Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

LASER TECHNOLOGY IMPROVEMENT RESISTANCE ROLLING ROLLS

Gavrilov G.N. 1 Kostromin S.V. 1 Kalinin A.B. 2 Peyganovich V.N. 3 Ermakov D.Yu. 2
1 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev
2 Vyksa branch of Nizhny novgorod state technical university n.a. R. E. Alekseev
3 JSC «OMK-Steel»
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.
The laser thermal hardening and cladding are promising technologies in the production process of forming rolls. It is shown that laser technologies enable purposeful formation of the microstructure of the surface of the product and get a new set of high mechanical and performance properties. The structure and properties of the surface layers of steels with different carbon contents. Set of studies included a definition of the physical and mechanical properties of materials by standard techniques to study the structure of the samples. Laser powder cladding in a single pass allows you to create a surface layer with specified thickness up to 1.5 mm multi-layer surfacing produces modified layers with the geometric dimensions defined specifications for the product. The additional laser treatment tends to equalize the level of each of the microhardness of the material across the longitudinal plane of the surface layer.
laser cladding
laser hardening
surface hardening
heat treatment
rolling rolls

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.