Оцінка і прогнозування мікроструктури, властивостей робочого шару прокатних валків з високохромистого чавуну

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОЦІНКА І ПРОГНОЗУВАННЯ МІКРОСТРУКТУРИ, ВЛАСТИВОСТЕЙ РОБОЧОГО ШАРУ ПРОКАТНИХ ВАЛКІВ З ВИСОКОХРОМИСТОГО ЧАВУНУ

Попова Олена Георгіївна

Харькiв - 2001

Анотація

Попова О.Г. Оцінка і прогнозування мікроструктури, властивостей робочого шару прокатних валків з високохромистого чавуна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2001.

Застосування технології відцентрового лиття при виробництві двошарових прокатних валків широкополосних станів в Україні і країнах СНД засвоюється вперше. Технологічний процес виготовлення масивних валків (10-12 т) дуже складний. Регулювання і забезпечення необхідних показників їхньої якості вимагає проведення комплексу наукових досліджень, спрямованих на прогнозування структури та властивостей робочого шару.

У роботі виконаний статистичний аналіз якості нового типу двошарових валків вітчизняного виробництва з робочим шаром з високохромистого чавуну; встановлено вплив хімічного складу на структуру, фазовий склад і властивості високохромистого сплаву; вивчено вплив хрому на співвідношення фаз у сплаві і їхня роль у формуванні напружень. Показано зв'язок хімічного складу і швидкості кристалізації з властивостями карбідної фази, ступенем дисперсності структурних складових і однорідністю розподілу фаз по глибині робочого шару валка. Експериментально, на основі оцінюючих критеріїв, визначено оптимальні параметри термічної обробки двошарових високохромистих валків. Оцінено їхній вплив на зміну рівня напружень і стабільність розподілу хрому при різних режимах термообробки. Виявлено закономірності в розподілі легуючих елементів між фазами по глибині робочого шару валка в литому стані і після термообробки. Теоретично, з використанням експериментальних досліджень, обґрунтовано параметри термообробки (температура, витримка, швидкість нагрівання й охолодження) масивних валків для забезпечення різних вимог споживача. На основі виявлених закономірностей запропоновані оцінюючі критерії якості, що дозволяють прогнозувати структуру, механічні й експлуатаційні властивості матеріалу валків.

Економічний ефект від впровадження розробок у виробництво складає 2 млн. гривень на рік.

Ключові слова: високохромистий чавун, термічна обробка, критерії якості, параметри термічної обробки, зносостійкість.

1. Загальна характеристика роботи

Підвищення якості прокату висуває все більш високі вимоги до властивостей формуючого інструмента і збільшення терміну його служби. До числа прогресивних розробок в галузі технології виготовлення прокатних валків відноситься метод відцентрового лиття, що значно розширює можливості використання зносостійких, але нетехнологічних матеріалів, таких як високохромисті чавуни.

Останнім часом з'явилася значна кількість повідомлень про успішне застосування двошарових валків широкополосних станів з робочим шаром з високохромистого чавуну в закордонній практиці. При використанні валків цього типу значно збільшується випуск і підвищується якість прокату.

Актуальність теми. Застосування технології відцентрового лиття при виробництві двошарових прокатних валків широкополосних станів в Україні і країнах СНД засвоюється вперше. Технологічний процес виготовлення масивних валків (10-12 т) дуже складний. Регулювання і забезпечення необхідних показників їхньої якості вимагає проведення комплексу наукових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства. Дослідження є складовою частиною науково-дослідної роботи з госпдоговірної тематики з Лутугинським об'єднанням по виробництву прокатних валків “Аналіз якості відцентроволитих високохромистих валків і розробка пропозицій по стабілізації їхніх властивостей” (тема № 4-98 у період 1998-2000 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка оцінюючих критеріїв якості, що забезпечують прогнозування мікроструктури, властивостей і високу експлуатаційну стійкість відцентроволитих двошарових прокатних валків з робочим шаром з високохромистого чавуну.

Об'єкт дослідження: виробництво прокатних валків великої маси з заданими показниками якості.

Предмет дослідження: оцінка і прогнозування мікроструктури і властивостей робочого шару прокатних валків з високохромистого чавуну.

Висунуто наступні задачі дослідження:

- провести аналіз публікацій по застосуванню відцентроволитих листопрокатних валків з високохромистого чавуну. Узагальнити інформацію про їхню якість і виявити роль найбільш значних факторів, що регулюють рівень механічних і експлуатаційних властивостей;

- виконати статистичний аналіз якості нового типу двошарових валків вітчизняного виробництва з робочим шаром з високохромистого чавуну;

- встановити вплив хімічного складу на структуру, фазовий склад і властивості високохромистого сплаву;

- вивчити вплив хрому на співвідношення фаз у сплаві і їхню роль у формуванні напружень;

- експериментально, на основі оцінюючих критеріїв, визначити оптимальні параметри термічної обробки двошарових високохромистих валків. Оцінити їхній вплив на зміну рівня напружень і стабільність розподілу хрому при різних режимах термообробки;

- теоретично з використанням експериментальних досліджень обґрунтувати параметри термообробки (температуру, витримку, швидкість нагрівання та охолодження) для забезпечення різних вимог споживача;

- оцінити властивості, структуру та експлуатаційну стійкість валків з використанням запропонованих критеріїв якості. Виявити основні причини відмовлень валків у споживача;

- впровадити розробки в промисловість і оцінити їхню техніко-економічну ефективність.

