книги из ГПНТБ / Контактное взаимодействие металла и инструмента при прокатке

объясняется приработкой рабочих и опорных валков й образованием оптимальной чистоты контактирующих поверхностей [10]. При этом наблюдается уменьшение износа, а следовательно, и коэффициента трения;

На третьей стадии износа значительно возрастает его неравно­ мерность и интенсивность по мере увеличения количества прокатан­ ного металла. Особенно ярко это выражено у кромок полосы из-за повышенной величины давления [48] и развитого скольжения ме­ талла относительно валков (см. рис. 101). Аналогичное явление наблюдается и на станах горячей прокатки [5], где оно усугубляется

Рнс. 104. Динамика изменения относительного износа рабочих (/) и опорных (2) валков стана 2500 в зависимости от числа циклов N их работы (штриховкой показано поле рассея­ ния результатов). I —/ / / — этапы износа рабочего (р) н опорного (оп) валков

абразивным действием окалины, образующейся вследствие подстуживания кромок полосы. Возрастание интенсивности износа на третьем этапе вызвано усталостными явлениями, которые развиваются в тон­ ких поверхностных слоях и вызывают вырывание и отслоение ме­ талла с поверхности.

Вэтом случае контактное взаимодействие прокатанного металла

ивалка наиболее близко к процессу полирования, что подтверждается исследованиями автора [103]. В результате образуется поверхность с параметрами шероховатости, способствующими снижению износа

вследствие уменьшения коэффициента трения. Однако из-за неравно­ мерности износа по длине бочки и времени, необходимого для даль­ нейшей приработки, процесс прокатки становится неустойчивым, и, как правило, третий период служит сигналом к окончанию кам­ пании и перешлифовке валков.

Рассмотрим количественные и качественные показатели износа опорных валков. Установлено, что характер износа опорных валков отличается от характера износа^абочих валков. Максимум износа, как показано на рис. 105, приходится на середину длины бочки, а его распределение соответствует распределению межвалкового дав-

151

Ленин при данном отношении диаметра бочки к длине валка [51. Величина относительного износа опорных валков в первом периоде эксплуатации линейно зависит от числа оборотов. При дальнейшей работе опорных валков относительное искажение профиля остается постоянным и в среднем составляет 15— 18% .

Валки выходят из строя в основном из-за выкрашивания поверх­ ности бочки, которое приводит к контакту не по всей длине бочки.

В

L

Рис. 105. Типовой профиль износа опорных валков

Помимо этого, контакт частично может быть нарушен вследствие преимущественного износа средних участков бочки и образования зазора между рабочими и опорными валками. Было установлено, что характер и величина износа зависят от исходной твердости валка.

Так, валки с исходной твердостью 70 HSh изнашиваются в два раза меньше, чем валки с твердостью 56 HSh. При этом чем меньше твердость в исходном состоянии, тем больше упрочняется материал бочки на поверхности и на некоторой глубине, а распределение твер­ дости по длине бочки соответствует характеру межвалкового давления.

Влияние исходной твердости опорных валков на выход их из строя из-за выкрашивания видно из следующих данных:

Как следует из представленных данных, валки с твердостью 45— 57 HSh выходят из строя из-за выкрашивания во всех случаях. Одно­ временно замечено, что выкрашиванию предшествует износ и упроч­ нение металла в поверхностных слоях.

152

При исходной твердости валков —70 HSh наблюдается значи­ тельно меньший износ и склонность к выкрошиванию. По И. В. Крагельскому, для поверхностей, которые испытали значительный износ, а значит, и действие интенсивных касательных напряжений, харак­ терно упрочнение поверхностных слоев на поверхности контакта и на определенной глубине (рис. 106). Аналогичное явление наблю­ дается и для поверхностных слоев опорных валков. Как следует из представленных данных, чем выше исходная твердость материала валка, тем меньше он подвержен наклепу. Относительный износ остается на постоянном уровне, так как достигнутое вследствие упроч-

нения распределение твердости поверхности валка обеспечивает большую его равномерность и снижает интенсивность его роста. Распределение твердости по образующей бочки валка соответствует характеру межвалкового давления.

Однако упрочнение по глубине активного слоя валка неравно­ мерно. Максимальное значение упрочнения наблюдается на некото­ рой глубине д0, соизмеримой с шириной площадки контакта Ь (рис. 107). Микротвердость на выкрошенных участках и на отобран­ ных .темплетах достигала максимального значения 450 кге/мм2, что на 150—200 кге/мм2 больше, чем в других областях приконтактной зоны. Таким образом, при достижении определенной степени упроч­ нения (микротвердость поверхности на 150—200 кге/мм2 больше основного ее значения) поверхностные слои валка разрушаются. При определенных условиях износ поверхности истиранием перехо­ дит в выкрашивание, что характеризует третий этап износа, когда опорные валки подлежат переточке.

