Определение оптимальных режимов термической обработки валков станов холодной прокатки через исследование их влияния на микроструктуру и свойства заготовки

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(4), 449-459

yflK 669.017.3

Determining the Optimum Conditions for Heat Treatment of Cold Rolling Mill Rolls by Studying Their Influence on the Microstructure and Properties of the Billet

Polina A. Krapivina* and Michael A. Gervasyev

Ural Federal University 19 Mira Str., Yekaterinburg, 620002, Russia

Received 03.02.2018, received in revised form 27.02.2019, accepted 14.04.2019

Quality, reliability, and service durability of mill rolls are critical factors determining the quality offinished products and efficiency of rolling mills. The main problem that arises in the course of production of steel forged mill rolls is selection of reasonable conditions of heat treatment. As far as the size of the grain with an original structure and the pattern of distribution of separate structural components within the billet play a significant role in formation of final properties of the article, the objectives of this work are studying the heat treatment influence on the microstructure and hardness of steel mill rolls and development of reasonable process conditions on the basis of obtained data, in particular: determining the optimum conditions of primary heat treating the cold rolling mill rolls after their forging to reach the homogeneous structure and reduce the carbide grid score and carbide liquation; determining the optimum conditions of secondary thermal treatment of cold rolling mill rolls to provide the hardness within the range of about 300 HB, favorable structure for industrial frequency current hardening and reduction of carbide network score and carbide liquation; determining the hardening temperature, holding time and cooling rate to obtain the optimum structure and hardness within the range of 650-700 HB. Optimization of heat treatment conditions and analysis of steel microstructure have been performed with the application of cylindrical items (diameter 30 mm, height 20 mm) cut from the sample and template. Based on the study findings some microscopic images of steel microstructure after application of certain heat treatment conditions have been made and data on carbide network and current grain evaluation have been obtained.

Keywords: high-alloy steel, phase composition, heat treatment, rolling mill, microstructure.

Citation: Krapivina P. A., Gervasyev M.A. Determining the optimum conditions for heat treatment of cold rolling mill rolls by studying their influence on the microstructure and properties of the billet, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(4), 449-459. DOI: 10.17516/1999-494X-0152.

© Siberian Federal University. All rights reserved

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: e-burg96_polina@mail.ru

Определение оптимальных режимов

термической обработки валков станов холодной прокатки через исследование их влияния на микроструктуру и свойства заготовки

П.А. Крапивина, М.А. Гервасьев

Уральский федеральный университет Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Качество, надежность и долговечность прокатных валков -решающие факторы, определяющие качество готовой продукции и производительность прокатных станов. Основной проблемой, возникающей в процессе производства стальных кованых прокатных валков, признан выбор рациональных режимов термической обработки. Так как значительную роль в формировании конечных свойств изделия играет величина зерна исходной структуры и характер распределения отдельных структурных составляющих в заготовке, целями настоящей работы являются исследование влияния термической обработки на микроструктуру и твердость стальных прокатных валков и разработка на этой основе рациональных технологических режимов, а именно: определение оптимального режима первичной термической обработки после ковки валков холодной прокатки для получения однородной структуры и уменьшения балла карбидной сетки и карбидной ликвации; определение оптимального режима вторичной термической обработки валков холодной прокатки для обеспечения твердости в диапазоне около 300 НВ, благоприятной структуры перед закалкой токами промышленной частоты и уменьшения балла карбидной сетки и карбидной ликвации; определение температуры закалки, времени выдержки и скорости охлаждения для получения оптимальной структуры и твердости в диапазоне 650-700НВ. Отработка режимов термической обработки и анализ микроструктуры стали производились на образцах цилиндрической формы (диаметр 30 мм, высота 20 мм), вырезанных с пробы и темплета. По результатам исследования получены микроскопические снимки микроструктуры стали после каждого режима термической обработки и данные об оценке карбидной сетки и действительного зерна.

Ключевые слова: высоколегированная сталь, фазовый состав, термическая обработка, прокатный валок, микроструктура.

Введение

Прокатные валки в процессе своей работы берут на себя значительное усилие, которое возникает непосредственно при работе всей прокатной линии. Материал валков должен обладать высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, гарантированной твердостью, стойкостью к износу и контактному выкрашиванию. Качество, надежность и долговечность валков являются решающими факторами, определяющими качество продукции и производительность прокатных станов [1].

Для улучшения эксплуатационных характеристик назначаются оптимальные режимы термообработки. В данной работе проведены исследования на марке стали 75ХМФ [2], задачами которых были:

1) определение оптимального режима первичной термической обработки после ковки валков холодной прокатки для получения однородной структуры и уменьшения балла карбидной сетки и карбидной ликвации;

2) определение оптимального режима вторичной термической обработки валков холодной прокатки для обеспечения твердости в диапазоне 250-315 НВ, благоприятной структуры перед закалкой токами промышленной частоты (ТПЧ) и уменьшения балла карбидной сетки и карбидной ликвации;

3) определение температуры закалки, времени выдержки и скорости охлаждения для получения оптимальной структуры и твердости в диапазоне 650-700 НВ.