Методи дослідження. Методологія проведення дослідження включала вивчення основних факторів і оцінюючих критеріїв, що визначають експлуатаційну стійкість відцентроволитих високохромистих валків, і спрямована на підвищення їхньої якості шляхом регулювання умов кристалізації, оптимізації хімічного складу матеріалу робочого шару, розробку ефективних режимів термообробки.

Дослідження структури і властивостей проводили з використанням як стандартних, так і спеціально розроблених методик: комплексне дослідження структури проводили металографічним методом, виміром мікротвердості, рентгеноспектральним мікроаналізом; як експрес-метод для оцінки рівня напружень використовували вимір коерцитивної сили; розроблена методика металографічної кількісної оцінки фазового складу високохромистих сплавів з використанням ПК; розрахунок температурних полів, напружень і дифузії хрому при термообробці валків виконували з застосуванням комплексу розроблених програм для ПК. Для прогнозування технологічних параметрів використовували одержані математичні моделі.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено вплив хімічного складу й умов кристалізації на формування структури і властивостей робочого шару валка;

- отримано математичні моделі, що встановлюють взаємозв'язок між хімічним складом, співвідношенням структурних складових, умовами формування робочого шару, параметрами термообробки і властивостями металу валка;

- виявлено закономірності в розподілі легуючих елементів між фазами по глибині робочого шару валка в литому стані і після термообробки;

- показано зв'язок хімічного складу і швидкості кристалізації з властивостями карбідної фази, ступенем дисперсності структурних складових і однорідністю розподілу фаз по глибині робочого шару валка;

- теоретичними оцінками виявлено температурні градієнти, визначено рівень термічних напружень, а також можливість перерозподілу хрому в неоднорідному полі напружень;

- на основі виявлених закономірностей запропоновано оцінюючі критерії якості, що дозволяють прогнозувати структуру, механічні й експлуатаційні властивості матеріалу валків.

Практична цінність роботи. На основі розроблених оцінюючих критеріїв запропоновані оптимальні умови формування робочого шару; розроблені рекомендації щодо вибору оптимального хімічного складу, параметрів термообробки високохромистого сплаву в залежності від вимог споживача та області застосування валків. Промислове впровадження розробок проведене на металургійних підприємствах України і Росії. Економічний ефект від впровадження 1000 т валків складає 2 млн. гривень у рік.

Особистий внесок здобувача складається: у розробці запропонованих критеріїв якості, що оцінюють робочий шар валків з високохромистого чавуну; теоретичному дослідженні та оцінках температурних градієнтів, що виникають при термообробці, термічних напружень і перерозподілу хрому в неоднорідному полі напружень [8]; у проведенні та аналізі експериментів по вивченню структури і властивостей робочого шару; в оцінках експлуатаційної стійкості високохромистих валків з урахуванням запропонованих критеріїв якості [4]; у побудові математичних моделей, що встановлюють взаємозв'язок між хімічним складом, умовами формування робочого шару, параметрами термообробки, структурою і властивостями високохромистого сплаву; у розробці методики кількісної оцінки фазового складу і засобів травлення високохромистого сплаву [6].

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень обговорювалися на конференціях: міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ століття” (2000, 2001 р.р., м. Севастополь); международній науково-практичній конференції “Напрямки розвитку технічного сервісу в ХХІ сторіччі” (2000 р., м. Харків); міжнародній науково - технічній конференції “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві” (2001 р., м. Харків); міжнародному симпозіумі “Обладнання та технології термічної обробки металів та сплавів у машинобудуванні” (2001 р., м. Харків).

Обсяг роботи. Робота складається з 6 розділів, загальних висновків і додатків. Список використаних джерел включає 168 найменувань. Загальний обсяг дисертації 218 сторінок. Основна частина роботи викладена на 139 сторінках і містить 42 рисунка, 24 таблиці, 8 додатків.

Публікації: Результати досліджень викладені у 9 статтях, у тому числі 4 у наукових журналах і 5 у збірниках наукових праць.

2. Основний зміст

чавун хімічний сплав високохромистого

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, приведені її наукова новизна і практична цінність.

Перший розділ присвячений аналізу науково-технічної і патентної інформації. Показано, що перспективним матеріалом для валків чистових клітей широкополосних прокатних станів є високохромистий чавун. Високохромисті сплави характеризуються високою зносостійкістю, твердістю, міцністю і корозійною стійкістю, однак вони нетехнологичні у виготовленні при стаціонарному литті. Найбільш ефективною технологією виготовлення двошарових валків з робочим шаром з високохромистого чавуну є метод відцентрового лиття. Експлуатаційні властивості таких валків стабільні при перешліфовках по всій глибині робочого шару. При використанні високохромистих валків замість хромо-нікель-молібденових випуск прокату збільшується в 2 рази. Це пов'язано з їхньою меншою схильністю до формування сітки розпалу, окислювання, налипання окалини при прокатці, більш високою твердістю в результаті формування спецкарбидів типу Ме7С3. Такі переваги валків з високохромистого чавуну (12-18% Cr) забезпечують стійкість у чистовій групі клітей широкополосних станів на рівні 3500 - 6500 т/мм з йому робочого шару.

