PL224008B1 - Sposób podniesienia trwałości walca hutniczego lub rolki - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób podniesienia trwałości walca hutniczego lub rolki. W sposobie na przynajmniej część co najmniej jednej powierzchni roboczej (b) walca (1), nachylonej pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1) oraz na co najmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej (a) walca (1), nachylonej pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1), wykonuje się metodą natrysku cieplnego powłoki trudnościeralne (2) i (4) z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, o grubości do 4 mm, korzystnie od 0,03 mm do 0,5 mm, przy czym na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni (a) roboczej walca (1), nachylonej pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1), grubość nakładanej powłoki trudnościeralnej (4) z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, jest większa co najmniej 10%, korzystnie od 50% do 100%, od grubości powłoki trudnościeralnej (2) na powierzchniach roboczych (b), nachylonych pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób regeneracji lub podniesienia trwałości walca hutniczego lub rolki, stosowanych do obróbki plastycznej stali, miedzi i jej stopów oraz aluminium i jego stopów.

Znane dotychczas walce hutnicze posiadają powierzchnie wykonane z jednorodnego materiału, które w kontakcie z walcowanym materiałem ulegają nierównomiernemu zużyciu, co powoduje rozkalibrowanie walca i w konsekwencji prowadzi do niekorzystnych zmian wymiarów produktów walcowanych. Zjawisko to jest szczególnie niekorzystne w przypadku formowania wyrobów profilowych, wymagających zachowanie stałości i dokładności wymiarów, takich jak na przykład stalowe grodzice profilowe, stosowane do zabezpieczania terenu przed obsuwaniem podczas prac ziemnych.

Z opisu patentowego PL 116285 znane jest żeliwo przeznaczone na walce hutnicze jednorodne zawierające żelazo Fe, 3,1-3,5% wag. węgla C, 0,6-1,1% wag. manganu Mn, 1,4-2,1% krzemu Si, 0,5-0,8% chromu Cr, 0,6-1,1% molibdenu Mo, 3,0-4,2% niklu Ni, 0,002-0,005% itru Y, 0,0020,006% strontu Sr, 0,003-0,006% ceru Ce, 0,002-0,006% bromu Br, do 0,08% magnezu Mg, do 0,024% siarki S, do 0,13% fosforu P, oraz nieuniknione zanieczyszczenia śladowe (wszystkie zawartości w % wag.).

Z kolei z opisu patentowego PL 115266 znane jest żeliwo przeznaczone na walce hutnicze jednolite, które oprócz żelaza Fe zawiera 3,2-3,45% węgla C, 0,40-0,70% manganu Mn, 1,00-1,40% krzemu Si, 1,00-1,40% chromu Cr, 0,20-0,60% molibdenu Mo, 1,00-1,40% niklu Ni, 0,001-0,005% itru Y, 0,0003-0,0005% teluru Te, do 0,045% siarki S, do 0,12% fosforu P, oraz trudne do uniknięcia zanieczyszczenia śladowe (wszystkie zawartości w % wag.).

Natomiast z opisu patentowego PL 115270 znane jest staliwo nadeutektoidalne przeznaczone na walce hutnicze, które zawiera 1,9-2,3% węgla C, 0,4-0,8% manganu Mn, 0,4-1,0% krzemu Si, 0,6-1,2% chromu Cr, 0,2-0,4% molibdenu Mo, 0,3-0,6% niklu Ni, 0,0001-0,0002% bromu Br, do 0,04% siarki S, do 0,06% fosforu P, resztę stanowi żelazo Fe (wszystkie zawartości w % wag.).

Znane są także sposoby regeneracji walców hutniczych, polegające na napawaniu na wstępnie przygotowaną metodą skrawania i obróbki cieplnej powierzchnie walca warstwy o zwiększonej twardości metodą łukową.

Znany jest także sposób naddźwiękowego natrysku cieplnego (określany również jako metoda HVOF - High Velocity Oxygen Fuel), który jest używany do poprawy lub odtworzenia właściwości lub wymiarów powierzchni elementów metalowych. W sposobie tym roztopione lub częściowo roztopione materiały są natryskiwane na powierzchnię za pomocą wysokotemperaturowego strumienia gazu o dużej szybkości (naddźwiękowej), dając gęstą powłokę, którą można następnie obrabiać mechanicznie. Ze względu na wysoką adhezję do podłoża powłok wykonanych tą technologią, nie jest wymagane w normalnych warunkach ich stosowania silne rozwinięcie powierzchni przed natryskiem.

