БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ РОЛИК

Полезная модель относится к металлургии, а именно к деталям и узлам металлургических машин, биметаллические ролики могут использоваться в станах горячей прокатки, в нагревательных печах и других машинах для прокатки, поддержки и транспортировки горячего материала.
Актуальной является проблема повышения их эксплуатационного ресурса и снижения стоимости, так как эти характеристики существенно влияют на экономические показатели прокатки металла. Ролики металлургических машин, в частности, станов горячей прокатки, работают под воздействием высоких динамических нагрузок, в контакте с горячим металлом, что приводит к периодическому нагреву поверхности до высоких температур (порядка 1050°С) с последующим охлаждением, что обуславливает интенсивный износ поверхности. Поэтому к роликам предъявляются высокие требования по стойкости к износу, ударным нагрузкам и термоциклированию.
Известен ролик, используемый в металлургическом производстве, в котором на корпус ролика методом наплавки наносится слой износостойкого материала, состоящий из примыкающих друг к другу наплавленных валиков, нанесенных волнообразно. Наплавленный слой обрабатывается механически до шероховатости поверхности Rmax 6,3 мкм. Наплавка по волнообразной траектории позволяет снизить уровень остаточных напряжений в поверхностном слое и минимизировать образование трещин, возникающих при быстром нагревании и охлаждении (Патент DE 3223908, МПК В21В 27/00, опубл. 21.01.1988 г.).
При эксплуатации такого ролика зарождение температурных микротрещин на поверхности происходит не в каком-то определенном направлении, а хаотично. Данные дефекты ухудшают качество металлопроката и создают риск разрушения ролика. После определенного периода эксплуатации за счет износа шероховатость поверхности увеличивается и развитие микротрещин на поверхности происходит более интенсивно. Недостатком является и то, что при создании износостойкого слоя в таком ролике не могут быть использованы непластичные твердые сплавы.
Наиболее близким к предложенному является ролик, в котором методом наплавки на основу ролика из углеродистой стали нанесено износостойкое покрытие из легированной стали толщиной не менее 4 мм, содержащее мас. %: 0,06-0,14 углерода, а также легирующие элементы: 12,5-14,0 хрома, 3,4-4,5 никеля, 0,10-0,18 ниобия, 0,6-1,0 молибдена, 0,7 кремния, которые увеличивают стойкость ролика при высоких температурах (Патент РФ №2499654, МПК В23К 35/02, опубл. 27.11.2013 г.).
Однако, при наплавке материалов на основе железа неизбежным является образование дельта-феррита (до 10%), который уменьшает стойкость к межкристаллитной коррозии и формирование анизотропии свойств. Использование таких роликов в горячей прокатке также ограничивается тем, что слой материала с невысокой твердостью (44-50 HRC) деформируется под воздействием высокого контактного давления и ударных нагрузок, отпечатки дефектов, образовавшихся в процессе эксплуатации, переносятся на поверхность прокатываемого металла, что приводит к образованию брака.
Задачей заявляемой полезной моделью является создание биметаллического ролика с повышенным эксплуатационным ресурсом, позволяющим при этом экономить дорогостоящие материалы при его производстве, снижать его стоимость за счет использования свойств различных материалов в биметаллическом ролике, когда наружный слой выполнен из материала, имеющего высокую твердость и износостойкость, а внутренний слой выполнен из конструкционной стали, имеющей высокую усталостную прочность и стойкость к ударным нагрузкам.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.
Биметаллический ролик, содержит корпус, выполненный из двух слоев: металлического внутреннего и износостойкого внешнего из порошковой быстрорежущей стали, соединенных неразъемно между собой, при этом наружная поверхность внутреннего слоя покрыта медью, а внешний слой имеет следующий состав, мас. %:
углерод
0,7-1,5
хром
3,0-4,5
вольфрам
5,5-19,0
молибден
1,0-5,5
кремний
0,2-0,5
ванадий
1,0-5,0
кобальт
не более 11,0
железо
остальное,
длина внешнего слоя корпуса из износостойкого материала превышает длину металлического внутреннего слоя корпуса на величину, позволяющую посадить корпус ролика на подшипник внутренней поверхностью износостойкого слоя на наружную поверхность внешнего кольца подшипника, а отношение толщины внешнего слоя к толщине внутреннего слоя составляет не менее 0,25. Внешний износостойкий слой и металлический внутренний слой могут быть получены методом горячего изостатического прессования или методом горячей экструзии.
Биметаллический ролик предназначен для прокатки, поддержки и транспортировки горячего материала. В качестве внутреннего слоя корпуса ролика используется цилиндрическая заготовка из углеродистой или низколегированной стали, стоимость которой значительно меньше по сравнению с высоколегированной сталью. Изготовление биметаллического ролика осуществляется путем создания наружного слоя из износостойкого материала, в качество которого используется порошковая быстрорежущая сталь следующего состава, мас. %:
углерод
0,7-1,5
хром
3,0-4,5
вольфрам
5,5-19,0
молибден
1,0-5,5
кремний
0,2-0,5
ванадий
1,0-5,0
кобальт
не более 11,0
Данный материал имеет повышенную стойкость к ударным нагрузкам и высоким температурам, обладает лучшим сопротивлением износу. В качестве порошковой быстрорежущей стали возможно использование вторичных материалов - порошка быстрорежущей стали, изготовленного из отработанного инструмента и стружки.
