материал прокатных валков

Когда говорят ?материал прокатных валков?, многие сразу думают о твёрдости, износостойкости. Но это лишь верхушка. Гораздо важнее, как эта твёрдость ведёт себя в реальной клети под ударной нагрузкой, при циклическом нагреве до 600 градусов и резком охлаждении водой. Частая ошибка — гнаться за максимальными цифрами по HRC, забывая про вязкость, про сопротивление тепловым трещинам. У нас на производстве, в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, через это прошли. Делали валки для сортовой прокатки, казалось бы, всё по книжке: 9Х2МФ, правильный режим термички. А они на стане ?сыпятся? — не выкрашиванием, а сеткой мелких трещин. Оказалось, проблема в исходнике, в неметаллических включениях, которые не вытянулись при ковке. Вот тут и понимаешь, что материал — это не просто марка стали, а вся история: от электродуговой печи до финишной шлифовки.

Что скрывается за маркой стали?

Возьмём, к примеру, классику для бочки валка горячей прокатки — сталь 75ХМФ. В теории всё ясно: хром, молибден, ванадий для прокаливаемости и красностойкости. Но на практике... Один раз получили партию заготовок, химия вроде в допуске. А после ковки на нашем 2000-тонном прессе и отжига пошли внутренние флокены. Причина — водород. Заливка была не совсем ?тихая?, да и просушка стержней под вопросом. Пришлось экстренно вводить длительный диффузионный отжиг, который съел кучу времени и газа в печи. С тех пор для ответственных валков настаиваем на электрошлаковом переплаве (ЭШП). Да, дороже. Но структура получается плотной, направленной, включения сферические. Для валков холодной прокатки, где важна чистота поверхности, это часто безальтернативно. У нас на производстве как раз есть своя ЭШП-печь, и мы видим разницу в макрошлифе — небо и земля.

Ещё один нюанс — ковка. Не просто обжать до размера, а именно разупрочнить литую структуру, вытянуть её. Температурный режим здесь критичен. Пережжёшь — необратимая перегретая структура, крупное зерно. Недогреешь — высокие напряжения, риски разрыва. Мы обычно ведём ковку в диапазоне 1150-850°C, с обязательными осадками и протяжками. Особенно важно это для опорных валков большого диаметра, где сердцевина должна быть не менее качественной, чем поверхность. Иногда заказчик просит удешевить: мол, можно литьё с минимальной мехобработкой? Для некоторых неприхотливых позиций — да. Но для валков чистовой клети, где давление под 900 МПа, это путь к быстрому выходу из строя. Наша ковка на гидравлическом прессе как раз и решает эту задачу — создаёт однородную, упругую основу для будущей бочки.

А вот про легирование часто спорят. Нужен ли никель в материале прокатных валков? С одной стороны, он повышает вязкость, хорош для ударных нагрузок. С другой — дорог и может снижать прокаливаемость в некоторых сочетаниях. Для валков горячей полосы, где главный враг — тепловая усталость, мы чаще идём по пути оптимизации хром-молибден-ванадиевого баланса и точной термообработки. Но был случай с валками для рельсобалочного стана — там как раз добавили никель, и стойкость к выкрашиванию на буртах заметно выросла. Всё индивидуально, и универсального рецепта нет.

Термичка: где рождается рабочая поверхность

Закалка. Казалось бы, отработанный процесс. Но с валками диаметром под 700 мм всё не так просто. Индукционная, печная, газопламенная? Для бочки чистового клетевого валка холодной прокатки мы используем индукционную с ТВЧ. Важно не просто получить твёрдый слой, а создать плавный градиент твёрдости от поверхности к сердцевине. Резкий переход — это концентратор напряжений, отсюда и отколы. Настраивали режимы эмпирически: скорость вращения валка, скорость движения индуктора, температура охлаждающей эмульсии. Случались и провалы — когда из-за неидеальной соосности получался ?битый? твёрдый слой, с мягкими пятнами. Пришлось дорабатывать технологическую оснастку для центрирования.

Отпуск — это вообще искусство. После закалки структура — мартенсит, хрупкий, напряжённый. Отпуск снимает напряжения, повышает вязкость. Но тут дилемма: высокий отпуск (скажем, 450-500°C) даёт хорошую вязкость, но ?роняет? твёрдость. Низкий (180-250°C) сохраняет твёрдость, но оставляет больше остаточных напряжений. Для валков горячей прокатки, работающих с нагревом, мы часто выбираем более высокий отпуск, потому что при работе они всё равно ?самоотпускаются?. А для холодной прокатки, где важна стабильность геометрии, идём на компромисс: двух- или трёхкратный отпуск с постепенным снижением температуры. Это долго, энергозатратно, но результат того стоит — валки не коробятся в работе. Наши электрические печи для улучшения с точным контролем температуры и выдержки как раз для таких задач.

