УДК 620.179.14
МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ СКЛОННОСТИ К ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН В ПРОКАТНЫХ ВАЛКАХ ИЗ БЕЛОГО ЧУГУНА ИЧХ16МЛ
Г.В. Бида, О.В. Нестерова
Исследованы связи коэрцитивной силы с твердостью участков валков — торцов, реборд и ручьев — с трещинами и без них. Показано, что склонность к трещинообразова-нию можно проконтролировать по размаху показаний коэрцитиметра на конкретной поверхности валка.
Ключевые слова: белый чугун, коэрцитивная сила, коэрцитиметр, трещина, твердость, износостойкость, прокатный валок.
При изготовлении валков для калибровочных станов при производстве труб применяют белый чугун ИЧХ16МЛ. Его химический состав: С = 2,4—2,6 %; Мп = 0,4—0,6 %; = 0,4—0,6 %; Сг = 15—18 %; Мо = 0,9— 1,1 %; Р — не более 0,1 %; Б — не более 0,06 %. Чугун модифицируют иттрием или церием совместно с иттрием. Диаметры валков 350—624 мм.
Структура литых чугунов представляет собой металлическую основу — аустенит и карбиды разветвленной формы [1—3]. У исследуемых валков в литом состоянии структура — дендриты аустенита с крупными карбидами, при этом форма карбидов и аустенитных образований зависит от степени модифицирования иттрием. Количество карбидов в чугуне в основном определяется содержанием углерода и хрома и составляет 25—30 %. Высокая износостойкость этих чугунов обеспечивается повышенной микротвердостью карбидов, их мелкодисперсностью и разветвленным строением. Размеры первичных и эвтектических карбидов определяются скоростью охлаждения в процессе кристаллизации и их критический размер составляет 7—8 мкм. При увеличении их размера износостойкость скачкообразно уменьшается.
Чугуны данного типа обладают высокой твердостью и износостойкостью, а также повышенной склонностью к образованию горячих и холодных трещин, что обусловлено широким температурным интервалом кристаллизации чугуна (системы с многокомпонентной эвтектикой: аустенит + цементит, аустенит + перлит, аустенит + карбиды хрома и молибдена) при низкой теплопроводности, что приводит к постепенному накоплению напряжений и повышению вследствие этого общего уровня внутренних напряжений. Причиной трещинообразования является значительная линейная усадка слитка, поэтому при выплавке рекомендуются перегрев расплава до 1500 °С и выдержка при этой температуре не менее 15 мин. Температура заливки 1340—1360 °С.
Снижение скорости охлаждения застывшего чугуна, как и увеличение диаметра отливки приводят к увеличению размеров дендритов первичного аустенита, расстояния между карбидами в эвтектике, укрупнению карбидов. Именно для уменьшения размеров эвтектических колоний чугуны модифицируют иттрием, цирконием (0,1 %), бором (0,1 %). При этом дендриты аустенита становятся более разветвленными, измельчаются и карбиды, структура становится более равномерной. Иттрий способствует также повышению износостойкости. Максимальный коэффициент износостойкости ки = 1,8 достигается при вводе иттрия ~0,1 %. Он же способ-
Григорий Васильевич Бида, доктор техн. наук, главный научный сотрудник ИФМ УрО РАН. Тел. (343) 378-36-18.
Ольга Викторовна Нестерова, старший инженер Северского трубного завода. Тел. +79226151871.
ствует максимальной микротвердости аустенита. Обработка резанием отливок затруднена из-за высокой твердости, поэтому необходим полный отжиг.
При отжиге аустенит превращается в ферритокарбидную смесь различной дисперсности. Однако он может распадаться не полностью и частично сохраняться в виде аустенитно-карбидной смеси в междендритных областях. Остаточный аустенит в структуре недопустим из-за возможного наклепа при механической обработке и мартенситного превращения в зоне резания. Полный отжиг (Тотж = 960 °С) обеспечивает более полное перлитное превращение, коагуляцию карбидов и улучшение равномерности распределения структурных составляющих в чугуне.
При неполном отжиге остается повышенное количество остаточного аустенита и ферритокарбидная смесь разной дисперсности, а при дальнейшей механической обработке может образоваться мартенсит вследствие низкотемпературного мартенситного превращении (за счет легирования хромом и молибденом). Он, как известно, структура напряженная и хрупкая. Сочетание неполного отжига при наличии концентратора напряжений в виде угла шпоночного паза приводит к зарождению в нем трещины, которая раскрывается при закалке.