Переважна частина інформаційних матеріалів присвячена питанням підвищення стійкості валків шляхом оптимізації легування. Це пов'язано з тим, що даний напрямок дозволяє істотно змінювати структуру сплаву (співвідношення структурних складових, ступінь їхньої дисперсності) і рівень фізико-механічних властивостей. В даний час ведучі закордонні вальцеробні фірми виготовляють такі валки з вмістом хрому 12-20% і вуглецю 2,4-3,4%. Найчастіше концентрація кремнію знаходиться в межах 0,4-0,6%, а марганцю - 0,8-1,2%. У ряді випадків такий чавун містить нікель у кількості 0,8-3,0%. Карбідна фаза високохромистих чавунів представлена карбідами (Fe,Cr)3C, (Cr,Fe)7C3 і (Cr,Fe)23C6, а структура матриці визначається ступенем легування сплаву хромом, нікелем і молібденом.

Валки з високохромистого чавуну піддаються термообробці для зняття напружень, зниження чи підвищення твердості. Вибір режиму термообробки залежить від вихідної структури матеріалу робочого шару, а також від призначення валка. Необхідно враховувати, що тріщини в процесі термічної обробки виникають, головним чином, під впливом напружень, сформованих під час розпаду залишкового аустеніту і значного градієнта температур у масивних відливках. При виготовленні прокатних валків ефективні багатоступінчасті термообробки, що становлять комбінації відпалів. У результаті циклічних термообробок, що сприяють субструктурному зміцненню, досягається підвищення зносостійкості і міцності сплаву.

Інформаційні матеріали практично не містять даних про технологічні параметри лиття і термообробки, що забезпечують можливість регулювання властивостей робочого шару валків. Також відсутня інформація про методи і підходи до регулювання і забезпечення заданих показників якості.

В другому розділі розроблена методологія проведення досліджень, що включає вивчення основних факторів і оцінюючих критеріїв, що визначають експлуатаційну стійкість відцентроволитих валків з робочим шаром з високохромистого чавуну, і спрямована на підвищення їхньої якості шляхом удосконалювання умов кристалізації робочого шару, оптимізації хімічного складу матеріалу, а також обґрунтування ефективних режимів і параметрів термообробки з урахуванням вимог споживача.

Досліджені високохромисті сплави, що є перспективним матеріалом для формування робочого шару прокатних валків, відлитих методом відцентрового лиття. Досліджували матеріал робочого шару наступного хімічного складу: 2,56 - 3,25%C; 0,33 - 0,98%Si; 0,81 - 1,31%Mn; 12,2 - 18,8%Cr; 1,16 - 2,23%Ni; 0,56 - 1,37%Mo; 0,025 - 0,04%Mg; 0,01 - 0,143%Ti; 0,06 - 0,18%P; 0,03 - 0,07%S; 0,05 - 0,44%V; 0,05 - 0,25%Cu.

Комплексне дослідження структури проводили металографічним методом, виміром мікротвердості, рентгеноспектральним мікроаналізом.

В якості експрес - методу для визначення рівня напружень при лабораторних і промислових дослідженнях сплавів з різним вмістом хрому і параметрами термообробки використовували оцінку по коерцитивній силі. Розроблено методику металографічного кількісного аналізу фазового складу високохромистих сплавів з використанням рекомендованих режимів травлення і ПК. Ця методика в сполученні з виміром мікротвердості дозволяє швидко і з високою точністю ідентифікувати фази і визначити їхнє кількісне співвідношення в сплаві з різним вмістом хрому. Розрахунок температурних полів, термічних напружень і перерозподілу хрому в полі напружень при термообробці валків виконували з застосуванням спеціально розроблених програм для ПК.

Третій розділ присвячений вивченню впливу хімічного складу та умов формування робочого шару на структуру і властивості відцентроволитих двошарових високохромистих валків. Властивості робочого шару з високохромистого чавуну прокатних валків діаметром 800-900 мм і масою 10 - 12 т найбільш повно оцінюються за рівнем твердості, міцності і коерцитивної сили. Вибір визначеного хімічного складу і технологічних параметрів лиття дозволяє забезпечити необхідний рівень властивостей робочого шару. Отримано математичну модель, що встановлює взаємозв'язок, між рівнем твердості (HS) по глибині робочого шару і товщиною шару теплоізоляційного покриття форми, температурою заливання металу і хімічним складом сплаву.

HS5мм=70,1-1,4X1+4,6X2+0,9X3 (1)

HS10-20мм=69,9-1,1X1+4,6X2+0,9X3 (2)

HS25мм=69,4-0,6X1+4,6X2+0,9X3 (3)

Спад твердості по глибині робочого шару незначний і не перевищує ~1%. Найбільш істотний вплив на рівень твердості має хімічний склад сплаву (коефіцієнт К). Величина шару теплоізоляційного покриття форми в більшій мірі змінює рівень твердості на глибині 5 мм. На глибині 25 мм роль цього фактора знижується більш ніж у 2 рази. Температура заливання металу в досліджуваному інтервалі незначно впливає на зміну твердості (~на 1,2%). Встановлено, що між твердістю і характеристиками міцності високохромистого чавуну існує стійке співвідношення. Визначено розрахункові коефіцієнти уизг/НВ = 1,2 і уизг/усж = 0,3, що дозволяє методом, що не руйнує, оцінювати характеристики міцності робочого шару валків. Розрахунковим шляхом визначена міцність сплавів з різним хімічним складом. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта К міцність підвищується і досягає уизг 600МПа і усж 2000МПа при К=6 - 7.