Контроль после термообработки — отдельная песня. Твёрдость по Бринеллю, Роквеллу, Шору — это обязательно. Но ещё важнее контроль на твердомере по глубине слоя. Бывало, что поверхность 62 HRC, а на глубине 15 мм уже 45. Для валка, который в работе будет изнашиваться и перетачиваться, это катастрофа — рабочий слой окажется тоньше расчётного. Поэтому теперь всегда делаем полный профиль твёрдости на образце-свидетеле, вырезанном из торца валка. И конечно, ультразвуковой контроль на расслоения и крупные включения. Один пропущенный дефект может остановить целую прокатную линию.

Механообработка: финиш, который решает всё

После всей термички валок — это заготовка с напряжённой поверхностью. Токарная обработка, шлифовка — это не просто ?снять лишнее?. Это финальный этап формирования рабочего слоя. Грубая ошибка — снять слишком много. Снял лишние 2 мм с бочки валка для холодной прокатки — и ты уже в зоне с пониженной твёрдостью, ресурс упадёт в разы. Мы всегда оставляем припуск под шлифовку с запасом, но точно рассчитанный, исходя из карты твёрдости. Наши горизонтальные токарные станки с ЧПУ позволяют выдерживать эти допуски, но оператор должен понимать, что он режет.

Шлифовка бочки — это уже про чистоту поверхности и геометрию. Биение, бочкообразность, огранка — всё должно быть в микрометрах. Для валков тонколистовых станов даже шероховатость Ra 0.2 мкм — не прихоть, а необходимость, чтобы не переносить следы на сталь. Но и здесь есть подводный камень: при шлифовке можно ?прижечь? поверхность, создать микротрещины от перегрева. Поэтому важен обильный подвод СОЖ, правильная зернистость круга, режимы. Иногда после шлифовки делают дополнительный низкотемпературный отпуск для снятия прижоговых напряжений.

А ещё есть обработка шеек. Они не работают на износ как бочка, но испытывают колоссальные нагрузки на изгиб и кручение. Их часто делают мягче (35-45 HRC), но обязательно с галтелями плавного перехода к бочке, чтобы избежать концентрации напряжений. Фрезеровка шпоночных пазов, расточка внутренних отверстий (если валок полый) — всё это должно делаться до финишной термообработки бочки или после, но с ювелирной точностью, чтобы не нарушить уже созданный рабочий слой.

Практические ловушки и неочевидные связи

Вот реальный пример с нашего завода. Делали опорный валок для толстолистового стана. Материал — 60ХН, ковка, термообработка, мехобработка — всё, казалось, идеально. Сдали. Через месяц звонок: на шейке, под подшипником, появилась продольная трещина. Разбирались. Оказалось, проблема в посадке. Заказчик, стремясь к максимально жёсткому креплению, посадил подшипник с натягом, превышающим расчётный. А в материале шеек, который мы оптимизировали под усталостную прочность на кручение, не хватило запаса по сопротивлению растягивающим напряжениям от этого самого натяга. Пришлось пересматривать техусловия на сборку. Вывод: можно сделать идеальный материал прокатных валков, но его погубит неправильная эксплуатация.

Другой аспект — ремонт и восстановление. Часто изношенные валки пытаются наплавить. Но тут нужно глубокое понимание, из чего сделан сам валок. Наплавить твёрдый сплав на основу из 9Х2МФ — одно, а на основу из высокоуглеродистой стали 90ХФ — уже другое, риски отрыва наплавленного слоя из-за разных коэффициентов расширения выше. Мы иногда идём на восстановление шеек наплавкой, но всегда предварительно проводим анализ материала основы, часто берём спектр. Без этого — лотерея.

И последнее — хранение и транспортировка. Казалось бы, мелочь. Но видел, как новый, идеально обработанный валок для холодной прокатки поставили в цеху у открытых ворот зимой. Конденсат, точечная коррозия... На поверхности, где потом будет гонка тончайшей жести, появились раковины. Теперь всегда настаиваем на консервации маслом и хранении в отапливаемом складе. Мелочь, а влияет на судьбу всей партии.

Вместо заключения: мысль вслух

Так что, возвращаясь к началу. Материал прокатных валков — это не статичный набор элементов из таблицы Менделеева. Это динамичная система, которая начинается с выбора технологии выплавки и заканчивается условиями на стане. Можно сделать формально правильный сплав, но провалить ковку или отпуск. Можно идеально всё обработать, но загубить неправильной посадкой в клети. Наше небольшое предприятие, ООО Цзиюань Юйбэй, с его 30 человеками и 5000 тоннами поковок в год, прошло через многие из этих граблей. Поэтому теперь мы смотрим на заказ комплексно: не просто ?сделать валок по чертежу?, а понять, где и как он будет работать, какие там пиковые нагрузки, температурный режим. Часто это диалог с технологами заказчика, совместные расчёты. Только так, а не просто продажей килограммов металла, и получается создать тот самый ресурс, который превышает ожидания. И да, иногда это значит отказаться от заказа, если понимаешь, что с твоими мощностями по ковке или термообработке не получится дать нужное качество. Честность в этом деле дороже сиюминутной выгоды. Потому что в прокатном производстве твоя фамилия, точнее, твой логотип на торце валка, крутится в клети под сотнями тонн давления. И его либо уважают, либо больше не привозят.