В связи с тем что качество закаленного слоя в большой степени зависит от характера и состояния исходной структуры, ее, безусловно, необходимо принимать во внимание. Значительную роль играют величина зерна исходной структуры и характер распределения отдельных структурных составляющих [3]. Наиболее благоприятной при закалке ТПЧ является исходная структура в виде сорбита или мелкопластинчатого перлита. Разнородность структуры не обеспечивает удовлетворительные механические и эксплуатационные свойства. Для обеспечения заданных эксплуатационных и механических характеристик наиболее желательно равномерное распределение мелких скоагулированных карбидов, не превышающих 3 балла. Присутствие на бочке валка вторичных карбидов и карбидов в виде пластин, располагающихся по границам зерен, увеличивает ее склонность к хрупкому разрушению.

Материал и методика исследования

Отработка режимов термической обработки производилась на образцах цилиндрической формы (диаметр 30 мм, высота 20 мм), вырезанных с пробы и темплета.

При выборе температуры перекристаллизации необходимо руководствоваться положением точки Ас1, которая зависит от химического состава. Значение точки Ас1 было взято из марочника сталей и сплавов [2] и теоретически рассчитано:

• по марочнику Ас1 = 780 °С;

• теоретическое значение (в зависимости от химического состава) Ас1 = 780,6 °С.

Время выдержки при температуре перекристаллизации зависит от размеров образца и

рассчитывается теоретически. Скорость охлаждения необходимо назначать в соответствии с диаграммой изотермического превращения аустенита в данной стали.

Результаты исследования

Определение оптимального режима

первичной термической обработки после ковки

Для получения структуры как после ковки на образцах был осуществлен отжиг. После отжига были проведены следующие режимы:

1) нормализация при 940-960 °С + нормализация при 840-860 °С + отпуск при 670-690 °С;

2) нормализация при 960-970 °С + нормализация при 850-880 °С + отпуск при 600-620 °С;

3) нормализация при 910 °С + нормализация при 1100 °С + отпуск при 670-690 °С;

4) нормализация при 1100 °С + нормализация при 880 °С + отпуск при 670-690 °С;

5) нормализация при 1100 °С + отпуск при 670-690 °С.

Результаты оценки микроструктуры и балла действительного зерна представлены в табл. 1.

Карбидная ликвация на образцах как в исходном состоянии, так и после термической обработки отсутствовала.

Полученные данные показали, что повышение температуры перекристаллизации до 1100 °С обеспечивает снижение балла карбидной сетки, однако при этом происходит рост действительного зерна и ухудшение структуры.

Таблица 1. Результаты оценки микроструктуры Table 1. Results of microstructure study

Проводимая термическая обработка Карбидна я сетка, балл Микр острукту ра талл действительного зерна

Исходная структура 3,5 Сорбитообразныйи скррггоплрстиичатьш перлит + карбиды (рис. 1) 7

Отжиг ири850 °С (в течение 2,5 Зернистый перлит + карбиды (рис. 2) 8-7

Нормализация при940-960 °С(выд. 30мин)е нормализац0Я9жи84О-О6Ы °С (выд. 20 мин) + отпуск при 670-690 °С (выд. 50 мин) 2,5 Зернистыйиерлмт -Ида-Риды (рис.рр 8-7

Нормализация при 960-970 °С (выд. 1 ч) + нармализод9я прж450-88ы тС (вы°.°0 мин) + отпу ск ото 6Р0- 62Т°С(выд.8,0 ч) 2,5 Зернистый перли + карбиды (рис. 4) 8-7

Нормалииащыя при 910 °С (выд. 1 ч) + Н0ри90и3960яжри 1Т90°0(выд. 1ч) + нармси при 690о696°С(выы.С5ч) 2,0 Бесструктурный и зернистьш педбот бдарбидж (рж. 5) 4-6

Нормализация про 1Р00 °С)выв.1ч)е нормализация при 880 °С (выд. 1 ч) + отпуск при 670-690 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Бесструите-ный в зернистый перлит + карбиды (рис. 6) 4-5

НзрмааожациягфиШО °в (оьвдЛч) -Iм пмпуск прб 670-Т90°С(вчвд.1,5 ч) 2,0 Бесструьрр]эныйб зернистьш пертиг + кьдбиды (рис. 70 4-6

Рис. 1. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ в исходном состоянии