Powyższe znane sposoby nie mogą być efektywnie stosowane do podniesienia trwałości walców hutniczych nowych lub reprofilowanych. Powłoki wykonane metodą łukową wykazują dużą tendencję do złuszczania się z powierzchni szczególnie narażonych na znaczne obciążenia mechaniczne i zmęczenie. Ponadto powłoki napawane, zwłaszcza metodą łukową, słabo nadają się do zabezpieczenia przed zużyciem nowego lub reprofilowanego walca ponieważ wymagają wykonania wybrania powierzchni walca na znaczną głębokość rzędu 2-4 mm. Wadą powłok natryskiwanych cieplnie, zwłaszcza z bardzo twardych materiałów takich jak węgliki, przy grubościach znacznie (kilkukrotnie) większych od chropowatości powierzchni jest to, że pod wpływem silnych nacisków, zwłaszcza punktowych lub liniowych, ulegają odspojeniu od podłoża lub rozwarstwieniu.

Ze zgłoszenia wynalazku P.402318 znany jest sposób regeneracji i podniesienia trwałości walca hutniczego, który polega na tym, że boczne powierzchnie robocze walca hutniczego o szerokości od 20 mm do 400 mm pokrywa się, korzystnie metodą napawania laserowego, warstwą materiału metalicznego o grubości od 0,1 mm do 4,0 mm korzystnie od 1,5 mm do 2,0 mm, zawierającego korzystnie: węgiel C od 0,05% do 3,90%, mangan Mn od 0,10% do 2,90%, chrom Cr od 0,50% do 30,00%, nikiel Ni od 0,50% do 51,00%, tytan Ti od 0,05% do 5,50%, krzem Si od 0,10% do 2,40%, molibden Mo od 0,04% do 4,50%, wolfram W od 0,90% do 4,50%, kobalt Co od 1,50% do 10,00%, wanad V od 0,20% do 4,00%, fosfor P do 0,15%, siarkę S do 0,04%, miedź Cu od 0,10% do 1,20%, magnez Mg od 0,03% do 0,07%, itr Y od 0,001% do 0,005%, bor B od 0,002% do 0,006%, tellur Te od 0,0005% do 0,002%, stront Sr od 0,002% do 0,006%, cer Ce od 0,003% do 0,006%, resztę stanowi żelazo Fe (wszystkie zawartości w % wag.).

PL 224 008 B1

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, w tym przeznaczonej pod natrysk cieplny, nachylonej pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu walca, wykonuje się metodą natrysku cieplnego powłokę trudnościeralną poprzez nałożenie co najmniej jednej warstwy materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, o grubości do 2 mm, korzystnie od 0,03 mm do 0,5 mm, oraz na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej walca, nachylonej pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu walca, grubość nakładanej powłoki trudnościeralnej jest większa o 10%, korzystnie od 50% do 100%, od grubości powłoki trudnościeralnej na powierzchniach nachylonych pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu walca.

Korzystnie, gdy warstwę powłoki trudnościeralnej nakłada się w taki sposób, aby jej porowatość nie była większa niż 0,5%.

W celu zapewnienia lepszego przylegania warstwę powłoki trudnościeralnej nakłada się na co najmniej część powierzchni roboczej walca, w tym przeznaczoną pod natrysk, rozwiniętą do stanu od Rz 5 do Rz 100, korzystnie od Rz 40 do Rz 70, korzystnie metodą strumieniowo-ścierną, zwłaszcza przy użyciu korundu.

Stwierdzono, że szczególnie korzystne jest, aby grubość wykonywanej powłoki trudnościeralnej wyrażona w mikrometrach mieściła się w zakresie 150-250% wartości stopnia rozwinięcia powierzchni Rz, co powoduje pożądane zaprasowanie powłoki z materiałem rodzimym walca w pierwszej fazie jego pracy pod obciążeniem roboczym i zapobiega jej odspajaniu od podłoża przy pracy pod dużym obciążeniem.

W celu polepszenia twardości podłoża przynajmniej część powierzchni roboczej walca, w tym przeznaczoną pod natrysk, przed jej rozwinięciem poddaje się dogniataniu na głębokość do 1 mm, korzystnie metodą dogniatania ślizgowego.

Również korzystnie, gdy przed rozwinięciem lub po rozwinięciu powierzchni, przy najmniej część powierzchni roboczej walca w tym przeznaczoną pod natrysk hartuje się, korzystnie metodą hartowania laserowego, na głębokość sięgającą do 4 mm, korzystnie od 1 mm do 2 mm.

