Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Гаврилов Г.Н. 1 Костромин С.В. 1 Калинин А.Б. 2 Пейганович В.Н. 3 Ермаков Д.Ю. 2
1 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева»
2 Выксунский филиал ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева»
3 ОАО «ОМК-Сталь»
Лазерное термоупрочнение и наплавка являются перспективными технологиями в процессе производства прокатных валков. Показано, что лазерные технологии дают возможность целенаправленного формирования микроструктуры поверхности изделий и получения нового повышенного комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств. Исследованы структура и свойства поверхностных слоёв сталей с различным содержанием углерода. Комплекс исследований включал определение физико-механических характеристик материалов по стандартным методикам, изучение структуры образцов. Лазерная порошковая наплавка за один проход позволяет формировать поверхностный слой с заданными характеристиками толщиной до 1,5 мм. Многослойная наплавка позволяет получать модифицированные слои с геометрическими размерами, определяемыми техническими условиями на изделие. Проведение дополнительной лазерной обработки приводит к выравниванию уровня микротвердости для каждого исследуемого материала по всему продольному сечению поверхностного слоя.
лазерная наплавка
лазерная закалка
поверхностное упрочнение
термообработка
прокатные валки
1. Безнос М. П. Валки крупносортных и рельсобалочных станов. – М.:Металлургия, 1966. – 148 с.
2. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. – М.:МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – 664 с.
3. Ильин С. И., Корягин Ю. Д. Технология термической обработки сталей: учебное пособие. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 120 с.
4. Кочанов А. В., Горбатюк С. М. Разработка конструкции устройства и технологии упрочнения валков листовых станов поверхностным пластическим деформированием // Черные металлы. – 2013. – № 2. – С. 14–18.
5. Особенности формирования структуры сталей при лазерном термическом цикле / Г. Н. Гаврилов, В. Кастро, И. Брауэр, Е. С. Беляев // Заготовительные производства в машиностроении. – 2011. – № 12. – С. 38–41.
6. Патент РФ № 2398892. Способ поверхностного упрочнения прокатных валков. Опубл. 10.09.2010.
7. Теория и технология ковки / Под ред. Л. Н. Соколова. – Киев: Вища школа, 1989. – 317 с.
8. Эффективность микролегирования стали 150ХНМЛ ванадием при получении прокатных валков / В. А. Коровин, И. О. Леушин, А. С. Киров, С. В. Костромин // Заготовительные производства в машиностроении. – 2012. – № 1. – С. 44–47.

Введение

Эксплуатационные характеристики прокатных валков оказывают значительное влияние на производительность прокатных станов, качество и себестоимость готовой продукции.

По условиям эксплуатации прокатные валки подразделяются на три основные группы: валки станов горячей прокатки, валки станов холодной прокатки, опорные валки.

Исходя из условий работы валков, необходимо обеспечить высокую износостойкость по длине и глубине рабочего слоя при высоких температурах и давлениях, разгаростойкость, статическую и усталостную прочность, постоянство диаметра, чистоту поверхности [1].

К прокатным валкам также предъявляются повышенные требования по макро- и микроструктуре стали, определяющие показатели их эксплуатационной стойкости и надежности. Основные требования к качеству материала регламентируются стандартами [7].

Имеются работы, например [8], решающие проблему повышения эксплуатационной стойкости прокатных валков за счёт технологии эффективного микролегирования стали. Так, при легировании ванадием валковой стали 150ХНМ эвтектоид приобретает более тонкое строение, снижается критическая скорость охлаждения в перлитной области, в результате чего происходит увеличение значений эксплуатационных характеристик и твердости валков.

Однако химический состав сталей не может однозначно определять качество валков горячей прокатки, поскольку сопротивление износу и зарождению трещин зависит и от множества других факторов, определяемых, прежде всего, термической обработкой.

Термическая обработка валков, как правило, является окончательной термообработкой после ковки и состоит из нормализации и длительной выдержки при температуре высокого отпуска. Цель нормализации заключается в снижении внутренних напряжений и измельчении зерна, что приводит к повышению механических свойств.

Особенности термообработки прокатных валков подробно описаны в [3]:

Все виды термообработки стальных валков предусматривают одновре­менно снятие внутренних напряжений, которые особенно велики у валков из стали эвтектоидного состава. Для этого их подвергают медленному нагреву до 550-6500С и выдерживают при этой температуре 6-12 ч. С увеличением диаметра валка и содержания углерода в стали скорость нагрева снижают, а продолжительность выдержки увеличивают.

