станов / С.О. Соколов // Университетская наука, 2013. – С. 19-30
25. Крылова, С.Е. Термическая обработка валков горячей прокатки высокопроизводительных станов их микролегированной стали / С.Е. Крылова, О.А. Клецова, С.С. Кочковская // Университетская наука, 2014. – С. 227-229.
26. Термоциклирование. Структура и свойства / А.М. Гурьев [и др.] // Ползунский альманах, 2014. – № 2. – С. 5-9.
27. Иващенко, В.Ю. Анализ стойкости валков горячего проката и влияние термоциклирования на рабочие характеристики валкового инструмента / В.Ю. Иващенко // Университетская наука, 2010. – С. 10-20
28. Пат. 1722762 Российская Федерация, МПК7 С21 D 9/38. Способ упрочнения стального валка сортопрокатного стана / Луценко А.Н.; заявитель и патентообладатель ОАО «Северсталь»; заявл. 10.06.2002; опубл. 20.05.2004, Бюл. №17.
29. Пат. 2398892 Российская Федерация, МПК7 С21 D 1/09. Способ поверхностного упрочнения прокатных валков / Юрьев А.Б.; заявитель и патентообладатель ОАО «НМК»; заявл. 07.09.2009; опубл. 10.09.2010, Бюл. №25.
30. Куницкая, В.Е. Химико-термическая обработка металлов / В.Е. Куницкая, Л.И. Рослякова, И.Н. Росляков // Взгляд молодых ученых, 2016. – Т.3. – С. 212-215.
31. Головин, А.Ю. Повышение стойкости инструмента азотированием / А.Ю. Головин, С.Л. Лазуткин, С.В. Гусев // Успехи современного естествознания: Материалы конференции, 2012. – №6. – С. 173-174
32. Крукович, М.Г. Газовое азотирование в герметичных контейнерах / М.Г. Крукович // «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин», 2013. – С. 198-204
33. Куренбин, Т.А. Свойства и структурные преобразования закаленной стали при азотировании в широком диапазоне температур процесса / Т.А. Куренбин, И.М. Гончаренко // «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин», 2013. – С. 230-241
34. Бахрачева, Ю.С. Повышение долговечности узлов трения термоциклической нитроцементацией / Ю.С. Бахрачева // Машиностроение, 2012. – №3. – С. 7-12.
35. Применение нитроцементации для упрочнения деталей машин / В.В. Серебровский [и др.] // Медицинское приборостроение, 2012. – №2. – Ч.2. – С. 11-13.
36. Исследование износостойкости сталей 40 и 40Х, упрочненных цианированием / В.Н. Гадалов [и др.] // Материалы и технологии ХХI века. – Пенза, 2016. – С.11-16.
37. Коршунов, В.В. Нитроцементация поверхностного слоя деталей экзотермическим методом упрочнения / В.В. Коршунов, В.Н. Саковцева // Машиностроение, 2012. – №3. – С. 177-180.
38. Малькова, Н.Ю. Недостатки процессов и перспективные способы химико-термической обработки / Н.Ю. Малькова // Успехи современного естествознания, 2007. – №12. – С. 87
39. Рыжавина, Л.В. Цементация в твердом карбюризаторе / Л.В. Рыжавина, О.В. Чуднова // Успехи современного естествознания, 2012. – №6. – С. 176-177.
40. Чейлях, А.П. Влияние закалки на структуру, состав метастабильного остаточного аустенита и абразивную износостойкость цементованных конструкционных сталей / А.П. Чейлях, М.А. Рябикина, Н.Е. Караваева // Висник приазовського державного техничного университету, 2012. – С. 95 – 101.
41. Формирование структуры и свойств поверхностных слоев при науглероживании низкоуглеродистых мартенситных сталей / А.С. Иванов [и др.] // Новые технологии получения и обработки материалов, 2006. – №6. – С. 72-79.
