RU2090647C1 - Method for dry chromizing of forming chilled cast iron rolls - Google Patents

Abstract

FIELD: chromium coatings. SUBSTANCE: method concerns chromizing cast iron rolls with chilled surface layer to increase their working capacity owing to high deterioration and wear resistance. Rolls with applied electrolytic chromium coating are baked in gaseous media reducing tendency of white irons for graphitization leading to formation free and bound complex carbides opposing oxidation and containing high-purified and dried gases with dew point not higher than -50 C (hydrogen-nitrogen and inert gases). Carbidization of coating 0.02-0.2 mm thick takes place in the course of slow heating to 950-980 C in austenite region. Microhardness in chrome- plated zone achieves 20 GPa. At the same time, in cavity of roll barrel made up of gray cast iron, chemical and physical homogeneity of structure is increased. EFFECT: increased performance characteristics of rolls. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к прокатному производству, предусматривает диффузионное хромирование прокатных валков, изготовленных из отбеленного чугуна, с целью повышения их работоспособности за счет высокой разгароустойчивости и износостойкости. The invention relates to metallurgy, in particular to rolling production, provides for diffusion chromium plating of rolls made of bleached cast iron in order to increase their performance due to high heat resistance and wear resistance.

При коррозионном воздействии среды в условиях циклических напряжений на дне надрезов, оставшихся после механической обработки рабочей поверхности валков, образуются зародыши микротрещин. Повышение температуры интенсификации протекание этих процессов и приводит к растрескиванию поверхностных слоев. Нанесение гальванических хромовых, а также хромо-никелевых покрытий повышается сопротивление термической усталости. Наряду с предотвращением коррозионного растрескивания для увеличения срока службы чугунных валков необходимо иметь высокую поверхностную твердость, обеспечивающую соответствующую износостойкость. Твердость же гальванических покрытий резко снижается при контакте с нагретым металлом. Under the corrosive action of the medium under cyclic stresses, at the bottom of the notches remaining after machining the working surface of the rolls, microcrack nuclei are formed. An increase in the intensification temperature during these processes leads to cracking of the surface layers. The application of galvanic chromium and chromium-nickel coatings increases the resistance to thermal fatigue. Along with the prevention of corrosion cracking, to increase the service life of cast iron rolls, it is necessary to have high surface hardness, which provides appropriate wear resistance. The hardness of electroplated coatings decreases sharply upon contact with heated metal.

Существенное повышение сопротивления термической усталости и износостойкости чугунных валков может быть достигнуто диффузионным хромированием и применением таких режимов, при которых в поверхностных слоях образуются устойчивые карбидные фазы. A significant increase in the resistance to thermal fatigue and the wear resistance of cast iron rolls can be achieved by diffusion chromium plating and the use of such regimes in which stable carbide phases are formed in the surface layers.

Основная трудность диффузионного хромирования валков с отбеленным поверхностным слоем заключается в протекании графитизации при выдержке в области высоких температур. Также значительно уменьшают восприимчивость к хромированию наличие в чугунных валках повышенных количеств примесей, в частности фосфора, приводящих к недостаточной чистоте поверхности и нарушению сплошности покрытий. Проблемы имеются и с предотвращением обезуглероживания при хромировании. В связи с чем газовое хромирование, дающее хорошие результаты на серых чугунах, оказывается неэффективным для белых чугунов. The main difficulty of diffusion chromium plating of rolls with a bleached surface layer is the occurrence of graphitization during aging at high temperatures. Also, the susceptibility to chromium plating is significantly reduced by the presence of increased amounts of impurities in cast iron rolls, in particular phosphorus, leading to insufficient surface cleanliness and disruption of coating integrity. There are problems with the prevention of decarburization during chromium plating. In this connection, gas chromium plating, which gives good results on gray cast irons, is ineffective for white cast irons.