Dla zachowania nominalnych wymiarów walca podczas jego obróbki sposobem według wynalazku wskazane jest wykonanie w co najmniej części powierzchni roboczej walca, w tym przeznaczonej pod natrysk, wybrania na głębokość od 0,01 mm do 1,00 mm, liczoną od wymiaru nominalnego walca, korzystnie na głębokość ok. 10% mniejszą niż grubość natryskiwanej powłoki trudnościeralnej.

Sposób według wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania 1-3 w zastosowaniu do zwiększenia trwałości hutniczych walców stalowych służących do kształtowania wyrobów profilowych, oraz pokazany na załączonych rysunkach, oraz w przykładzie 4 w odniesieniu do rolek transportujących, gdzie:

Fig. 1 ukazuje powiększony wycinek walca hutniczego do produkcji grodzic w przekroju osiowym, z zaznaczonymi powłokami trudnościeralnymi, uzyskanymi sposobem według wynalazku;

Fig. 2 ukazuje powiększony wycinek walca hutniczego do produkcji dwuteowników w przekroju osiowym, z zaznaczonymi powłokami trudnościeralnymi, uzyskanymi sposobem według wynalazku;

Fig. 3 ukazuje powiększony wycinek walca hutniczego do produkcji szyn w przekroju osiowym, z zaznaczonymi powłokami trudnościeralnymi, uzyskanymi sposobem według wynalazku;

Fig. 4 przedstawia wycinek przekroju obrotowej rolki transportującej ciągów walcowniczych, o trwałości podniesionej sposobem według wynalazku.

W przykładzie wykorzystano walce 1 hutnicze, po przeprowadzonej reprofilacji w celu odtworzenia wymiarów i kształtu, które wykonane były jako odkuwka ze stali kutej o składzie: C do 0,9%, Mn do 1,1%, Si do 0,5%, Cr do 3%, Mo do 0,6%, V do 0,15%, Ni do 0,4%, S do 0,01%, P do 0,015%, przy czym resztę stanowi żelazo Fe i nieuniknione zanieczyszczenia (zawartości podane w % wagowych).

P r z y k ł a d 1

W celu zachowania stabilności wymiarów i wydłużenia żywotności reprofilowanego walca 1 sposobem wg wynalazku powierzchnię b roboczą walca 1 poddano wstępnemu dogniataniu na głębokość do 1 mm metodą dogniatania ślizgowego trzpieniem zakończonym końcówką wykonaną z regularnego azotku boru o promieniu 2,5 mm dociskanego z siłą 60 kg, dogniatania dokonano na tokarce przy czym prędkość obrotową zmieniano w zależności od zmiennej średnicy dogniatanego walca.

PL 224 008 B1

Następnie powierzchnię b roboczą walca 1 oraz powierzchnię a roboczą walca 1 poddano rozwinięciu metodą strumieniowo-cierną do stanu Rz 50 poprzez piaskowanie ścierniwem korundowym.

Na tak przygotowaną powierzchnię b roboczą walca 1 nałożono powłokę trudnościeralną 2 natryskując metodą naddźwiękowego natrysku płomieniowego (HVOF), kilka warstw o łącznej grubości 0,08 mm z materiału o następującym składzie: węglik wolframu w 12% osnowie kobaltu o granulacji 45/15 μm z domieszką około 10% obj. Mo-NiSF 75/25 o granulacji 90/15 μm.

Proces natrysku prowadzono przy następujących parametrach:

• O₂: 944 l/min • Nafta: 25,5 l/h • Podawanie proszku: 92 g/min • Gaz nośnikowy N2: 9,5 l/min • Odległość L: 370 mm • Prędkość posuwu liniowego: 533 mm/s (~32 m/min) • Skok: 5 mm • Grubość powłoki ~60-80 μm

Następnie w ten sam sposób na wybranych powierzchniach a nachylonych pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu 3 walca 1 nałożono powłokę trudnościeralną 4 o grubości 0,12 mm.