42. Ву Ван Гюи, Исследование износостойкости поверхности стали после плазменной цементации с использованием углеродосодержащей пасты / Ву Ван Гюи, А.Е. Балановский // Машиностроение и машиноведение. –Вестник ИрГТУ, 2017. – Т.21. – №4. – С. 10-21.
43. Surface carburization of steel castings / E.B. Тen [et al.] // Moscow Institute of Steel and Alloys. – Steel in translation, 2011. – Т.43. – №1. – Р.19-22
44. Валько, А.Л. Влияние вакуумной высокотемпературной цементации на величину зерна конструкционных сталей / А.Л. Валько, С.П. Руденко, А.Н. Чичин // Актуальные вопросы машиноведения, 2014. – №3. – С. 343-346.
45. Liu, I.-D. Super-carburization of low alloy steel in a vacuum furnace / L.-D. Liu, F.-S. Chen // Department of Mechanical Engineering, Taiwan Department of Materials Engineering, Tatung University. – Surface and coatings technology, 2004. – Т.183. – № 2. – Р. 233-238.
46. Шевченко, О.И. Процесс электроискровой цементации в ультразвуковом поле / О.И. Шевченко, Г.Е. Трекин // Bестник ПНИПУ, 2016. – Т. 18. – № 3. – С. 63-76.
47. Марусин, М.В. Цементация стали при высокоэнергетической индукционной закалке / М.В. Марусин, А.Б. Виноградов, В.В. Марусин // ИТПМ СОРАН. – С. 101-103.
48. Баранов, Е.М. Химико-термическая обработка стали: учеб. пособие / Е.М. Баранов. – Хабаровск. : ДВГУПС, 2005. – 37 с.
49. Ruchuan, Y. Carburization behavior of iron-based alloys in methane/hydrogen gas mixtures / Y. Ruchuan. – King Fahd University of Petroleum and Minerals, 2003. – 151 р.
50. Oxide Coatings Formed on Titanium Treated by High Frequency Currents / A. A. Fomin, [и др.] // Technical Physics Letters, 2015. – №9. – Р. 909–911
51. Лахтин, Ю.М. Химико-термическая обработка металлов: учеб. / Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. – М. : Металлургия, 1985. – 256 с.
52. Khusid, B.M. Carburization of high-chromium steels / B.M. Кhusid, E.M. Кhusid, B.B. Khina // Рroceedings of the 2nd asm heat treatment and surface engineering conference. Minsk, 1994 / Byelorussian Acad of Sciences, 1994. – Part 1, 1994. – Р.203-208.
53. Пат. 2477336 Российская Федерация, МПК8 C23C 8/60, C23C 8/66. Способ цементации металлического изделия / Домбровский Ю.М.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Донской государственный технический университет”. – № 2011131656/02 заявл. 27.07.2011; опубл. 10.03.2013, Бюл. №7. – 6 с. : ил.
54. Пат. 2283893 Российская Федерация, МПК8 C23C 8/66. Способ ускоренной цементации стали / Орлов П.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ярославская государственная сельскохозяйственная академия. – № 2004124644/02 заявл.12.08.2004; опубл. 20.09.2006, Бюл. №26. – 8 с. : ил.
55. Пат. 2044105 Российская Федерация, МПК8 C23C8/22. Способ поверхностного упрочнения стальных деталей / Бондаренко А.В., Жуков А.А., Бондарюк Н.Н., Малимон В.И.; заявитель и патентообладатель Винницкий политехнический институт, Научно-производственное предприятие “Гамма”. – заявл. 04.07.1991; опубл. 20.09.1995, Бюл. №17. – 7 с. : ил.
56. Пат. 2087550 Российская Федерация, МПК8 C21D1/42,
C23C8/22. Способ термической обработки деталей из легированной стали / Макарьев А.Н., Исупов В.П., Аноцкий С.В.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество “Автоваз”. – заявл. 04.08.1994, опубл. 20.08.1997, Бюл. №8. – 7 с. : ил.