Известен способ диффузионного хромирования прокатных валков из отбеленного чугуна, как средство защиты поверхности от растрескивания при горячей прокатке. При этом хромирование осуществлялось твердым способом путем нанесения гальванического покрытия толщиной 0,01 0,02 мм и последующего 20 часового отжига при 700 950^oC, что можно принять за прототип предлагаемого изобретения. Образующийся в результате диффузии углерода к хрому карбидный слой предотвращает при эксплуатации поверхность валков от разгара. Однако недостатком данного способа является неизбежное протекание частичной графитизации отбеленного слоя в процессе высокотемпературной обработки, а при наличии даже небольшого количества пластинчатого графита термостойкость и твердость будут ниже, чем в безграфитовом слое с одинаковым содержанием карбидов. Кроме того, не обеспечивается надежная защита от окисления хромированного слоя, так как электролитический хром имеет значительное количество поверхностных трещин и вследствие проникновения кислорода адгезия хрома с чугуном оказывается недостаточной. Поэтому таким способом возможно получение лишь тонких покрытий невысокого качества, что не обеспечивает надлежащей работоспособности поверхностного слоя прокатных валков.A known method of diffusion chromium plating of rolled rolls of bleached cast iron, as a means of protecting the surface from cracking during hot rolling. While chromium plating was carried out in a solid way by applying a galvanic coating with a thickness of 0.01 0.02 mm and subsequent 20 hours annealing at 700 950 ^o C, which can be taken as a prototype of the present invention. The carbide layer resulting from the diffusion of carbon to chromium prevents the surface of the rolls from being heated during operation. However, the disadvantage of this method is the inevitable occurrence of partial graphitization of the bleached layer during high-temperature processing, and even with a small amount of lamellar graphite, the heat resistance and hardness will be lower than in a graphite-free layer with the same carbide content. In addition, reliable protection against oxidation of the chromium layer is not provided, since electrolytic chromium has a significant number of surface cracks and, due to the penetration of oxygen, the adhesion of chromium to cast iron is insufficient. Therefore, in this way, it is possible to obtain only thin coatings of low quality, which does not ensure proper performance of the surface layer of the rolling rolls.

Устранение указанных недостатков достигается проведением отжига валков с нанесенным электролитическим хромом в газовых средах, снижающих склонность белых чугунов к графитизации. Такими средствами являются водород, диссоциированный аммиак и инертные газы, которые затрудняют первую и вторую стадии графитизации, способствуют образованию свободных и связанных сложных карбидов. Водород, а также диссоциированный аммиак, как среды наиболее тормозящие графитизацию и обладающие высокой восстановительной способностью, рекомендуем для проведения диффузионного отжига белых чугунов. Для повышения адгезии покрытия с чугунной основой целесообразно использовать газовые среды, в частности водород, который восстанавливает окислы на контактной границе и ускоряет диффузионные процессы. Покрытие высокого качества получается при использовании глубокоочищенного и осушенного газа с точкой росы не выше -50^oC, с применением следующих режимов: нагрев со скоростью 13 30^o С/час с выдержкой ниже PSK на 10 30^o С и дальнейшим нагревом до температуры ниже линии ECF на 150 200^o С, медленное охлаждение под колпаком о скоростью 25 50^o С/час до температуры 650 700^oC и дальнейшее охлаждение на воздухе, ниже этих температур можно производить обдув поверхности валков сжатым воздухом для ускорения процесса охлаждения.The elimination of these drawbacks is achieved by annealing rolls coated with electrolytic chromium in gaseous media, reducing the tendency of white cast irons to graphitization. Such means are hydrogen, dissociated ammonia and inert gases, which complicate the first and second stages of graphitization, contribute to the formation of free and bound complex carbides. Hydrogen, as well as dissociated ammonia, as the medium that inhibits graphitization and has a high reducing ability, is recommended for diffusion annealing of white cast irons. To increase the adhesion of the coating with a cast iron base, it is advisable to use gaseous media, in particular hydrogen, which reduces oxides at the contact boundary and accelerates diffusion processes. A high-quality coating is obtained using deeply purified and dried gas with a dew point of not higher than -50 ^o C, using the following modes: heating at a rate of 13 30 ^o C / h with a shutter speed lower than PSK by 10 30 ^o C and further heating to a temperature below the line ECF at 150 200 ^o C, slow cooling under a hood at a speed of 25 50 ^o C / h to a temperature of 650 700 ^o C and further cooling in air, below these temperatures you can blow the surface of the rolls with compressed air to accelerate the cooling process.