P r z y k ł a d 2

W celu zachowania stabilności wymiarów i wydłużenia żywotności reprofilowanego walca 1 sposobem wg wynalazku wykonano w powierzchni b roboczej walca 1 nachylonej pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu 3 obwodowe wybranie na głębokość 0,01 mm. Następnie powierzchnię b roboczą walca 1 zahartowano metodą hartowania laserowego na głębokość sięgającą do 1,2 mm, przy zastosowaniu lasera diodowego wyposażonego w głowicę do hartowania laserowego zamontowaną na 6-osiowym robocie stosując moc wiązki laserowej na poziomie 4000 W; powierzchnia obracającego się walca przemieszczała się względem wiązki laserowej z prędkością 7 mm/s, a szerokość wiązki wynosiła około 22 mm. Po czym powierzchnie a i b robocze walca 1 rozwinięto metodą strumieniowo-ścierną do stanu Rz 50. Następnie na tak przygotowane powierzchnie a i b robocze walca 1 natryśnięto powłoki ochronne w sposób analogiczny jak w Przykładzie 1.

P r z y k ł a d 3

Po rozwinięciu powierzchni a i b walca 1 metodą strumieniowo-ścierną powierzchnie a i b robocze walca 1 zahartowano metodą hartowania laserowego na głębokość sięgającą do 1,0 mm, przy zastosowaniu lasera diodowego wyposażonego w głowicę do hartowania laserowego zamontowaną na 6-osiowym robocie stosując moc wiązki laserowej na poziomie 3800 W, powierzchnia obracającego się walca przemieszczała się względem wiązki laserowej z prędkością 6 mm/s, szerokość wiązki wynosiła około 20 mm. Na tak przygotowane powierzchnie a i b robocze walca 1 nałożono powłoki trudnościeralne natryskując metodą naddźwiękowego natrysku płomieniowego nanoHVOF, kilka warstw z materiału o następującym składzie: węglik wolframu w 17% osnowie kobaltu (WC-Co 83/17) granulacja -55/+3.

Proces natrysku prowadzono przy następujących parametrach:

Dysza:	140 mm
Odległość natrysku:	250 mm
Tlen:	500 l/min
Wodór:	140 l/min
Azot:	450 l/min
Nafta ExxolD60:	15 l/h)
Podawanie proszku:	50 g/min
Azot nośnikowy:	18 l/min
Twardość [HV0,3]:	850-1300

Na wybranych powierzchniach a nachylonych pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu 3 walca 1 grubość nałożonej powłoki trudnościeralnej 4 wyniosła 0,08 mm, natomiast grubość powłoki trudnościeralnej 2 na powierzchniach b nachylonych pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu 3 walca 1 wyniosła 0,05 mm. Uzyskano porowatość powłoki poniżej 0,2%.

PL 224 008 B1

P r z y k ł a d 4

Sposób według wynalazku został także zastosowany do zwiększenia trwałości obrotowych rolek transportujących 1 ciągów walcowniczych, o osi obrotu 2 i o wymiarach powierzchni roboczej 0350x1000.

Część roboczą rolek, wykonanych ze stali 40, zahartowano z użyciem lasera diodowego. Proces prowadzono przy następujących parametrach: moc lasera 4 kW, plamka lasera 22x10 mm, prędkość liniowa hartowania 6 mm/s.

Uzyskano w ten sposób podniesienie twardości powierzchni roboczej rolek z 28HRc do 48 HRc.

Następnie powierzchnię zahartowaną 3 poddano procesowi obróbki strumieniowo-ściernej korundem do uzyskania Rz 30. Na tak przygotowaną powierzchnię nałożono kilka warstw WC-Co-Cr o łącznej grubości 40 μm.

Proces nakładania powłoki trudnościeralnej 4 przeprowadzono przy następujących parametrach:

- materiał: WC-Co-Cr86%/10%/4% granulacja -10/+2

- dysza: 140 mm

- odległość natrysku: 250 mm

- podawanie tlenu: 500 l/min

- podawanie wodoru: 140 l/min

- podawanie nafty ExxolD60: 16 l/h

- podawanie proszku: 50 g/min

- azot nośnikowy: 20 l/min

- przyrost grubości: ~5 μm

Po zakończeniu procesu nakładania otrzymano warstwę o podwyższonej odporności na zużycie ścierne o mikrotwardości [HV0,3]: 1300-1500.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że sposób podniesienia trwałości walca hutniczego według wynalazku, poprzez zastosowanie selektywnie zmiennej grubości warstwy powłoki trudnościeralnej o szczególnym składzie chemicznym, nakładanej na odpowiednio przygotowaną powierzchnię roboczą walca i o grubości zależnej od warunków eksploatacji i charakteru zużywania się powierzchni roboczych, umożliwia wydłużenie czasu pracy walca z zachowaniem rygorów wymiarowych i technologicznych. Natryśnięcie powłoki na silnie rozwiniętą powierzchnię o chropowatości niewiele mniejszej od grubości natryskiwanej powłoki powoduje, że w początkowej fazie eksploatacji pod silnym obciążeniem ze strony walcowanego materiału następuje wprasowanie powłoki w powierzchnię walca, co zapobiega odspojeniu się powłoki od podłoża, jednocześnie znacznie podnosząc odporność powierzchni na ścieranie i złuszczanie.