Расчетами установлено, что глубина залегания у0, максимально скалывающих напряжений ттах обратно пропорциональна вели­ чине неравномерности нагрузки pmaJpcp'.

У0 Pcp^Pmaxi

153

Ртах» Рср — соответственно максимальное и среднее нормальное давление.

Значение тшах рассчитывают по формуле

где

Ртах — 1 -f- 5,34/,ср-

Рср

При сопоставлении кривых распределения микротвердости и безразмерных значений максимальных скалывающих напряжений в контактной области (см. рис. 107) можно отметить их удовлетвори­ тельное совпадение. Следовательно, использование расчетного ме­ тода позволит прогнозировать интенсивность упрочнения и глубину залегания слоев с 'максимальным наклепом, правильно выбрать режим планово-предупредительных переточек опорных валков. В со­ ответствии с проведенными исследованиями рекомендуется перета­ чивать опорные валки после 0,8 -106 циклов работы на глубину 1гп =

=1,2уф (см. рис. 104).

3.ПЕРЕДАЧА МИКРОРЕЛЬЕФА С ПОВЕРХНОСТИ ВАЛКОВ НА ПОЛОСУ

Определение оптимальной шероховатости валков имеет важное практическое значение для того, чтобы обеспечить устойчивую пере­ дачу их микрорельефа полосе и сохранить исходную шероховатость валков в течение всей кампании.

Шероховатость полосы зависит главным образом от механических свойств материала валков и полосы микрогеометрии валков и усло­ вий дрессировки.

Рассмотрим результаты исследования 1 влияния обработки вал­ ков (шлифовки, полировки и насечки), режимов дрессировки (сте­ пени деформации, скорости дрессировки), массы прокатанного ме­ талла на шероховатость полосы (среднеарифметическое отклонение от средней линии профиля Ra), пик Кп, высоту неровностей (Rz) и глубину лунки по Эриксену (IE).

Работу проводили на дрессировочном стане 1700 цеха холодной прокатки ждановского металлургического завода им. Ильича с ис­ пользованием методов математического планирования эксперимента. Это позволило значительно сократить число экспериментов, а также определить долю влияния каждого фактора на передачу микро­ рельефа с валка на полосу и таким образом выявить наиболее эффек­ тивные из них.

1 Исследование выполнено совместно с А. Е. Титляновым.

154

' Диапазон изменения рассматриваемых факторов следующий:

ДЧК-1,5 мм, воздух подавался под давлением 3,5—5 ат. С насе­ ченных валков делали протакриловые слепки для определения шеро­ ховатости валка на стационарном профилографе-профилометре мо­ дели 201.

Шероховатость образцов, отобранных за агрегатом поперечной резки, измеряли вдоль и поперек направления прокатки (по 10 и более замеров в разных точках образца).

В результате обработки были получены зависимости изменения параметров шероховатости от выбранных факторов (рис. 108).'

Rz = —42,33 + 47,94е + 30.05Я + 3,37о —

— 32,91еЯ — 3,33w — 2,28HV + 2,34еЯУ;

КП = —67,14 — 11,42е — ЗОЯ — 4,48ц + 0,85еК +

+ 8,3е/г— 0,02Нп + 0,01Я/г.

При G — 400 т, ц = 15 м/с:

Ra = 0,92 + 0,21е + 0,09НР\

Rz - 5,88 — 1,4е — 0,36Р + 0,27Яе — 0,47еР;

155

Число проходов п

1 — новых; 2 — старых

фовке образуется тонкий (примерно 40—20 мкм) слой пониженной твердости, в результате чего получившиеся выступы легко под­ даются разбиению при последующих проходах на более мелкие, Ra снижается. Число пиков на единицу длины профиля при этом увели­ чивается. Насечка полированных валков за 6 и 8 проходов приво­ дит к увеличению Ra (рис. ПО). Вследствие полировки снимается вышеупомянутый тонкий слой и образование микрорельефа (повы­ шение Ra и КП после 6 проходов) идет вследствие насечки новых участков поверхности валка.