Валки с отбеленной поверхностью, используемые на листопрокатных станах АО "НЛМК", имеют следующий средний химический состав 2,6C, 0,4 Si, 0,7 Mn, 0,4 P, 0,08 S, 0,7 Cr, 3,8 Ni, 0,3 Mo. Этот состав чугуна удобен для хромирования тем, что в процессе отжига цемент долго не распадается, т.к. содержит хром, молибден и мало кремния, а высокое содержание никеля, сильно задерживающего вторую стадию графитизации, позволяет использовать низкотемпературные режимы хромирования в области существования чугуна с ОЦК-решеткой. Известно, что в феррите скорость диффузии хрома на два порядка выше, чем в аустените. Rolls with a bleached surface used on sheet rolling mills of NLMK JSC have the following average chemical composition of 2.6C, 0.4 Si, 0.7 Mn, 0.4 P, 0.08 S, 0.7 Cr, 3, 8 Ni, 0.3 Mo. This composition of cast iron is convenient for chromium plating in that during the annealing process the cement does not decay for a long time, because contains chromium, molybdenum, and low silicon, and the high nickel content, which strongly delays the second stage of graphitization, allows the use of low-temperature chromium plating in the region of existence of cast iron with a bcc lattice. It is known that in ferrite, the chromium diffusion rate is two orders of magnitude higher than in austenite.

На основании вышеизложенного предлагается двухстадийный режим диффузионного хромирования поверхностного слоя валков из отбеленного чугуна:
а) припекание электролитического хрома при максимально высоких температурах существования феррита (до линии PSK) c выдержкой в низкотемпературной области с целью предотвращения отслоения покрытия из-за равных коэффициентов термического расширения чугуна и хрома и обеспечения приваривания хрома для более интенсивного протекания объема диффузии.Based on the foregoing, a two-stage mode of diffusion chromium plating of the surface layer of rolls of bleached cast iron is proposed:
a) baking of electrolytic chromium at the highest possible ferrite existence temperatures (up to the PSK line) with holding in the low temperature region in order to prevent peeling of the coating due to equal thermal expansion coefficients of cast iron and chromium and to ensure chromium welding for a more intense diffusion volume.

б) карбидизация покрытия в процессе медленного нагрева в аустенитной области до температуры 950 980^oC. Верхний предел температуры ограничен возможностью графитизации, а так же оплавления фосфидной эвтектики. В целях сокращения длительности процесса возможна неполная карбидизация хромового слоя, а ее завершение осуществляется при эксплуатации валков за счет воздействия высоких температур и напряжений.b) carbidization of the coating during slow heating in the austenitic region to a temperature of 950 980 ^o C. The upper temperature limit is limited by the possibility of graphitization, as well as fusion of phosphide eutectic. In order to reduce the duration of the process, incomplete carbidization of the chromium layer is possible, and its completion is carried out during the operation of the rolls due to exposure to high temperatures and stresses.

Такой двухстадийный режим позволяет получать покрытие высокого качества большой толщины (0,02 0,2 мм). В процессе диффузионного хромирования можно значительно повысить износостойкость подповерхностного (подкарбидного) слоя, в котором формируется сложнолегированный аустенит, содержащий до 4% Ni, 0,35% Mo и 5 20% Cr. Такой твердый раствор отличается высокой устойчивостью к распаду и при дальнейшем относительно медленном охлаждении превращается в мартенсит. Протяженность этой диффузионной зоны составляет 0,2 0,5 мм в зависимости от режимов хромирования и размеров валков, структура этого слоя представляет собой ледебуритный цемент и мартенсит. This two-stage mode allows you to get a high-quality coating of large thickness (0.02 0.2 mm). In the process of diffusion chromium plating, it is possible to significantly increase the wear resistance of the subsurface (subcarbide) layer in which complexly alloyed austenite is formed, containing up to 4% Ni, 0.35% Mo, and 5 20% Cr. Such a solid solution is highly resistant to decomposition and, upon further relatively slow cooling, turns into martensite. The length of this diffusion zone is 0.2 0.5 mm, depending on the chrome plating regimes and roll sizes, the structure of this layer is ledeburite cement and martensite.

