способ термического упрочнения трубоформовочного валка

Формула изобретения

1. Способ термического упрочнения трубоформовочного валка из хромистой стали с осевым каналом, включающий нагрев до температуры нормализации, выдержку, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что валок нагревают до температуры 900-980^oС, при которой выдерживают в течение 1,5-6,5 ч, после чего охлаждают со скоростью 10-40^oС/мин, а отпуск ведут путем нагрева до температуры 180-400^oС и выдержки при этой температуре в течение 2-7 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют струями воздуха или водовоздушной смеси, подаваемыми в осевой канал валка.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что струи воздуха или водовоздушной смеси подают в осевой канал с обеих сторон валка навстречу друг другу.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что охлаждение валка струями воздуха или водовоздушной смеси ведут до температуры 100-200^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области термической обработки и может быть использовано для термического упрочнения литых трубоформовочных и профилегибочных валков (роликов) из заэвтектоидной хромистой стали.

Известен способ термического упрочнения прокатного валка, включающий нагрев и охлаждение, по которому бочку валка охлаждают замедленно под теплоизолирующим кожухом, а шейки охлаждают струями воздуха. После завершения охлаждения валок подвергают отпуску [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что после замедленного охлаждения под теплоизолирующим кожухом и отпуска бочка валка имеет низкую твердость, что приводит к снижению стойкости валка трубоформовочного или профилегибочного стана, ухудшению качества труб и гнутого профильного проката.

Известен также способ термического упрочнения литых полых толстостенных прокатных валков большого диаметра с бочкой большой длины из коррозионностойком стали. Согласно этому способу валок нагревают до температуры 1000-1200^oС и подвергают принудительному охлаждению. Охлаждение производят водовоздушной смесью с концентрацией воды в воздухе 0,01-0,03 л/м³, которую подают во внутреннюю полость валка. Расход воздуха на охлаждение составляет 1200-1400 м³/мин на 1 м² площади поперечного сечения полости валка, при этом валок охлаждают до температуры 300^oС [2].

Известный способ оказался не пригодным для термического упрочнения трубоформовочных валков из заэвтектоидной хромистой стали, так как из-за перегрева ухудшается структура валка, искажается его форма, а при последующем охлаждении в валке образуются термические трещины.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ термического упрочнения валка из хромистой заэвтектоидной стали, содержащей 0,9-2,0% углерода. Способ включает нагрев валка до температуры нормализации 900-950^oС, выдержку при этой температуре в течение 12-20 ч, последующее охлаждение на воздухе без обдува. После нормализации производят отпуск валка путем его выдержки при Температуре 600^oС [3] - прототип.

Недостатки данного способа состоят в том, что трубоформовочный валок после термического упрочнения имеет низкие прочность и твердость, быстро изнашивается и деформируется в процессе эксплуатации. Это приводит к снижению стойкости валка и качества труб.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении стойкости валка и качества труб.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе термического упрочнения трубоформовочного валка из хромистой стали с осевым каналом, включающем нагрев до температуры нормализации, выдержку, охлаждение и отпуск, согласно предложению валок нагревают до температуры 900-980^oС, при которой выдерживают 1,5-6,5 ч, после чего охлаждают со скоростью 10-40^oС/мин, а отпуск ведут путем нагрева до температуры 180-400^oС и выдержки при этой температуре в течение 2-7 ч.

Возможен вариант осуществления способа, согласно которому охлаждение осуществляют струями воздуха или водовоздушной смеси, подаваемыми в осевой канал валка, а также по которому струи воздуха или водовоздушной смеси подают в осевой канал с обеих сторон валка навстречу друг другу.

Кроме того, возможен вариант осуществления способа, по которому охлаждение валка струями воздуха или водовоздушной смеси ведут до температуры 100-200^oС.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Трубоформовочные валки, с помощью которых из стальной полосы формируют трубную заготовку, должны обладать высокой прочностью и износостойкостью. Однако хромистые заэвтектоидные стали, из которых изготавливают трубоформовочные валки, имеют повышенную склонность к образованию термических трещин при проведении термического упрочнения. Для предотвращения образования термических трещин в валках скорость охлаждения после нагрева до температуры нормализации приходится снижать, что сопровождается потерей прочности, твердости и износостойкости валков.

Нагрев валка до температуры 900-980^oС и выдержка в течение 1,5-6,5 ч приводит к разрушению цементитной сетки, сфероидизации цементита и перлита в хромистой заэвтектоидной стали, из которой валок изготовлен. Последующее охлаждение валка со скоростью 10-40^oС/мин способствует фиксации мелкозернистой микроструктуры стали, интенсивному повышению ее прочности, твердости и износостойкости. В то же время, скорость охлаждения 10-40^oС/мин от температуры 900-980^oС является предельно допустимой, при которой термические и фазовые напряжения в хромистой заэвтектоидной стали еще не приводят к образованию термических трещин.

Последующий отпуск при температуре 180-400^oС в течение 2-7 ч обеспечивает полное снятие в валке внутренних напряжений, которые сохранились в нем в результате охлаждения со скоростью 10-40^oС/мин. Следует отметить, что снятие внутренних напряжений в валке при отпуске сопровождается потерей его твердости на 1-2 ед. HRC при температуре отпуска 180^oС и 5-6 ед. HRC при температуре отпуска 400^oС.

Заданную скорость охлаждения 10-40^oС/мин от температуры нормализации 900-980^oС наиболее легко реализовать путем подачи струй воздуха или водовоздушной смеси в осевой канал валка. Скорость охлаждения при этом регулируется расходом воздуха и концентрацией воды в водовоздушной смеси. Помимо этого, подача охладителя в осевой канал полностью исключает возможность зарождения трещин на внешней рабочей поверхности бочки валка.

