СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ ПОЛОСЫ
COLD-ROLLED STRIP MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении высокопрочной полосы из различных металлов и сплавов.
Известен способ прокатки тонких лент, включающий деформацию исходной заготовки путем протягивания ее между двух валков, один из которых является приводным, а второй - неприводным (см. патент РФ №2061563, B21B 13/00).
Недостатками известного способа являются низкие прочностные свойства изготавливаемой ленты, обусловленные невысокими единичными степенями деформации, реализуемыми при использовании неприводного валка.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ прокатки листов при рассогласовании окружных скоростей валков до 6,0-12,0%. Способ позволяет снизить силу прокатки и применяется при производстве толстых и тонких листов, но особенно эффективен при холодной прокатке тонких листов на низких очагах деформации (см. Рудской А.И., Лунев В.А. Теория и технология прокатного производства: Учеб. пособие. СПб.: Наука, 2005. - с.87-91).
Недостатком данного способа является изготовление листов с низкими прочностными свойствами за счет того, что при холодной прокатке с рассогласованием окружных скоростей валков до 6,0-12,0% деформация металла по сечению листа является неравномерной, а структура, соответственно, крупнозернистой и неоднородной.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении прочностных свойств изготавливаемой полосы путем создания по всему ее сечению интенсивной сдвиговой деформации, обеспечивающей получение фрагментированной структуры металла с высокой плотностью дислокации.
Поставленная задача решается тем, что в способе производства холоднокатаной полосы, включающем холодную прокатку полосы в валках при рассогласовании их окружных скоростей, согласно изобретению холодную прокатку полосы осуществляют в валках с шероховатостью 6,0-12,0 мкм Ra, окружную скорость которых задают из условия:
1
2
V≥2V,
1
где V - окружная скорость первого валка, м/с;
2
V - окружная скорость второго валка, м/с,
при этом прокатку полосы ведут с единичной степенью деформации не менее 50% до суммарной степени деформации 75-95%.
Известно осуществление холодной прокатки с рассогласованием скоростей валков для снижения энергосиловых параметров процесса и повышения точности проката (см. авт. св. СССР №225829 B21B 1/24; Бровман М.Я., Выдрин В.Н., Римен В.Х. Энергосиловые параметры при прокатке с различными окружными скоростями валков // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1976. - №11. - С.76-80).
В заявляемом способе указанный признак так же, как и в известном способе, предназначен для повышения точности проката при одновременном снижении энергосиловых параметров процесса.
Однако наравне с известным техническим свойством заявляемый отличительный признак, характеризующийся заявляемыми режимами, при холодной прокатке создает новый технический результат, заключающийся в создании равномерной сдвиговой деформации по всему сечению полосы за счет противоположно направленных сил контактного трения, действующих на полосу одновременно со стороны верхнего и нижнего валков. Это позволяет получить фрагментированную структуру металла с высокой плотностью дислокации, а следовательно, повысить прочностные свойства изготавливаемой полосы.
Известна холодная прокатка полосы до суммарной степени деформации 75-95% для повышения прочностных свойств полосы (см. Целиков А.И. Теория прокатки. Справочник. - М.: «Металлургия», 1982. - с.128-131).
Как в известном, так и в заявляемом способе указанный режим прокатки предназначен для повышения прочностных свойств изготавливаемой полосы.
Однако наравне с известным техническим свойством заявляемый отличительный признак при холодной прокатке создает новый технический результат, заключающийся в получении фрагментированной структуры металла с высокой плотностью дислокации за счет создания равномерной сдвиговой деформации по всему сечению полосы, что способствует повышению прочностных свойств изготавливаемой полосы.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что заявляемый способ изготовления полосы не следует явным образом из известного уровня техники и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема очага деформации при холодной прокатке с рассогласованием окружных скоростей валков. На чертеже позициями обозначены: 1 - полоса; 2 - нижний валок; 3 - верхний валок; 4 - силы трения, действующие на полосу со стороны валка 2; 5 - силы трения, действующие на полосу со стороны валка 3; 6 - слои металла до прокатки; 7 - слои металла после прокатки.
Способ холодной прокатки полосы осуществляют следующим образом.
1
2
1
2
Холодную прокатку полосы 1 осуществляют в приводных валках 2 и 3, имеющих одинаковую шероховатость 6,0-12,0 мкм Ra. При этом прокатку ведут за один или несколько проходов с единичной степенью деформации не менее 50% до достижения суммарной степени деформации 75-95%. Окружную скорость валков 2 и 3 задают из условия: V≥2V, где V - окружная скорость валка 2; V - окружная скорость валка 3.
1
2
При холодной прокатке с заявляемыми режимами силы трения 4, действующие со стороны валка 2, вращающегося с большей скоростью (V), на всей дуге контакта длиной АВ направлены по ходу движения полосы 1, а силы трения 5, действующие со стороны валка 3, вращающегося с меньшей скоростью (V), на всей дуге контакта длиной CD направлены против движения полосы 1, т.е. контактные силы трения 4 и 5 в очаге деформации являются противоположно направленными.
Противоположно направленные силы 4 и 5 контактного трения позволяют создать интенсивную сдвиговую деформацию равномерно по сечению полосы 1. Интенсивность сдвиговой деформации при этом характеризуется величиной угла наклона γ слоев металла 6 и 7, соответственно, до и после прокатки полосы. При холодной прокатке полосы по заявляемому способу угол наклона слоев металла составит γ≥45°. Это обеспечивает создание в полосе фрагментированной структуры металла с высокой плотностью дислокации, что значительно повысит прочностные свойства изготавливаемой полосы.