Изготовление предлагаемого ролика роликов осуществляется из биметаллической заготовки. Заготовка получается следующим образом: в капсуле-обечайке (тонкостенная оболочка с крышками), размеры которой зависят от выбора технологии (горячая экструзия (ГЭ) или газовое изостатическое прессование (ГИП)) устанавливается центральный стержень, служащий в дальнейшем внутренним металлическим слоем корпуса биметаллического ролика. Перед установкой в капсулу на стержень наносится медь, которая способствует увеличению адгезионной прочности сцепления внутреннего и внешнего слоев после ГИП или ГЭ примерно на 30%. В капсулу-обечайку засыпается порошок быстрорежущей стали предлагаемого состава и капсула заваривается, затем осуществляется или горячее изостатическое прессование капсулы (ГИП), или горячая экструзия (ГЭ). В процессе ГИП либо ГЭ под воздействием высокого давления и температуры износостойкий материал компактируется, при этом образуется прочный контакт со стержнем. Данные процессы протекают при высоких давлениях (порядка 100 МПа) и температурах 1150-1200°С, что позволяет сформировать внешний износостойкий слой корпуса ролика практически без остаточной пористости, с высокой твердостью, стойкостью к ударным нагрузкам и появлению трещин. Металлургическая связь между внешним и внутренним слоями обеспечивает необходимую прочность и жесткость ролика, работающего под воздействием высоких механических нагрузок. В дальнейшем, производится термообработка биметаллического ролика для уменьшения уровня фазовых напряжений и предотвращения образования трещин, затем механическая обработка. Отсутствие характерных для наплавки пор, оксидных пленок и неметаллических включений позволяет избежать образования концентраторов напряжений.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено: Фиг. 1 - разрез ролика с известной посадкой его на подшипник (прототип); Фиг. 2 - разрез ролика с предлагаемой посадкой его на подшипник. Биметаллический ролик содержит корпус, состоящий из наружного износостойкого слоя 1, внутреннего слоя 2 из конструкционной, низколегированной или инструментальной стали. Посадка ролика в узле крепления осуществляется на подшипник 3, установленный на оси ролика 4.
Отличительной особенностью конструкции является то, что длина внешнего слоя 1 корпуса из износостойкого материала превышает длину металлического внутреннего слоя 2 корпуса на величину, позволяющую посадить корпус биметаллического ролика на подшипник 3 внутренней поверхностью износостойкого слоя 1 на наружную поверхность внешнего кольца подшипника 3.
1
2
Место сопряжения ролика с подшипником 5 является зоной высокой концентрации напряжений в металле от воспринимаемых в процессе эксплуатации нагрузок. В них также возникают максимальные внутренние напряжения при термоциклировании за счет разности коэффициентов температурного расширения наружного и внутреннего слоев. При известном исполнении ролика (Фиг. 1) в зоне 5 характерно образование трещин, которые приводят к выходу ролика из строя раньше, чем износостойкий слой выработает свой ресурс. Исполнение биметаллического ролика с посадкой внутренней поверхностью износостойкого слоя (Фиг. 2) непосредственно на наружную поверхность внешнего кольца подшипника позволяет снизить величину напряжений и трещинообразование под воздействием температурно-силовых нагрузок на границе слоев и увеличить эксплуатационный ресурс. Отношение толщины внешнего слоя h к толщине внутреннего слоя h составляет не менее 0.25. При величине менее 0,25 возникают технологические проблемы производства биметаллического ролика, связанные с высокой вероятностью возникновения трещин при термической обработке.
Увеличение эксплуатационного ресурса ролика подтверждается опытными испытаниями, например, ресурс предлагаемого биметаллического направляющего ролика привалковой коробки ∅110×110 сортопрокатного стана 250 увеличился в 2,5-3 раза. На 10% снизился расход дорогостоящих материалов по сравнению с роликом, сделанным из биметаллической заготовки, но полностью состоящего из износостойкого слоя и на 70% увеличился по сравнению с биметаллическим роликом, у которого посадочные места под подшипник сделаны во внутреннем металлическом слое - основе. Предложенное техническое решение обеспечивает технико-экономический эффект полезной модели, который обусловлен более высоким ресурсом работы биметаллического ролика за счет сочетания термостойкости и высокой износостойкости наружного поверхностного слоя, прочной связи между слоями, позволяющей предотвратить образование трещин при термических циклах и высоких механических нагрузках. Увеличивается эксплуатационный ресурс ролика и межремонтный цикл работы металлургических машин. Сокращаются производственные затраты при использовании биметаллических роликов вместо деталей, полностью выполненных из дорогостоящих износостойких и термостойких сталей.