Як показали дослідження, існує стійкий кореляційний зв'язок між коерцитивною силою і твердістю. Співвідношення між коерцитивною силою і рівнем твердості описується лінійним рівнянням: Hc=1,52HS-63,3. Отримане рівняння може бути використане при оцінені показників, як на валках, так і на кільцях, відібраних від них. Показник коерцитивної сили можна використовувати як експрес-метод для оцінки напруженого стану робочого шару валка.

Вихідній структурі належить вирішальне значення у формуванні властивостей високохромистих чавунів. У залежності від ступеня легування аустеніт здобуває різну стабільність, що, у свою чергу, впливає на властивості сплаву. Для прогнозування впливу хрому і нікелю на співвідношення фаз матриці запропонована математична модель:

-для мартенситу М=20,8+16,8Х1 (4)

- для залишкового аустеніту А=13,5+7,5Х1 (5)

Встановлено, що вплив нікелю на зміну частки залишкового аустеніту і мартенситу в досліджуваному інтервалі концентрацій (1,14-1,70%) незначний. При збільшенні вмісту хрому до 18,8% частка залишкового аустеніту зростає до 25%, а мартенситу - до 40%.

Властивості високохромистих сплавів найтісніше пов'язані зі співвідношенням структурних складових. Отримано математичну модель, що характеризує взаємозв'язок частки карбідної фази, залишкового аустеніту (5-25%) і мартенситу (0-40%) у структурі сплаву з рівнем твердості і коерцитивной сили. Х1 враховує частку залишкового аустеніту і мартенситу, тому що ці фактори взаємозалежні.

HS=70,5+5,0Х1+2,5Х2 (6)

Hc=42,0+6,5Х1+3,0Х2 (7)

За рахунок збільшення частки залишкового аустеніту від 5 до 25%, а мартенситу до 40% при постійній кількості карбідної фази можна підвищити твердість на 10 HS, що складає 14,2% від її середнього рівня, при цьому коерцитивна сила зростає на 30%. Підвищення рівня коерцитивної сили свідчить про істотний ріст фазових напружень, що при експлуатації може сприяти тріщиноутворюванню. При зменшенні частки карбідної фази можна домогтися зниження коерцитивної сили на 14,3%, при цьому твердість знизиться на 5HS.

Методом рентгеноспектрального мікроаналізу показано, що при формуванні робочого шару відцентровим литтям, вміст нікелю, хрому і марганцю практично не змінюється по глибині. Вміст кремнію і молібдену збільшується до перехідної зони в 1,5-1,8 рази. Виявлено неоднорідність розподілу елементів у зерні первинного аустеніту. Концентрація хрому змінюється від 4,7% у прикордонній з карбідом області до 14,9% у центрі зерна. Карбідна фаза високохромистого сплаву представлена карбідами цементитного типу, (Cr,Fe)7C3, а також складними сполуками на основі Fe, Cr і Mo. Мікротвердість карбідів типу (Fe, Cr)3C знаходиться в межах H-50-800-1100, а спецкарбидов хрому (Cr, Fe)7C3 - у межах Н-50-1250-1450. Також виявлені карбіди з Н-50-1600-1900, які можна віднести до складних сполук типу (Cr, Fe, Mo)23C6. Дослідженнями встановлено, що збільшення вмісту хрому в сплаві приводить до підвищення рівня мікротвердості карбідів. Зі збільшенням вмісту хрому від 13,9 до 18,8% мікротвердість карбідів (Fe,Cr)3C зростає від Н-50-856 до Н-50-944, а (Cr,Fe)7C3 - від Н-50-1372 до Н-50-1436. Рівень мікротвердості карбідної фази на глибині 5-25 мм залежить від товщини теплоізоляційного покриття. Так, на глибині 5-25 мм середня мікротвердість карбідної фази на 4 - 5% вище, ніж на глибині 25-60 мм. При цьому до поверхні неоднорідність вимірюваних значень збільшується приблизно в 2 рази. При максимальній товщині теплоізоляційного покриття (5,5-7,0 мм) мікротвердість карбідів на поверхні і по глибині розрізняється ~ на 2-3%.

Виявлено кореляцію між хімічним складом високохромистого сплаву і ступенем дисперсності структури. Зі збільшенням коефіцієнту К від 4,4 до 6,6 розмір аустенітного зерна зменшується від 90 до 70 мкм, подрібнюються евтектичні карбіди від 95 до 80 мкм і зменшується відстань між ними від 18 до 15 мкм. Частка карбідів і ступінь дисперсності структури змінюється по глибині робочого шару. Найбільш дрібна структура формується при високих значеннях коефіцієнта К (>5,5), а однорідна по перетину при hтп = 5-7 мм.