Наиболее вязкими являются валки из доэвтектоидной стали (0,5-0,8 % С), но их крупнозернистая перлитоферритная структура плохо противостоит истиранию, вызывает прилипание прокатываемого материала к поверхности, что ведет к их быстрому износу. Термической обработкой таких валков можно несколько измельчить зерно, но износостойкость их при этом всё же останется невысокой. Легирование валков эвтектоидного состава хромом и никелем с соответствующим уменьшением содержания углерода упрочняет перлитную матрицу, а применение нормализации при температуре 900-9500С приводит к повышению дисперсности структуры, износостойкости рабочего слоя и прочности валков.

Наибольшее применение имеют литые стальные валки иззаэвтектоидных сталей, как углеродистых, так и легированных (0.9-2,0 %С). Режим термообработки представляет собой комбинации двух-трех периодов нормализации, заканчивающиеся отпуском для снятия внутренних напряжений путем замедленного охлаждения с 600 до 100-1500С.

Для повышения эксплуатационных характеристик прокатных валков применяют также различные методы поверхностного упрочнения [4, 6]. Это индукционная закалка, поверхностное пластическое деформирование, электродуговая, вибродуговая или плазменная наплавка, упрочнение сжатой сканирующей дугой прямого действия и т.п.

Существенным недостатком применяемых в настоящее время спосо­бов обработки поверхности с использованием термического или химико-термического воздействия является их длительность, высокая трудо- и энергоемкость, низкая экологическая защищенность, возникновение коробления деталей.

Некоторые из перечисленных проблем решаются при использовании новых технологических приемов поверхностной обработки путем приме­нения в качестве источника нагрева концентрированных потоков энергии [5].

Наибольшее распространение среди высокоэнергетических методов все больше получает лазерная обработка материалов. По сравнению с другими видами поверхностного упрочнения лазер­ная обработка обладает следующими основными преимуществами [2]: высокой концентрацией энергией, возможностью локального упрочне­ния, отсутствием коробления и дефор­мации деталей, возможностью передачи энергии луча на значительные расстояния. При лазерном термоупрочнении устраняется необхо­димость в закалочных средах, что способствует улучшению усло­вий труда и повышению экологической чистоты производства в целом.

При использовании ла­зерной наплавки изделия, например, опорные прокатные валки могут изготавливать­ся из дешевых, технологичных материалов с высокой вязкостью, а дорогие и дефицитные компоненты расходуются только на создание упрочненного поверхностно­го слоя.

В связи с этим актуальной задачей является получение новых экспериментальных данных о формировании микроструктуры в процессе лазерной обработки при фазовых превращениях в конструкционных и инструментальных сталях в зависимости от исходных матричных структур. Необходимо также установление корреляционных связей механических свойств со структурным состоянием поверхностных слоев материалов после лазерного термического упрочнения и наплавки.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлись образцы из сталей 45, У8А, У10А, 9ХС, ХВГ и Х12Ф с различной исходной структурой - после отжига, нормализации, улучшения. Лазерная обработка проводилась на установке «Латус-31» в непрерывном режиме в интервале плотностей мощности W= 3.0-7.5 кВт/см2. Выбранные режимы соответствовали области гарантированного лазерного упрочнения для исследованных сталей.

Лазерная наплавка стали 45 порошками ПР-10Р6М5 и ПР-17Х5ВЗМФ5С осуществлялась в непрерывном режиме. Порошки подавались в зону действия лазерного луча с помощью специального устройства - питателя.

При исследовании режимов дополнительной лазерной обработки на­плавленных слоев плотность мощности лазерного излучения изменялась от нижней границы диапазона, соответствующего режиму термического упрочнения без оплавления поверхности (W=8-9 кВт/см2) до верхней - режиму наплавки (W= 15-16 кВт/см2 для порошков типа ПГ, и W=22-29 кВт/см2 для порошков типа ПР). На наплавленную поверхность перед обработкой наносилось поглощающее покрытие (жёлтая гуашь).

Комплекс исследований включал изучение микроструктуры сталей после лазерного термоупрочнения и наплавки с помощью оптического и растрового электронного микроскопов, определение твёрдости и микротвёрдости по стандартным методикам.

Результаты исследования и их обсуждение

Поскольку скорости охлаждения при лазерной закалке (103-104С/с) намного превышают критические скорости закалки сталей, то образуется мартенситная структура, обладающая особенной чувствительностью к по­следующему распаду. При этом заметной устойчивостью к самоотпуску обладает лишь высокоуглеродистый пластинчатый мартенсит. В рееч­ном же мартенсите с содержанием углерода менее 0,4 % в процессе γ→α превращения развиваются процессы самоотпуска, снижая тем самымсклонность стали к трещинообразованию.