В процессе эксплуатации валков дрессировочного стана шерохо­ ватость их значительно уменьшается (рис. 111), причем для шлифо­ ванных перед насечкой валков Ra снижается сразу с началом про­ катки, а для полированных — сохраняется некоторое время по­ стоянная микрогеометрия (примерно при дрессировке до 300 т металла). Изменение микрогеометрии валка в процессе дрессировки приводит к изменению микрогеометрии полосы (рис. 112), так как твердость полосы на порядок ниже твердости валка, то последний определяет ее шероховатость. Вследствие этого из анализа этих данных (см. рис. 109— 112) можно сделать заключение, что эксплуа­ тация предварительно полированных и затем насеченных за 6 про­ ходов валков способствует более плавному и в то же время незна-

156

Чйтельному изменению Ra и IE. Как оказалось, шероховатость Ra =

=0,9-ч-1,0 мкм соответствует минимальному коэффициенту трения,

аследовательно, и минимальному износу.

вливания лунки по Эриксену. Она повышается примерно на 0,5 мм

для толщины. 1,5 мм по сравнению с результатами, полученными на шлифованых перед насечкой валках. При этом на всем протяже­ нии работы валков за одну установку в клеть получается металл

Рис. 112. Влияние шлифов­ ки (/) и полировки (2) перед насечкой (5 проходов) на па­ раметры шероховатости (Яа .

КП) н штампуемость (/£ )

/ £ ; сплошные — Ra \ штрихпунктирные — КП

Б. т

группы ВГ. Это объясняется влиянием числа пиков, количество которых значительно увеличивается при дрессировке металла на валках, полированных перед насечкой. Данные режимы подготовки валков и дрессировки обеспечивают наименьший износ инструмента

157

(валков) и соответственно стабильность передачи микрогеомётрим

свалка на полосу.

Врезультате исследований установлено, что предварительная полировка рабочих валков перед насечкой способствует улучшению их микрорельефа и стабильности передачи его полосе при дресси­ ровке. Дрессировка металла в валках, полированных перед насеч­ кой, позволяет получать лист с более высокой чистотой поверхности

иштампуемости при одних и тех же обжатиях и массе прокатанного металла.

Предварительная полировка валков до чистоты поверхности V8— 9 и их насечка за 6 проходов чугунной колотой дробью 1,5 мм (ДЧК-1,5) дает возможность получить на новых валках (Ra = 0,8-г- -г-1,6 мкм и КП = 50 ГОСТ 9045—70) примерно 150 т металла толщи­ ной Я = 1,5 мм 1-й группы поверхности.

Полученные зависимости, связывающие параметры шерохова­ тости (Ra, Rz, КП) и штампуемости (IE) полосы с режимами обра­ ботки валков (шлифовка, полировка и насечка), режимом дресси­ ровки, сортаментом и массой прокатанного металла, могут быть использованы для непрерывного контроля шероховатости и штампуе­ мости полосы после дрессировки, что значительно сократит число испытаний.

4. СХВАТЫВАНИЕ НА КОНТАКТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛОСА—ВАЛОК ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ

Одна из основных причин, способствующих снижению стойкости валков,— образование наваров на их поверхности [10].

Навары, как правило, возникают в результате нарушения уста­ новившегося процесса прокатки на стане. Эти нарушения могут быть вызваны неудовлетворительным качеством подката, разрывом полосы по сварному соединению, резким изменением натяжения между клетями и др. [5].

Сваривание прокатываемой полосы с металлом валка происходит вследствие появления перед входом в зев валков складки (толщи­ ной, превышающей исходную в 2—3 раза), которая начинает втяги­ ваться в очаг деформации. В этот момент резко увеличиваются угол захвата, протяженность очага деформации и давление прокатки. С ростом давления смазка, находящаяся между валком и прокаты­ ваемым металлом, выдавливается, температура в очаге деформации резко повышается, что способствует интенсификации процесса схватывания металла валка с металлом прокатываемой полосы.

Изучение структуры металла валка (сталь 9X2) под наваром по­ казало, цто' на этом участке образуется зона вторичной закалки, распространяющаяся непосредственно от границы между наваром и металлом валка на глубину 0,03—0,05 мм. Эта зона представляет собой область мартенситной структуры, которая образуется в ре­ зультате разогрева поверхности валка и большой скорости охла­ ждения. Под зоной вторичной закалки образуется зона вторичного отпуска.

158

Изменение микротвердости, ширины линии (110)а и площади линии (200)v показало, что наваривание полосы приводит к суще­ ственным изменениям микроструктуры валка. Максимальные изме­ нения в структуре происходят на глубине от 0,05 до 0,20 мм.-Зона вторичного отпуска характеризуется интенсивным распадом оста­ точного аустенита, количество которого уменьшается в 5 раз. При этом резко увеличивается объем металла и значительно возрастают внутренние напряжения, что является одной из причин появлениятрещин на поверхности валка под наваром.