У четвертому розділі проведене дослідження впливу термічної обробки на структуру і властивості високохромистих сплавів. Проблема підвищення якості робочого шару може вирішуватися як оптимізацією хімічного складу сплаву, так і технологічними шляхами: варіюючи умови формування робочого шару і параметри наступної термообробки. При дослідженні впливу хімічного складу по коефіцієнту К, товщини шару теплоізоляційного покриття форми і температури термообробки (2000С?Х3=5500С) на рівень твердості по глибині робочого шару застосовували факторне планування експерименту і одержали рівняння:

HS5мм=65,3-1,1Х1+3,4Х2-1,6Х3 (8)

HS10-20мм=64,8+3,4Х2-1,6Х3 (9)

HS25мм=64,6+3,4Х2-1,6Х3 (10)

Як показав аналіз рівнянь регресії, найбільш істотний вплив на твердість робочого шару після термообробки має хімічний склад. Так, при зміні К від 5,0 до 7,04 твердість зростає ~ на 7НS. Вплив товщини шару теплоізоляційного покриття форми зберігається лише на глибині до 5мм.

Двоступінчаста термообробка при температурах 450 і 500 0С сприяє підвищенню міцності для всього інтервалу значень К. Для валків з К<5, у структурі яких відсутній залишковий аустеніт, найбільш оптимальним є подвійний відпал при температурі 450 0С. Такий режим термообробки сприяє найбільш повному зняттю залишкових напружень. Для валків з К=5-7 доцільно використовувати двоступінчасту термообробку при температурі 5000С.

Серед процесів, що протікають при термообробці ведуча роль належить фазовим перетворенням у металевій матриці і зняттю напружень. Термічна обробка сплавів з перлітною структурою матриці (4 К<5) зводиться тільки до зняття ливарних напружень, при цьому твердість знижується в середньому на 2-3%, а коерцитивна сила на 4-6%. Відпал сплавів зі змішаною структурою матриці (перліт, мартенсит і залишковий аустеніт, К=5-7) в інтервалі температур 400-500 0С сприяє повному зняттю залишкових ливарних напружень. Зміна співвідношення структурних складових матриці відбивається на рівні твердості. Так, термообробка в інтервалі температур 550-600 0С приводить до часткового розпаду залишкового аустеніту і мартенситу зі зниженням твердості в середньому для 5-K<6 на 6,1%, а для 6-К-7 на 9,9%, і коерцитивної сили на 16,5% і 23,8% відповідно. У процесі витримки при температурі 700-750 0С відбувається повний розпад мартенситу і залишкового аустеніту, а також найбільш повна релаксація як ливарних, так і фазових напружень у сплаві. При цьому відбувається вирівнювання значень твердості до 60-62HS і коерцитивної сили до Нс = 28 - 30 незалежно від значень К.

Одержано математичні моделі, що відбивають вплив вихідної структури на рівень твердості і коерцитивної сили після різної термообробки (Х1 - враховує частку залишкового аустеніту і мартенситу, Х2 - частку карбідної фази, Х3 - температуру термообробки).

HS=67,0+3,3X1+2,4X2-1,6X3 (11)

Hc=38,6+5,0X1+3,7X2-2,4X3 (12)

Найбільш істотний вплив на рівень твердості і коерцитивної сили має частка залишкового аустеніту і мартенситу в структурі сплаву. Використання рівнянь регресії дозволяє обґрунтовано підійти до вибору режиму термообробки для сплавів з різною вихідною структурою. З зіставлення коефіцієнтів рівнянь регресії виходить, що сплави зі значною часткою мартенситу і залишкового аустеніту в структурі необхідно піддавати термообробці при більш високій температурі (500 С) для повного зняття напружень і часткового розпаду залишкового аустеніту.

Проведені методом рентгеноспектрального аналізу дослідження показали, що після термообробки відбувається перерозподіл хрому по глибині робочого шару. Так, на глибині 5 мм вміст хрому підвищується до 20,2%, а на глибині 55 мм - не перевищує 14,9%. Дифузія хрому до поверхні робочого шару пов'язана з градієнтом напружень, що виникають при термообробці валків.

Термообробка сприяє зменшенню концентраційних неоднорідностей компонентів по зерну, що забезпечує вирівнювання мікротвердості структурних складових. Так, після термообробки в інтервалі температур 500-750 0С неоднорідність карбідної фази по мікротвердості складає в середньому ~ 1%.

Для вивчення процесів, що відбуваються в серцевині двошарових прокатних валків були проведені виміри рівня твердості і коерцитивної сили на зразках від шийок у литому стані і після термообробки при температурах 700-750 0С. Така термообробка практично не змінює твердість і коерцитивну силу, що свідчить про відсутність процесів графітизації в серцевині прокатних валків. Разом з тим існує реальна небезпека деформації шийок із сірого чавуну при таких температурах нагрівання.

У п'ятому розділі проведено розрахунок і аналіз сформованих температурних полів, а також термічних напружень, що виникають при термообробці, оцінений перерозподіл хрому в неоднорідному полі напруг.

Для цього вирішували рівняння теплопровідності в циліндричних координатах:

(13)

де r - відстань від центра до розглянутої крапки по радіусу валка;

ф - час;

Т - температура в крапках (r,ф);

c - питома теплоємність;

г - щільність;

л - теплопровідність.

Початковою умовою є: Т(r,0)=T0

Крайові умови: у центрі валка: |r=0; температуру поверхні валка приблизно вважали рівній температурі в печі T(R,ф)=f(ф), де R - радіус валка; f(ф) - заданий режим нагрівання й охолодження валка в печі.