Po nabyciu niezbędnego doświadczenia wykonanie powłok ochronnych na wybranych powierzchniach roboczych walca sposobem według wynalazku przebiega sprawnie i szybko przy relatywnie niskich kosztach, gwarantując jednocześnie utrzymanie ostrych reżimów technologicznych przez dłuższy okres czasu eksploatacji walca.

Efekt, uzyskiwany sposobem według wynalazku, pozwala na znaczne zmniejszenie przestojów spowodowanych koniecznością remontu/reprofilacji walca i wpływa korzystnie na ekonomikę procesu walcowania oraz jakość powierzchni produktów finalnych.

Claims (8)

1. Sposób podniesienia trwałości walca hutniczego lub rolki, obejmujący przygotowanie powierzchni metodą skrawania i/lub obróbką strumieniowo-ścierną i/lub metodą obróbki cieplnej oraz nałożenie powłoki trudnościeralnej, znamienny tym, że na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej (b) walca (1) nachylonej pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1) wykonuje się metodą natrysku cieplnego powłokę trudnościeralną (2) poprzez natryśnięcie co najmniej jednej warstwy z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, k orzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, o grubości do 2 mm, korzystnie od 0,03 mm do 0,5 mm, oraz na przynajmniej części co najmniej jednej powierzchni roboczej (a) walca (1) nachylonej pod kątem większym niż 45° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1) wykonuje się metodą natrysku cieplnego powłokę trudnościeralną (4) z materiału zawierającego węglik wolframu i/lub węglik chromu, korzystnie w osnowie kobaltu i/lub chromu i/lub niklu, przy czym grubość wykonywanej powłoki trud6

PL 224 008 B1 nościeralnej (4) na powierzchni roboczej (a) jest większa co najmniej o 10%, korzystnie od 50% do 100%, od średniej grubości powłoki trudnościeralnej (2) na powierzchniach roboczych (b) nachylonych pod kątem mniejszym niż 30° w stosunku do osi obrotu (3) walca (1).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powłoka trudnościeralna (2) i/lub (4) po nałożeniu ma porowatość poniżej 0,5%, korzystnie poniżej 0,2%.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powłokę trudnościeralną (2) i/lub (4) nakłada się na co najmniej część powierzchni roboczej walca (1) w tym przeznaczoną pod natrysk cieplny rozwiniętą do stanu od Rz 5 do Rz 100, korzystnie od Rz 40 do Rz 70, korzystnie metodą strumieniowo-ścierną zwłaszcza przy użyciu korundu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej część powierzchni roboczej walca (1) w tym przeznaczoną pod natrysk cieplny poddaje się przed jej rozwinięciem dogniataniu na głębokość do 1 mm, korzystnie metodą dogniatania ślizgowego.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed rozwinięciem co najmniej część powierzchni roboczej (a) i/lub (b) walca (1) w tym przeznaczoną pod natrysk cieplny hartuje się, korzystnie metodą hartowania laserowego, na głębokość sięgającą do 4 mm, korzystnie od 1 mm do 2 mm.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po rozwinięciu, co najmniej część powierzchni roboczej (a) i/lub (b) walca (1) w tym przeznaczoną pod natrysk cieplny hartuje się, korzystnie metodą hartowania laserowego, na głębokość do 4 mm, korzystnie od 1 mm do 2 mm.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przynajmniej części powierzchni roboczej (a) i/lub (b) walca (1), w tym przeznaczonej pod natrysk cieplny, wykonuje się wybranie na głębokość od 0,01 mm do 1,0 mm, liczoną od wymiaru nominalnego walca (1), korzystnie na głębokość mniejszą o ok. 10% od grubości wykonywanej powłoki trudnościeralnej (2) i/lub (4).

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość wykonywanej powłoki trudnościeralnej wyrażona w mikrometrach mieści się w zakresie 150-250% wartości stopnia rozwinięcia powierzchni Rz.