Подача струй воздуха или водовоздушной смеси в осевой канал с обеих сторон валка навстречу друг другу способствует более равномерному и симметричному охлаждению валка, выравниванию твердости и износостойкости по длине его бочки.

Кроме того, поскольку при охлаждении ниже температуры 100-200^oС упрочнение валка прекращается, его дальнейшее охлаждение струями воздуха или водовоздушной смеси можно прекратить, что обеспечит снижение энергозатрат на охлаждение.

Экспериментально установлено, что при увеличении температуры нагрева выше 980^oС или продолжительности выдержки при этой температуре более 6,5 ч происходит чрезмерный рост зерен микроструктуры в хромистой стали, валок трубоформовочного стана приобретает низкую твердость и износостойкость. Уменьшение температуры нагрева ниже 900^oС или времени выдержки менее 1,5 ч приводит к сохранению остатков цементитной сетки в микроструктуре стали. В результате прочность и эксплуатационная стойкость валка снижаются, ухудшается качество труб.

При скорости охлаждения выше 40^oС/мин в теле валка из хромистой стали образуются трещины, чт недопустимо. Снижение скорости охлаждения менее 10^oС/мин приводит к потере твердости, прочности и износостойкости трубоформовочного валка, ухудшению качества труб.

Отпуск нормализованного валка при температуре выше 400^oС с продолжительностью выдержки более 7 ч ведет к потере его твердости, износостойкости и ухудшению качества труб. При температуре отпуска ниже 180^oС или сокращении продолжительности выдержки менее 2 ч в валке сохраняются остаточные напряжения после нормализации. Остаточные напряжения, суммируясь с рабочими напряжениями при эксплуатации валка, приводят к образованию трещин и выкрошек. Это ухудшает стойкость валка и качество труб.

Если температура завершения охлаждения со скоростью 10-40^oС/мин будет выше 200^oС, то трубоформовочный валок потеряет твердость и износостойкость. Уменьшение этой температуры ниже 100^oС нецелесообразно, так как стойкость валка и качество труб не улучшатся, а лишь возрастут энергозатраты на принудительное охлаждение его струями воздуха и водовоздушной смесью.

Примеры реализации способа

1. Трубоформовочный литой валок из заэвтектоидной хромистой стали марки Х12ВМФ с осевым каналом и диаметром бочки 316 мм помещают в камеру электропечи сопротивления и разогревают до температуры нормализации Т_н=900^oС. Разогретый валок выдерживают при температуре нормализации в течение времени _н = 1,5 ч, после чего извлекают из камеры электропечи и устанавливают на столе в горизонтальном положении. В осевой канал трубоформовочного валка с одной стороны подают из сопла струю сжатого воздуха и производят его принудительное охлаждение со скоростью V=10^oС/мин. Скорость охлаждения регулируют расходом охлаждающего воздуха. При снижении температуры трубоформовочного валка до значения Т_r=200^oС, подачу сжатого воздуха в его осевой канал прекращают, и дальнейшее охлаждение валка до температуры окружающей среды происходит самопроизвольно.

Трубоформовочный валок после завершения нормализации подвергают отпуску. Для этого его помещают в шахтную электропечь ПН-34М, нагревают до температуры отпуска Т_о=400^oС и выдерживают при этой температуре в течение времени _o = 7 ч. По окончании выдержки Трубоформовочный валок подвергают механической обработке на конечные размеры и эксплуатируют в линии трубоэлектросварочного агрегата.

2. Те же операции, что и в варианте 1, только нормализацию осуществляют при температуре Т_н= 940^oС, времени выдержки при температуре нормализации _н = 4 ч. Охлаждение ведут струями сжатого воздуха, подаваемыми в осевой канал трубоформовочного валка с обеих его сторон навстречу друг другу. Скорость охлаждения поддерживают равной 25^oС/мин.

После достижения трубоформовочным валком температуры Т_r=150^oС подачу сжатого воздуха прекращают. Отпуск трубоформовочного валка проводят при температуре Т_о=290^oС в течение _o = 4,5 ч.

3. Те же операции, что и варианте 2, только температура нормализации Т_н= 980^oС, время выдержки _н = 6,5 ч. Для охлаждения трубоформовочного валка в его осевой канал подают с обеих сторон навстречу друг другу струи водовоздушной смеси, чем обеспечивают его охлаждение со скоростью 40^oС/мин. При достижении температуры Т_r=100^oС подачу струй водовоздушной смеси прекращают.

Отпуск нормализованного трубоформовочного валка ведут при температуре Т_о=180^oС, времени выдержки _o = 2 ч.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Из таблицы следует, что в случае реализации предложенного способа (варианты 1-3) обеспечивается повышение твердости и стойкости трубоформовочного валка, отбраковка труб по дефектам поверхности минимальна, что свидетельствует о повышении их качества.

В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 4 и 5) и реализации способа-прототипа (вариант 6) имеет место ухудшение стойкости трубоформовочного валка и качества труб.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что предложенные режимы термического упрочнения обеспечивают одновременно как максимальное упрочнение трубоформовочного валка из хромистой заэвтектоидной стали с осевым каналом, так и исключение образования и развития термических трещин в теле валка. Это позволяет повысить стойкость трубоформовочного валка и качество труб.

За базовый объект принят способ-прототип. Применение предложенного способа позволит повысить рентабельность производства прямошовных электросварных водогазопроводных труб на 10-15%

Литература

1. Заявка Японии 62-290827, МПК С 21 D 9/38, В 21 В 27/00 1987 г.

2. Заявка Японии 2170920, МПК С 21 D 9/38, В 21 В 27/00 1990 г.

3. Н.А.Будагьянц, В.Е.Карсский. Литые прокатные валки. М., Металлургия, 1983 г. с. 141-143 (прототип).