Для создания интенсивной сдвиговой деформации по сечению полосы 1, обеспечивающей получение структуры металла с высокими прочностными свойствами, холодную прокатку с заявляемым рассогласованием окружных скоростей валков 2 и 3 необходимо осуществлять в условиях высокого контактного трения. Для создания указанного технического результата холодную прокатку в заявляемом способе осуществляют в валках с шероховатостью 6,0-12,0 мкм Ra без использования технологической смазки, снижающей трение.
Осуществлять холодную прокатку в валках с шероховатостью менее 6,0 мкм Ra, нецелесообразно, так как возникающие при этом противоположно направленные силы контактного трения будут недостаточны для создания равномерной сдвиговой деформации по сечению полосы, в результате чего структура металла будет неравномерной и крупнозернистой, прочностные свойства полосы, соответственно, низкими.
При холодной прокатке полосы в валках с шероховатостью более 12,0 мкм Ra противоположно направленные силы контактного трения будут слишком большими. Это приведет к образованию поверхностных дефектов и снижению ресурса пластичности деформируемой полосы, а также к значительному росту энергосиловых параметров процесса прокатки.
1
2
Для создания равномерной сдвиговой деформации по сечению полосы холодную прокатку с заявляемым рассогласованием окружных скоростей (V и V) валков 2 и 3, соответственно, необходимо осуществлять с единичной степенью деформации не менее 50%. Это обеспечивает получение фрагментированной структуры, равномерно распределенной по всему сечению изготавливаемой полосы.
Осуществлять холодную прокатку с единичной степенью деформации менее 50% нецелесообразно, так как структура металла по сечению полосы будет неравномерной, в результате чего прочностные свойства полосы будут низкими.
Холодная прокатка до заявляемой суммарной степени деформации 75-95% обеспечит получение высоких прочностных свойств полосы за счет создания фрагментированной структуры металла с высокой плотностью дислокации по всему сечению.
Осуществлять холодную прокатку до суммарной степени деформации менее 75% нецелесообразно, так как получаемый при этом размер фрагментов зерна и плотность дислокации будут недостаточными для получения высоких прочностных свойств полосы.
Осуществлять прокатку полосы с суммарной степенью деформации более 95% также нецелесообразно, так как это приведет к образованию поверхностных и внутренних трещин в металле, а, следовательно, к потере пластических и прочностных свойств и дальнейшему разрушению металла полосы.
1
2
Осуществлять холодную прокатку с рассогласованием скоростей, заданным из условия V<2V, нецелесообразно, так как в этом случае противоположно направленные силы контактного трения существенно снижаются, в результате уменьшается интенсивность сдвиговой деформации и увеличивается ее неравномерность по сечению полосы. Это приводит к значительному снижению прочностных свойств полосы.
Для обоснования преимуществ заявляемого способа производства холоднокатаной полосы по сравнению с прототипом были проведены 10 экспериментов, из них: эксперименты №1-3 с заявляемыми режимами, эксперименты №4-9 с режимами, выходящими за заявляемые пределы, и эксперимент №10 - по прототипу.
Исходную заготовку в виде полосы толщиной 3,0 мм и шириной 40 мм из стали 20 прокатывали в валках радиусом 100 мм. Холодную прокатку осуществляли с рассогласованием окружных скоростей валков без использования технологической смазки. Режимы обработки и результаты испытаний приведены в таблице.
Результаты испытаний показали, что полоса, полученная по заявляемому способу (эксперимент №1-3), при равных пластических свойствах (относительное удлинение металла полосы составило 5,5-6,0%) имеет прочностные свойства (предел текучести и временное сопротивление разрыву) в 1,2-1,4 раза выше, чем у прототипа (эксперимент №10).
Производить полосу по режимам, выходящим за заявленные пределы, нецелесообразно, так как прочностные свойства полосы остаются низкими (эксперимент №4-7), или сталь теряет ресурс пластичности и в ней образуются трещины и разрывы (эксперимент №8-9).
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ производства холоднокатаной полосы работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примером осуществления способа. Полоса, изготовленная по заявляемому способу, обладает высокими прочностными свойствами.
Таблица
Способ производства холоднокатаной полосы
Номер опыта
Шероховатость рабочих валков Ra, мкм
Единичные степени деформации ≥50%
Суммарная степень деформации, %
Окружная скорость первого валка V<sub>1</sub>, м/с
Окружная скорость второго валка V<sub>2</sub>, м/с
Предел текучести, МПа
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение, %
заявляемый
1
6,0
50
75
0,60
0,30
830
920
6,0
2
8,0
55
80
0,60
0,30
869
954
6,0
3
12,0
60
95
0,40
0,20
882
985
5,5
4
6,0
34
75
0,60
0,30
705
780
6,0
5
12,0
29
68
0,40
0,20
710
790
6,0
6
8,0
50
75
0,60
0,50
695
765
6,5
7
0,5
55
80
0,60
0,30
670
740
5,0
8
6,0
65
97
0,60
0,30
На поверхности полосы образовывались трещины и разрывы
9
13,0
50
75
0,60
0,30
прототип
10
0,5
34
75
0,60
0,54
680
710
6,0