Термічні напруження розраховували по отриманому температурному полю в кожен момент часу на основі варіаційного принципу мінімуму додаткової роботи щодо істинного геометричного зсуву внутрішніх шарів валка.

Швидкість нагрівання й охолодження в процесі термообробки валків повинна бути строго регламентована. Висока швидкість нагрівання й охолодження приводить до виникнення великих термічних напружень, обумовлених температурними градієнтами по перетину валка. Так, при нагріванні валка зі швидкістю ~20 0С/год різниця температур на поверхні й у центрі валка досягає ~50 0С, а інтенсивність термічних напружень - 90-94МПа. У процесі витримки ~5год. температура по перетину валка вирівнюється і напруження знижуються.

Зменшення швидкості охолодження до 3,7 0С/год дозволяє знизити різницю температур на поверхні й у центрі валка до 10 0С, а інтенсивність термічних напружень до 7,0 МПа. Однак у процесі термообробки інерційність печі не дозволяє знизити швидкість охолодження до 3,7 0С/год. Компенсувати цей недолік можливо проведенням додаткової ступені витримки для вирівнювання температури по перетину валка.

Розподіл концентрації хрому по перетину робочого шару в кожну мить часу може бути описаний диференціальним рівнянням

, (14)

де - час;

- координата, відлічена від поверхні робочого шару;

С- концентрація хрому, що залежить від координати і часу;

В - рухливість атомів хрому.

Розрахунковим шляхом отримана зміна профілю розподілу хрому по перетину робочого шару в кожен момент часу під дією градієнта напружень, що виникає при термообробці валка. Найкращий збіг даних, отриманих розрахунковим і експериментальним шляхом досягається при В=(5,5-7,0)10-11м/с. Розроблена методика дозволяє аналітичним шляхом розрахувати профіль розподілу хрому після різних режимів термообробки і вибрати такий її режим, при якому зберігається найбільш рівномірний розподіл хрому по перетину робочого шару. Встановлено, що швидкість нагрівання й охолодження не повинна перевищувати 10-15 0С/год, а витримка при відпалу повинна бути не менш 5-7 год.

Шостий розділ присвячений аналізу експлуатаційної стійкості відцентроволитих валків з робочим шаром з високохромистого чавуну й оцінці економічної ефективності розробок.

Застосування на чистових клітях широкополосних станів валків з високохромистого чавуну замість хромонікелевих дозволило підвищити їхню стійкість у 1,5 рази. Таке підвищення експлуатаційної стійкості досягається забезпеченням формування однорідної структури по перетину робочого шару, її здрібненням при визначеному співвідношенні компонентів у сплаві, а також за рахунок параметрів термообробки, що рекомендуються, по режиму подвійного відпалу при температурі 450 С для сплавів з К<5, у структурі яких відсутній залишковий аустеніт і при 500 С - для сплавів з К>5.

Прогнозування поводження сплавів при експлуатації нерозривно пов'язано з аналізом основних факторів, від яких залежить рівень властивостей і експлуатаційна стійкість матеріалу: результати розрахунків температурних полів, оцінки формованих напружень і умов, при яких порушується рівномірність розподілу хрому, його часткова втрата, зменшення концентрації за рахунок дифузії і локалізації в поверхневому шарі, що піддається наступній механічній обробці. Розроблена технологічна інструкція на термічну обробку валків широкополосних станів з високохромистого чавуну прийнята на ЛОПВ і використовується при їхньому виробництві.

Оптимізацією хімічного складу високохромистого чавуну досягається здрібнення карбідної фази, підвищення міцності і зменшення схильності до тріщиноутворювання. Встановлено, що найбільш високий комплекс властивостей досягається у високохромистих чавунах з коефіцієнтом К=5,5-7,0. Вміст нікелю в сплаві повинен бути обмежений відношенням Ni/К - 0,28. Зміна концентрації кремнію (0,33 - 0,98%) і молібдену (від 0,58 до 1,37%) не мають помітного впливу на показники стійкості. Модифікування титаном приводить до зниження експлуатаціійної стійкості і передчасному руйнуванню робочого шару валків. Кращою стійкістю до утворення тріщин характеризуються валки з максимальною товщиною шару теплоізоляційного покриття форми (hтп=5-7 мм), що забезпечує найбільш рівномірний розподіл карбідної фази по перетину. Оптимальний рівень і збалансований розподіл залишкових напружень може бути забезпечений відповідним режимом і параметрами термообробки.

Ефективність виконаних розробок досягається підвищенням якості, експлуатаційної стійкості і надійності валків. Впровадження результатів досліджень дало можливість скоротити простої станів на перевалках, підвищити експлуатаційну стійкість валків у 1,5 рази, зменшити їх витрати, а також підвищити якість металопрокату. Фактичний економічний ефект від впровадження 1000т валків становить 2 млн. гривень на рік. Очікуваний ефект від розширення обсягу впровадження виконаних робіт складе ~ 4 млн. гривень на рік при збільшенні обсягів виробництва до 2000т (максимально припустимий обсяг виробництва на відцентровій машині з вертикальною віссю обертання).