На поверхности зоны лазерного воздействия при обработке сталей 9ХС и ХВГ располагается слаботравящийся слой, имеющий при малых плотностях мощности излучения (W=2-3 кВт/см2) структуру мартенси­та, остаточного аустенита и карбидов. По мере увеличения плотности мощности лазерного излучения (доW=5-7 кВт/см2) происходит раство­рение цементита и карбидов хрома, вследствие чего насыщение остаточно­го аустенита углеродом и легирующими элементами повышается.

Переходный слой зоны лазерного воздействия у сталей 9ХС и ХВГ состоит из перлитных участков с колониями мартенсита в окружении сет­ки избыточного цементита и карбидов округлой формы. Лазерная обра­ботка стали Х12Ф1 приводит к образованию в верхней части зоны лазер­ного воздействия микроструктуры из мартенсита и значительного количе­ства остаточного аустенита (до 20 %); микротвердость слоя составляет ~ 6000 МПа. Такое низкое значение микротвердости, по-видимому, связано со значительной степенью диссоциации карбидов хрома и насыщением ау­стенита высвободившемся углеродом. При увеличении плотности мощно­сти лазерного излучения толщина слоя возрастает, а микротвердость оста­ется практически на прежнем уровне. Ниже располагается слой, состоящий из более крупноигольчатого мартенсита, значительного коли­чества карбидных частиц, а также остаточного аустенита. Микротвердость этого слоя составляет ~7500 МПа. Еще ниже располагается узкий переход­ный слой, состоящий из перлита и избыточных карбидов; микротвердость его снижается до твердости исходной структуры.

Анализ микроструктуры образцов и распределения микротвердости в зоне лазерного воздействия показывает, что для ини­циирования фазовых превращений в образцах с исходной неравновесной структурой требуется значительно меньше энергии по сравнению со структурами, близкими к равновесным. Это связано с тем, что энергия ла­зерного излучения на крупных зернах расходуется не толь­ко на продвижение фронта фазового превращения вглубь, но и на заверше­ние подготовительных (перед аустенитизацией) процессов. Поэтому для аустенитизации крупнозернистой исходной структуры требуется значительно больше энер­гии, чем для мелкозернистой. Следовательно, с по­вышением дисперсности исходных структур сталей глубина упрочненного слоя увеличивается.

Превращения структур в металлических сплавах при тепловом воз­действии связаны с изменением и движением межфазных и межзеренных границ. При этом скорость миграции границ не может быть произвольной - она лимитируется диффузией на границе раздела фаз (например, при аустенитизации) или, наоборот, не сдерживается диффузией, как в случае рекристаллизации. Поэтому происходящие в сталях при лазерной об­работке различные фазовые превращения и диффузионные процессы и приводят к формированию в поверхностном слое обработанного материала многослойной микроструктуры, отличающейся от традиционных видов микроструктур, формирующихся при обычных термических циклах, используемых при объемном термическом упрочнении.

Это обусловлено более трудными процессами зарождения, обособ­ления и коагулирования легированных карбидных частиц и более медлен­ным их растворением, связанным с диссоциацией карбидов, парциальной диффузией легирующих элементов, выравниванием химического состава аустенита в зависимости от скорости диффузии легирующих элементов и т.д.

Преимущества лазерной наплавки также достигаются за счёт возможностей локального ввода энергии и её высокой концентрации. Толщина наплавленного слоя на поверхности образцов за один проход при мощности лазерной уста­новки 1,0 кВт составляла 0,4-1,5мм.

Анализируя строение зоны лазерной наплавки, можно отметить, что в зависимости от энергетических параметров лазерного излучения возможноосуществление процесса фор­мирования биметаллического соединения с различной степенью прогрева металла основы: от незначительного прогрева до расплавления основного металла в зоне наплавки.

Анализ микроструктуры образцов после лазерной порошковой наплавки показывает, что в процессе наплавки формируется литая структура. Она состоит, либо из дендритной структуры с различной величиной и сте­пенью выраженности дендритов, либо из разнозернистой микроструктуры по всему сечению. Это связано с разными условиями охлаждения и теплоотвода, а именно - с различной степенью переохлаждения расплавленного металла в верхней части наплавленного слоя по сравнению с внутренними. В центральной и нижней частях наплавленного слоя столбчатые дендритыимеют четкую пространственную ориентировку в обратном направлении от основного металла.