Результаты проведенного диффузионного хромирования представлены на фиг. 1 и 2, из которых видно, что после отжига в слое электролитического хрома образовалась карбидная зона (1), толщина которой составляет примерно 40% от общей толщины хромированного слоя. В данном случае нагрев проводился со скоростью 25 30^o С/час, при скоростях нагрева 13 15^o С/час можно получить практически полностью карбидизированный слой. Однако наличие небольшого остаточного спеченного слоя хрома с большой пластичностью способствует быстрой и плавной приработке поверхности валка и при необходимости позволяет дополнительную абразивную обработку поверхности с требуемой точностью и чистотой. Тщательное излучение структуры показывает, что в отбеленном слое не наблюдается графитных включений (фиг. 2) Применяемый высокотемпературный отжиг при диффузионном хромировании оказывает положительное влияние на структуру серого чугуна, из которого состоит внутренний объем бочки и другие элементы валка, за счет снижения микроликвации кремния и повышения химической и физической однородности.The results of diffusion chromium plating are presented in FIG. 1 and 2, from which it is seen that after annealing in the electrolytic chromium layer, a carbide zone (1) was formed, the thickness of which is approximately 40% of the total thickness of the chromium layer. In this case, the heating was carried out at a speed of 25-30 ^o C / hour, at heating rates of 13 15 ^o C / hour, you can get almost completely carbidized layer. However, the presence of a small residual sintered chromium layer with high ductility contributes to a quick and smooth running-in of the roll surface and, if necessary, allows additional abrasive surface treatment with the required accuracy and cleanliness. Careful radiation of the structure shows that graphite inclusions are not observed in the bleached layer (Fig. 2). The applied high-temperature annealing during diffusion chromium plating has a positive effect on the structure of gray cast iron, which consists of the internal volume of the barrel and other roll elements, due to a decrease in the microliquation of silicon and increase chemical and physical homogeneity.

На фиг. 3 представлен график распределения микротвердости в хромированной зоне и в мартенситном подсоле, откуда видно, что карбидный слой глубиной до 0,03 мм имеет высокую микротвердость до 20 ГПа, мартенситный слой до 8 9 ГПа при исходной микротвердости 6 ГПа, т.е. диффузионное хромирование повышает поверхностную микротвердость в 2 3 раза. In FIG. Figure 3 shows the distribution of microhardness in the chrome zone and in the martensitic saline, from which it can be seen that the carbide layer up to 0.03 mm deep has a high microhardness of up to 20 GPa, the martensitic layer is up to 8 9 GPa at the initial microhardness of 6 GPa, i.e. diffusion chromium plating increases the surface microhardness by a factor of 2 3.

Claims (2)

1. Способ диффузионного хромирования прокатных валков из отбеленного чугуна, включающий нанесение гальванического хромового покрытия и отжиг, отличающийся тем, что покрытие наносят толщиной 0,02 0,2 мм, а отжиг проводят в глубокоочищенном и осушенном газе с температурой точки росы не выше -50^oС, выбранном из группы: водород, диссоциированный аммиак, инертные газы, по следующему режиму: нагрев со скоростью 13 30 град/ч и выдержка при температуре на 10 30^oС ниже линии РSK, дальнейший нагрев до температуры на 150 200^oС ниже линии ЕСF, медленное охлаждение под колпаком со скоростью 25 50 град/ч до 650 700^oС и дальнейшее охлаждение на воздухе.1. The method of diffusion chromium plating of rolls of bleached cast iron, comprising applying a galvanic chrome coating and annealing, characterized in that the coating is applied with a thickness of 0.02 to 0.2 mm, and the annealing is carried out in a deeply purified and dried gas with a dew point temperature of not higher than -50 ^o С, selected from the group: hydrogen, dissociated ammonia, inert gases, according to the following regime: heating at a speed of 13-30 deg / h and holding at a temperature of 10 30 ^o С below the PSK line, further heating to a temperature of 150 200 ^o С below ECF lines, slow cooling under the hood at a speed of 25 50 deg / h to 650 700 ^o C and further cooling in air. 2. Способ по n.1, отличающийся тем, что при охлаждении на воздухе проводят обдув поверхности прокатных валков сжатым воздухом. 2. The method according to n.1, characterized in that when cooling in air, they blow the surface of the rolling rolls with compressed air.

Images