Висновки

1. Застосування технології відцентрового лиття при виробництві двошарових прокатних валків широкополосних станів в Україні і країнах СНД засвоюється вперше. Технологічний процес виготовлення масивних валків дуже складний. Регулювання і забезпечення необхідних показників якості таких валків вимагає проведення комплексу наукових досліджень, спрямованих на підвищення експлуатаційної стійкості формуючого інструменту нового виконання. Для регулювання якості й одержання валків із заданими показниками необхідно визначити основні оцінюючі критерії, що дозволяють прогнозувати мікроструктуру, механічні й експлуатаційні властивості сплаву робочого шару.

2. На основі виконаних досліджень показано, що основними критеріями, які добре описують якість і зносостійкість валка з робочим шаром з високохромистого чавуна, є: частка залишкового аустеніту; ступінь дисперсності структури; хімічний склад (коефіцієнт К та відношення Ni/K чи Cr/Ni); механічні властивості; коерцитивна сила; рівень напружень, регульований параметрами термообробки, а також запропоновані математичні моделі, що встановлюють взаємозв'язок між цими характеристиками.

3. На основі статистичного аналізу якості і наробітки валків широкополосних станів з робочим шаром з високохромистого чавуну діаметром 800-900 мм і масою 10-12 т отримані математичні моделі, що встановлюють взаємозв'язок між хімічним складом, умовами формування робочого шару, параметрами термообробки і властивостями високохромистих сплавів. Найбільш істотний вплив на рівень твердості робить хімічний склад сплаву (коефіцієнт К). Величина шару теплоізоляційного покриття форми впливає на рівень твердості на глибині 5 мм. На глибині 25 мм роль цього фактора знижується більш ніж у 2 рази. Виявлено стійкий зв'язок між твердістю і характеристиками міцності високохромистого сплаву. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта К міцність підвищується.

4. Встановлені залежності, що характеризують вплив хрому на співвідношення фаз матриці. При збільшенні його змісту від 12,2 до 18,8% частка залишкового аустеніту зростає до 25%, а мартенситу - до 40%. Серед процесів, що протікають при термообробці, головна роль належить фазовим перетворенням у металевій матриці і зняттю напружень. Термічна обробка в інтервалі температур 400-600 0С по-різному впливає на структуру і властивості сплавів з різними значеннями К:

- при перлітній структурі матриці (4-К<5) забезпечується тільки зняття ливарних напружень, при цьому твердість знижується в середньому на 2 - 3%, а коерцитивна сила на 4 - 6%;

- при змішаній структурі матриці (перліт, мартенсит і залишковий аустеніт) - одночасно зі зняттям ливарних напружень, в інтервалі температур 550-600 0С відбувається частковий розпад залишкового аустеніту і мартенситу зі зниженням твердості в середньому для 5-K<6 на 6,1%, а для 6-К-7 на 9,9%, і коерцитивної сили на 16,5% і 23,8% відповідно. Відпал при температурах 700-750 0С забезпечує найбільш повний розпад мартенситу і залишкового аустеніту, а також повну релаксацію як ливарних, так і фазових напружень. Спостерігається зниження твердості до 60-62HS і коерцитивної сили до Нс=28-30 незалежно від значень К. При цьому практично не змінюється твердість і коерцитивна сила матеріалу серцевини валка, що свідчить про відсутність в ній процесів графітизації.

Отримано математичну модель, що відбиває вплив вихідної структури на рівень твердості і коерцитивної сили після різної термообробки. Найбільш істотний вплив на ці показники якості має частка залишкового аустеніту і мартенситу в структурі сплаву. Використання рівнянь регресії дозволяє обґрунтовано підійти до вибору режиму термообробки для сплавів з різною вихідною структурою. З зіставлення коефіцієнтів рівнянь регресії виходить, що сплави зі значною часткою мартенситу і залишкового аустеніту необхідно піддавати термообробці при температурі 500 С для більш повного зняття напружень і розпаду залишкового аустеніту.

5. Дослідженнями встановлено, що мікроструктура сплаву робочого шару валка істотно залежить від розподілу компонентів. Методом рентгеноспектрального мікроаналізу показано, при формуванні робочого шару відцентровим литтям хром, нікель і марганець розподіляються однорідно по його перетину. Одночасно виявлена ліквація кремнію і молібдену, їхній вміст збільшується до перехідної зони в 1,5-1,8 рази. Аналізом розподілу хрому по аустенітному зерну показано, що його концентрація істотно нижче в прикордонній з карбідною фазою області (4,7%) у порівнянні з центром зерна (14,9%).

6.Встановлено, що карбідна фаза високохромистого сплаву робочого шару валків складається з сполук: (Fe, Cr)3C, (Cr, Fe)7C3 і (Cr, Fe, Mo)23C6. Виявлені карбіди відрізняються концентрацією хрому і рівнем мікротвердості, що дорівнює Н-50-800-1100, Н-50-1250-1450 і Н-50-1600-1900 відповідно. Частка евтектичних карбідів і ступінь дисперсності структури робочого шару з високохромистого чавунау не є постійною величиною і залежать від хімічного складу сплаву і швидкості його кристалізації. Виявлено закономірності, що дозволяють прогнозувати формування найбільш дрібної й однорідної по перетину робочого шару структури. Найбільш дрібна структура формується при високих значеннях коефіцієнта К(>5,5), а однорідна по перетину при hтп = 5-7 мм.