Общая глубина зоны отпуска над наваром значительно превышает глубину зоны вторичной закалки и составляет 5—6 мм.

Результаты расчета температуры валка под наваром подтвер­ ждают выводы, сделанные на основе структурного анализа [10]. Разогрев валка до температуры, превышающей Ас3, происходит на глубине до 0,05 мм (зона вторичной закалки). В этой зоне наблюдается наиболее высокий уровень микротвердости; резкое падение микро­ твердости в зоне максимального отпуска происходит на глубине от 0,05 до 0,2 мм, где температура валка изменяется от 900 до 600° С. Дальнейшее понижение температуры до 300° С на глубине 1 мм приводит к менее интенсивному отпуску, В этом районе повышается микротвердость, увеличивается ширина линий (110)а и количество остаточного аустенита. На глубине 5 мм температура не превы­ шает 150—200° С независимо от того, наварен валок в этом месте или нет.

Следовательно, изучение структурных превращений под наваром позволяет сделать вывод о том, что область термического влияния навара на структуру металла валка распространяется на глубину до 5—6 мм по радиусу (при радиусе валка, равном 250 мм).

При сваривании прокатываемой полосы с металлом валка отме­ чается схватывание второго рода — или тепловой износ, возникаю­ щий при больших скоростях относительного перемещения поверх­ ностей трения или при высоких давлениях прокатки. Для протека­ ния этого процесса необходимо развитие критических температур, при которых происходит разупрочнение поверхностных слоев ме­ талла. В результате облегчается пластическая деформация тончай­ ших поверхностных слоев, разрушаются адсорбированные пленки, что облегчает сближение ювениальных поверхностей и образование металлических связей [10, 103]. Температура поверхностных слоев стали при этом может достигнуть 800—900° С, а максимальная тем­ пература может доходить до температуры плавления [10]. Стали, обладающие большой теплоустойчивостью, сохраняют свои меха­ нические свойства при высоких температурах и хорошб сопроти­ вляются схватыванию II рода [10, 103]. Структурные превращения в контактирующих металлах, протекающие при тепловом износе, имеют тот же характер, что и превращения, наблюдавшиеся при образовании наваров.

В работах [10, 103] было показано, что непосредственно за зоной контакта наблюдалась зона вторичной закалки, которая на опреде­ ленной глубине сменялась зоной отпуска, причем глубина этих зон

159

существенно зависит от скорости относительного перемещения контактирующих поверхностей и от давления.

Изучение структуры навара на валках холодной прокатки и навара, образовавшегося при испытаниях на схватывание стали 9Х (см. ниже, раздел 5), также подтвердило, что в обоих случаях проис­ ходят одинаковые структурные превращения. Величина зерна и степень деформации существенно меняются на разном расстоянии от зоны схватывания. На достаточном удалении от этой зоны зерна имеют несколько вытянутую форму с ярко выраженными полосами скольжения. Степень деформации возрастает по мере приближения к зоне схватывания, и на расстоянии, несколько превышающем 0,1 мм,

равноосных зерен. В этой области происходит рекристаллизация металла в результате возникновения' в зоне схватывания высоких температур.

Склонность металлов к схватыванию определяется целым рядом факторов, основными из которых при прочих равных условиях являются прочностные свойства и качество механической обработки поверхностей трущихся деталей:

В работах [10, 103] отмечено, что склонность металлов к схва­ тыванию II рода обусловлена степенью их теплоустойчивости. Чем больше теплоустойчивость стали, тем выше та критическая темпера­ тура, при которой материал будет достаточно пластичен для сближе­ ния ювениальных поверхностей и образования металлических связей. Процесс схватывания контактирующих металлов обусловлен выхо­

й трансляции связей между соединяемыми металлами за время порядка 10_3— 10-4 с [10].

Согласно современным представлениям о природе процесса схва­ тывания [103], необходимым условием для образования первых мостиков схватывания между трущимися деталями является пласти­ ческая деформация поверхностных микрослоев обоих металлов. При сварке разнородных металлов с сильно различающимся сопроти­ влением пластической деформации (например, при наваривании прокатываемой полосы на валок) процесс схватывания лимитируется процессом активизации более твердого металла, т. е. пластической деформацией поверхностных микрослоев валка. Следовательно, по­ верхностное упрочнение валков и повышение качества механической обработки поверхности должно способствовать снижению склонности валков холодной прокатки к схватыванию.

Перспективным методом упрочнения валков является высоко­ температурная термомеханическая поверхностная обработка (ВТМПО), которая способствует значительному увеличению проч­ ности при сохранении того же уровня пластичности, что и при обыч­ ной закалке [10]. Так, благодаря термомеханической обработке

№0