Fig. 1. The microstructure of a sample of 1.2067 steel in the initial state

Рис. 2. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после отжига

Fig. 2. The microstructure of a sample of 1.2067 steel after annealing

Рис. 3. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термической обработки

Fig.3.The microstructure of a sample of 1.2067 steel after heat treatment

Рис. 4. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термической обработки

Fig. 4. The microstructure of a sample of 1.2067 steel afterheat treatment

Рис. 5. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термической обработки

Fig. 5. The microstructure of a sample of 1.2067 steel after heat treatment

Рис. 6. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термическойобработки

Fig. 6. The microstructure of a sample of 1.2067 steel after heat treatment

Poc.A. Микроструктура образцов из стали75ХМФпосле термическойобработки

Определение оптимального режима вторичной термической обработки

Наиболее желательной при закалке ТПЧ является исходная структура в виде сорбита или мелкопластинчатого перлита, что соответствует твердости 250-315 НВ. С этой целью после отжига на образцах целесообразно проводить сорбитизацию. Сорбитизация проводилась с температуры 860, 880, 900 °С + отпуск при температуре 570 °С.

Результаты оценки микроструктуры и балла действительного зерна представлены в табл. 2.

Таблица 2. Р езультатыоценки микроструктуры Table 2. Results of microstructure study

Проводимая термирескеаобработка Карбидная се ткж, балл КТпсросгруктура Балл действительного зерна

Отжиг при 850 °С(в течение 2 ч) 2,5 Зернистый перлит + карбиды (рис. 2) 8-7

Сорбитизация с температуры 8600 °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 8) 8-7

Сорбитизация с температуры 880 °С Гвтвд.1 ч) +оапусквфР 5к0°С(выдЛ,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 9) 8-7

СжЖигврацияс темпераокры9в0°д (выд. Г ч)и одпусо при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 СоуТит + карбиды (рис. 10) 8-7

Рис. 8. Микроструктураобразцов из стали75ХМФ после термической обработки

Fig. 8. Themicrostructure ofasampleof 1.2067 steel after heat treatment

Рис. 9. Микроструктура образцов из стали75ХМФ послетермической обработки

Fig. 9. Themierostructure of a sample of 1.2067 steel after heat treatment

Рис. 10. Микроструктура образцов изстали75ХМФ после термическойобработки

На других образцах после термообработки проведена вторичная термообработка - нормализация при 960-970 °С + нормализацияпри850-880 °С + отпускпри600-620 °С.

Результаты оценки микроструктуры и балла действительного зерна отражены в табл. 3.

На следующих образцах после термообработки проведена сорбитизация с температуры 860, 880, 900 °С + отпуск при температуре 570 °С.

Таблица 3. Результаты оценки микроструктуры

Table 3. Results of microstructure study

Проводимая термическая обработка Карбидная сетка,балл Микроструктура Балл действительного зерна

Нормализация при 940-960°С(выд. 30 мин) + нормализация при840-860°С (выд. 20 мин) + отпуск при 670-690°С-выд. 50 мин) 2а Зекнибтый перлит + сарбкды-рис. 3) 8-7

Нормализация при 960-970 °С (выд. 1 ч) + нормализация при 850-880 °С (выд. 20 мин) + отпуск при 600-620 °С(выд. 4,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис.11) Н-7

Рис. 11. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термической обработки

Результаты оценки микроструктуры и балла действительного зерна представлены в табл. 4.

Еще на одних образцах после термообработки проведена сорбитизация с температуры 860, 880, 900 °С + отпуск при температуре 570 °С.

Таблица 4. Результаты оценки микроструктуры

Table 4. Results of microstructure study

Проводимая термическая обработка Карбидная сетка, балл Микроструктура Балл действительного зерна

Нормализация при 940-960 °С (выд. 30 мин) + нормализация при 840-860 °С (выд. 20 мин) + отпуск при 670-690 °С (выд. 50 мин) 2,5 Зернистый перлит + карбиды (рис. 3) 8-7

Сорбитизация с температуры 860 °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 12) 8-7

Сорбитизация с температуры 880 °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 13) 8-7

Сорбитизация с температуры 900 °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 14) 8-7

Рис. 12. Микроструктура образцов из стали Рис. 13. Микроструктура образцов из стали

75ХМФ после термической обработки

Fig. 12. The microstructure of a sample of 1.2067 steel Fig. 13. The microstructure of a sample of 1.2067 steel

after heat treatment

Рис. 14. Микроструктура образцов изстали75ХМФпослетермической обработки

Результаты оценки микроструктуры и балла действительного зерна представлены в табл. 5.

При проведении сорбитизации с температуры 900 °С на образцах образовывались трещины по поверхности. Таким образом, наиболее оптимальная температура сорбитизации 860 °С.