7.Швидкість нагрівання й охолодження в процесі термообробки валків повинна бути строго регламентована. Так, при нагріванні валка зі швидкістю ~20 0С/год різниця температур на його поверхні й у центрі складає ~50 0С. Величина термічних напружень при цьому досягає 90-94 МПа. У процесі витримки ~5год температура по перетину валка вирівнюється, і напруження значно знижуються. Зменшення швидкості охолодження до 3,7 0С/год дозволяє знизити різницю температур на поверхні й у центрі валка до 10 0С, а інтенсивність термічних напружень - до 7,0 МПа. Розрахунковим шляхом отримана зміна профілю розподілу хрому по перетину робочого шару в кожен момент часу під дією градієнта напружень, що виникає при термообробці валка. Найкращий збіг даних, отриманих розрахунковим і експериментальним шляхом досягається при В=(5,5-7,0)10-11м/с. Розроблена методика дозволяє аналітичним шляхом розрахувати профіль розподілу хрому після різних параметрів термообробки і вибрати такі, при яких забезпечується найбільш рівномірний його розподіл по перетину робочого шару. Встановлено, що швидкість нагрівання й охолодження не повинна перевищувати 10-15 0С/год, а витримка при відпалі повинна бути не менш 5-7 год.

8. Застосування на чистових клітях широкополосних станів валків з високохромистого чавуна замість хромонікелевих дозволило підвищити їхню стійкість у 1,5 рази. Це досягається формуванням однорідної структури по перетину робочого шару, її здрібненням при визначеному співвідношенні компонентів у сплаві і за рахунок параметрів термообробки, що рекомендуються, по режиму подвійного відпалу при температурі 450 С для сплавів з К<5, у структурі яких відсутній залишковий аустеніт і при 500 С для сплавів з К>5 зі змішаною структурою матриці (перліт, аустеніт, мартенсит). Оптимізацією хімічного складу високохромистого чавуну досягається здрібнення карбідної фази, підвищення міцності і зменшення схильності до тріщиноутворювання. Встановлено, що найбільш високий комплекс властивостей відповідає високохромистим чавунам з коефіцієнтом К=5,5-7,0. Вміст нікелю в сплаві повинен бути обмежений відношенням Ni/К?0,28. Кращою стійкістю до утворення тріщин характеризуються валки з максимальною товщиною шару теплоізоляційного покриття форми (hтп=5-7мм), що забезпечує найбільш рівномірний розподіл карбідної фази по глибині робочого шару. Оптимальний рівень коерцитивної сили (до 42 од.) і збалансований розподіл залишкових напружень може бути забезпечений відповідним режимом термообробки.

9. Ефективність виконаних розробок досягається підвищенням якості, експлуатаційної стійкості і надійності валків. Впровадження результатів досліджень дало можливість скоротити простої станів на перевалках, а також підвищити експлуатаційну стійкість валків у 1,5 рази, зменшити їх витрати, поліпшити якість металопрокату. Економічний ефект від впровадження 1000 т валків склав 2 млн. гривень на рік. Очікуваний ефект від розширення обсягу впровадження складе ~ 4 млн. гривень у рік при збільшенні обсягів виробництва до 2000 т.

Cписок опубликованих праць за темою дисерації

1. Чаплинский А.В., Тимофеев П.В., Попова Е.Г. Фазовый состав высокохромистого сплава в литом и термообработанном состоянии // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. трудов ХГТУСХ. - Харьков. - 1999. - С. 62 - 63.

2. Попова Е.Г., Тимофеев П.В. Оценка напряженного состояния прокатных валков методом коэрцитивной силы // Повышение надежности восстанавливаемых деталей машин: Сб. науч. трудов ХГТУСХ. - Харьков. - 1999. - С.142 - 143.

3. Попова Е.Г. Исследование структуры и фазового состава высокохромистых сплавов рабочего слоя центробежнолитых валков // Вестник ХГПУ. - Харьков. - 2000. - Вып. 78. - С. 28 - 29.

4. Скобло Т.С., Попова Е.Г., Будагьянц Н.А., Жижкина Н.А. Эксплуатационная стойкость валков широкополосных станов, отлитых методом центробежного литья // Вісник ХДТУСГ. - Харьков. - 2000. - С. 240 - 243.

5. Попова Е.Г. Особенности структурообразования в высокохромистых сплавах для прокатних валков // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. научн. трудов. - Вып. 13. - Донецк. - 2000. - С. 115 - 119.

6 .Скобло Т.С., Попова Е.Г. Методика оценки структуры рабочего слоя прокатних валков из высокохромистого чугуна // Вісник інженерної академії України. - Київ. - 2001. - № 3. - С. 67 - 71.

7. Попова Е.Г. Качество рабочего слоя високохромистых двухслойных валков // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. научн. трудов. - Вып.17. - Донецк. - 2001. - С. 174-179.

8. Скобло Т.С., Попова Е.Г. Методика разработки режимов термической обработки массивных оливок двухслойных прокатних валков с рабочим слоем из высокохромистого чугуна // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении: Сб. докл. Второго Международного симпозиума. - Ч.1. - Харьков. - 2001. - С.182-186.

9. Скобло Т.С., Попова Е.Г., Сидашенко А.И. Влияние количества и размера карбидной фазы на свойства центробежнолитых валков с рабочим слоем из высокохромистого чугуна // Литейн. пр-во. - 2001. - №8. - С.7-8.

Размещено на Allbest.ru