57. Пат. 2172360 Российская Федерация, МПК8 C23C12/00,
C23F17/00. Способ упрочнения литого режущего инструмента из быстрорежущей стали/ Субботин А.В., Салманов Н.С., Занозин А.А.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество “Алтайский трактор”. – заявл. 16.11.1999, опубл. 20.08.2001, Бюл. №26. – 6 с. : ил.
58. Пат. 2120478 Российская Федерация, МПК8 C21D1/42,
C21D7/04. Способ формирования упрочненного слоя детали/ Леменков В.Я.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество “ГАЗ”. – заявл. 01.04.1997, опубл. 20.10.1998, Бюл. №8. – 7 с. : ил.
59. Пат. 2130507 Российская Федерация, МПК8 C23C8/22. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности трубы/ Сельницын М.Г., Лесничий В.Ф., Козловский А.М., Пыхов С.И.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество “УралЛУКтрубмаш”. – заявл. 22.06.1998, опубл. 20.05.1999, Бюл. №8. – 7 с. : ил.
60. Пат. 2436850 Российская Федерация, МПК8 C23C8/22. Способ упрочнения рабочей поверхности зубьев/ Захаров Н.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «ДМЗ». – заявл. 02.02.2010, опубл. 10.08.2011.
61. ГОСТ 5399-69 Валки прокатные. Основные размеры. – Введ. 1970-01-07. – М.: Изд-во стандартов, 1970. – 15
62. ГОСТ 6456-82 Шкурка шлифовальная бумажная. Технические условия. – Введ. 1982-18-02. – М.: Изд-во стандартов, 1982. – 19 с.
63. ГОСТ 26492-85 Прутки катанные из титана и титановых сплавов. Технические условия. – Введ. 1987-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 31 с.
64. ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников – Введ. 1977-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1977. – 35 с.
65. Исследование микротвердости поверхности образцов стали 40Х после цементации / Д.О. Щуркин [и др.] // 8-я Международная молодежная научная конференция «Молодежь и XXI век – 2018», 21-22 февраля / ЮЗГУ. – Курск, 2018. – С. 4-8
66. Исследование равномерности микротвердости образцов стали 40Х после цементации / Д.О. Щуркин [и др.] // Международная научно-практическая конференция: закономерности развития современного естествознания, техники и технологии, 30 января / АПНИ – г. Белгород, 2018. – С.5-9
67. Щуркин, Д.О. Исследование равномерности микротвердости образцов стали 40Х после цементации / Д.О. Щуркин, А.С. Ахмедова // Будущее науки – 2017: Сборник научных статей 5-й международной молодежной научной конференции, 26-27 апреля / ЮЗГУ. – Курск, 2017. – Т.4. – С. 193-197
68. Исследование равномерности микротвердости по сечению закаленных образцов / Д.О. Щуркин [и др.] // Международная научно-практическая конференция: закономерности развития современного естествознания, техники и технологии, 30 января / АПНИ – г. Белгород, С.5.
69. Атлас микроструктур черных и цветных металлов и сплавов: учеб. / А.А. Андрушевич [и др.]. – Минск.: БГАТУ, 2012. – 100 с.
70. Carbon Nanomaterials Sourcebook. Volume II: Nanoparticles, Nanocapsules, Nanofibers, Nanoporous Structures, and Nanocomposites / K.D. Sattler [et al.] // Taylor & Francis Group, 2016. – 727 p.
71. Щуркин, Д.О. Технологии ТВЧ в нагреве заготовок прямоугольного и квадратного сечения / Д.О. Щуркин, А.Ю. Щелкунов // Научно-технический прогресс в черной металлургии: сб. науч. тр. II международной конференции научно-технической конференции, 7-9 октября / ЧГУ Инженерно-технический институт ПАО Северсталь. – Череповец, 2015. – С. 219.
72. ОСТ4. 054.004-89 Детали из сплавов черных и цветных металлов, термическая и химико-термическая обработка. Типовые технологические процессы редакция / редакция 1-76. – 1989. – 61 с.
73. ОСТ 1.00021-78 Термическая и химико-термическая обработка деталей. Группы контроля / редакция 1-76. – 1979. – 8 с.