Таблица 5. Результаты оценкимикроструктуры Table 5. Results of microstructurestudy

Проводимая термическая обработка Карбидн ая сетиаыбмлл Микроструктура Балл действительного оертт

Нормализация при 960-970°С(выд. 1 ч) + нормализация при 850-880 °С(выд. 20 мин) + отпуск при 600-6Ы0°С(выд.4,5 ч) 2,5 ые]:шистый перлит + карбиды (рис.4) 8-7

Сорбитизация с температуры 86Ы °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С8выд. (,Ыч) 2,е Ымрбит + карбиды (ррс.1ЫЫ 8-7

Сорбитизация с температуыы880°С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С8выд. (,Ыч) 2ы0 Сррбиы + карЛиды Ыы>мс. 16) 8-7

Сорбитизация с температуры 90Ы °С (выд. 1 ч) + отпуск при 570 °С (выд. 1,5 ч) 2,0 Сорбит + карбиды (рис. 17) 8-7

Рис. 15. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ Рис. 16. Микроструктура образцов из стали

после термической обработки

Fig. 15. The microstructure of a sample of 1.2067 steel Fig. 16. The microstructure of a sample of 1.2067 steel

after heat treatment

Рис. 17. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ по еле термической обработки

Определение температуры закалки, времени еыдермски

и скорости охлаждения

На образцах, прошедших первичную и вторичную термическую обработку, были проведены режимы закалки с выдержкой 1 ч:

• закалка в холодную воду с температуры 860 °С;

• закалка в холодную воду с температуры 880 °С;

• закалка в холодную воду с температуры 900 °С;

• закалкав холоднуюводу сте мпературы920 °С;

• закалка в холоднуюводу стемпературы950 °С.

Результаты оценкр диквоструктуры и Далла дрйствительпого зерта отражены в таВл. 9.

Анализируя полученные результаты,можносделатьвывод,что гагрдв под закалку ТПЧ необходимонроиьводить дотемзерутдрае 90а °СТ. Дллаждынве с тиыпаротрр здкааты должно бытьускорсдным, а значит, холодной водой (температура воды 15 °С и ниже), так как ускоренное охлаждеимеобеспечивает пднучепие сдхлптуеымавтонсиеилотроосдемавтенситс твер-дастьд ^^Ок^^ОМ^^.

Таблица б.Результатыоценкимикроструктуры Table ô.Results of microstructure study

Режим закалки Микрортрукгыро Твердость, Hfi

Закалка в холодную воду с температуры 860 °С Троостомартенсит + карбиды Ррис.18) 606-637

Закалкавхолодную воду с температуры 880 °С Троостомартенсит + карбиды (рис. 19) 637-645

Закалкавхолодную воду с температурыВЛ0°С Мартенсит + троостомартенсит + карбиды (рис. 20) 645-665

Закалка в холодную воду с температуры 920 °С Тркостонартен сит + ос таточрьш ауртеркукыррбиды(рис.21) 576-637

Закалка в холодную воду с температуры 950 °С Тркостонартенсит + оттаточныр ау+т енк[у к ыррбиды(рис.С2) 613-641

^л' шТ»" ... t

tf I

Рис. 18. Микроструктура образцов из стали Рис. 19. Микростроктураобразцовизсоали75ХМФ

75ХМФ после термической обработки

Fig. 18. The microstructure of a sample of 1.2067 steel Fig.19.Themicrpotructure ofai sample ofl.2067steel

after heat treatment

Рис. 20. Микроструктура образцов из стали 75ХМФ после термической обработки

Fig. 20. The microstructure of a sample of 1.2067 steel after heat treatment

Рис. 21. Мик рострукту p аобразцов из стали75ХМФ после термической обработки

Fig. 21. Themicrootructure ofa stmpk ofl.2067 steel after heat treatment

Рис. 22. Микроструктура образцов изсталп75ХМФ посхетермичеекойобро7оски

5^офт к литерат уры

[1] Гедеон М.В. Термичаотттв обраСоткт валкоехоеодхтепротФтоФ. М.: Метвллоргия,1973. 344 с. [Gedeon M.V. ThermaiOreotment of coOd гоЯ/'ихоо/С.Мтхстй, 1970.0Я4 р.^^иС s scan)].

[2] Сорокин В.Г, Героасьтв М.А. Cmали осктавы.Матохник: Сооав.олсе. М.: Ихеурмет Инжиниринг, 2001. 382 с.[8огскт 055й,РеисахуеуМ.А..е1е<Х.5- anfslloys.Databasе: Reference edition. Moscow, 2001. 382 p. (in Russian)].

[3] Третьяков A.B. Валки обжимных,сортовыхилистовых станов. М.: Интернет инжиниринг, 1999. 80 с. [Tretyatov A.V.Oa//s of crimping,sortingand sheetmills.Moaow,1999.80 p. (in Russian)].