В результате нагрева основного металла в процессе лазер­ной наплавки в его микроструктуре формируются три слоя: первый слой - зона полной закалки с мартенситной структурой, второй слой - зона тер­мического влияния со структурой, имеющей признаки как частичной, так и неполной закалки, третий слой - основной металл с исходной структурой.

Анализ микроструктур наплавленных слоев порошками инструмен­тальных сталей до и после дополнительной лазерной обработки на электронном микро­скопе РЭМ-200 подтверждает, что при дополнительной лазерной обработ­ке происходит измельчение структуры наплавленного слоя. Однако при­знаки наследования общей дендритной ориентировки структуры, хоть и незначительно, но все же проявляются. Значения микротвердо­сти по высоте наплавленного слоя после дополнительной лазерной терми­ческой обработки несколько выше и имеют стабильный характер.

Среднее значение микротвердости для слоев, наплавленных порош­ками инструментальных сталей ПР-10Р6М5 и ПР-17Х5ВЗМФ5С, составля­ют соответственно: 9500 и 10400 МПа. Для наплавленных слоев порошками самофлюсующихся сплавов ПГ-СР2 и ПГ-СР4 значения микротвердости 5800; 7800 МПа соответственно.

Таким образом, дополнительная лазерная обработка наплавленных слоев по режимам, близким к режиму наплавки (W=(0,85-0,90)WНапл), при­водит к перекристаллизации и измельчению микроструктуры, а также к повышению стабильности микротвердости по всему сечению наплавлен­ных слоев. При этом, в отличие от объемной термической обработки, ла­зерная обработка более технологична и сохраняются все преимущества лазерной наплавки.

При изготовлении и восстановлении деталей и инструмента требуется создание наплавленных слоев более широких или более высоких по сравнению с геометрическими размерами одиночного слоя, получаемого за один проход при лазерной наплавке. Поэтому изучение структуры и свойств формируемого массивного слоя при лазерной многослойной на­плавке является важной задачей, решение которой расширяет возможности применения этого способа наплавки. Показано, что наиболее рациональным является коэффициент пе­рекрытия Кп=0,6-0,8. В этом случае формируется ровная внешняя наплавляемая поверхность и не происходит значительного прогрева ос­новного металла в зонах сплавления слоев.

Как следует из анализа результатов многослойной наплавки, в зонах сплавления наблюдается повышение уровня микротвердости, что, безусловно, связано с тепловым воздействием на материал каждого предыдущего слоя при нанесении по­следующего. В этих зонах, вследствие интенсивного теплового лазерного воздействия и контакта с расплавленным порошковым материалом, проис­ходит прогрев ранее нанесенного слоя до температур близких к температу­ре лазерной обработки. Это обеспечивает измельчение микроструктуры и превращению ее из литого состояния в термически обработанное.

Выводы

  1. Лазерное термоупрочнение и наплавка являются перспективными технологиями в процессе производства прокатных валков. При этом появляется возможность целенаправленного формирования микроструктуры поверхности изделий за счет ориентированной кристаллизации, локальной химико-термической обработки и, как следствие, получения нового повышенного комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств.
  2. Микротвердость и глубина поверхностного слоя, в котором прошли закалочные процессы, определяется химическим составом стали, режимами предварительной объемной термической обработки и лазерной упрочняющей обработки и зависят от вида исходной структуры.
  3. Микротвердость переходного слоя зоны лазерного воздействия зависит от исходной структуры стали. Фиксируя изменение микротвердо­сти по глубине можно оценить тол­щину зоны отпуска в случае лазерного упрочнения исходных структур, полученных в результате объемной закалки, а также глубину переходной зоны со структурами неполной (частичной) закалки при лазерной обработ­ке отожжённой стали.
  4. Лазерная порошковая наплавка за один проход позволяет формировать поверхностный слой с заданными характеристиками толщиной до 1,5 мм.
  5. Многослойная лазерная наплавка позволяет получать модифицированные слои с геометрическими размерами, определяемыми техническими условиями на изделие.
  6. Проведение дополнительной лазерной обработки изделий с много­слойной наплавкой приводит к выравниванию уровня микротвердости для каждого исследуемого материала по всему продольному сечению поверх­ностного слоя.

Рецензенты:

Чернышов Евгений Александрович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплофизика, автоматизация и экология печей» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.

Пачурин Герман Васильевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Производственная безопасность и экология» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.


Библиографическая ссылка

Гаврилов Г.Н., Костромин С.В., Калинин А.Б., Пейганович В.Н., Ермаков Д.Ю. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=9861 (дата обращения: 26.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074