Закалка валков с нагрева при Тзак = 960 °С с охлаждением в потоке воздуха обеспечивает бейнитотрооститную структуру дендритных областей с переходом к мелкокристаллическому мартенситу. При этом возможно небольшое количество остаточного аустенита. При такой структуре обеспечивается максимальная износостойкость. Перегрев при закалке приводит к повышению количества остаточного аустенита, что приводит к уменьшению твердости и износостойкости.
Существенное снижение износостойкости при уменьшении твердости наблюдается и после недогрева при закалке, когда в металлической основе появляются мягкие продукты перлитного превращения аустенита — ферритокарбидная смесь различной дисперсности, сорбит, троостит и карбиды. Для улучшения закаливаемости путем улучшения стабильности аустенита чугун легируют молибденом, никелем, марганцем и медью. При этом количество молибдена должно возрастать с увеличением диаметра валков. Отпуск валков производят при 200 или 400 °С.
Для обеспечения эксплуатационной надежности валков необходим контроль склонности к трещинообразованию. Желательно, чтобы такой контроль был экспрессным. Этому требованию удовлетворяют неразру-шающие методы контроля (НМК).
Структура металла, обусловливающая его эксплуатационные свойства, определяет его коэрцитивную силу — одну из наиболее структурочув-ствительных характеристик [5], поэтому при НМК качества чугунных изделий, в том числе и прокатных валков, параметром контроля чаще всего была коэрцитивная сила [6—16]. При этом отметим следующее.
Содержащийся в литом состоянии аустенит парамагнитен. Вместе с тем литой валок имеет способность намагничиваться и перемагничивать-ся. Вероятной причиной этого является "самоотжиг" валка, который протекает в его структуре вследствие медленного охлаждения из-за большой массы. Появившаяся ферритокарбидная структура ферромагнитна, а отливка содержит литейные напряжения, которые снимаются при отжиге.
Уменьшение количества аустенита и увеличение содержания ферромагнитной ферритокарбидной смеси при отжиге приводят к повышению коэрцитивной силы, величина которой еще зависит от степени дисперсности этой смеси, уменьшение уровня литейных напряжений — к понижению Нс. Полное перлитное превращение и улучшение равномерности
распределения структурных составляющих в чугуне ведут к достижению стабильного уровня Нс. Бейнитотрооститная структура и мелкокристаллический мартенсит после закалки способствуют дальнейшему росту Нс.
Исследована возможность оценки склонности к трещинообразова-нию валков как после изготовления, так и после эксплуатации в течение некоторого времени.
Склонность к трещинообразованию обусловлена внутренними напряжениями и их градиентами. Это [4]:
тепловые напряжения, обусловленные неодновременным падением температуры валка по его сечению при закалке, когда происходит неодновременное тепловое сжатие отдельных участков валка;
структурные напряжения из-за неодновременного расширения металла при распаде аустенита, обусловленного предыдущим фактором;
сконцентрированные напряжения в местах резких изменений формы наружной и внутренней поверхностей валков. Наиболее вероятным концентратором напряжений является шпоночный паз (см. рис. 1).
валка с острой (а) и плоской (•) ребордами.
В процессе исследования измерена твердость и получены показания коэрцитиметра для сорока двух валков разных диаметров и в различном
состоянии. При этом измерения проводили на торцах валков, ребордах и ручьях. Данные ряда характерных валков, отобранных для исследования и разработки метода неразрушающего контроля склонности к трещино-образованию, приведены в таблице.
Значения механических характеристик валков до и после проведения термообработки
Кол-во, шт. Твердость, ед. Показания коэрцитиме-тра, отн. ед.
Тип валков Состояние ср. зн.: торец ручей размах на торце
Калибровочные валки диаметром 545 мм с трещинами в углу шпоночного паза Закалка и отпуск 7 40—64 36,25 16,5
Такие же валки, без трещин Закалка и отпуск 2 40—64 36,25 5,7
Валки диаметром 540 мм и 624 мм Бывшие в эксплуатации 10 60—78 40,25 16,5
Валки диаметром 426 мм, без трещин После всех видов термообработки 8 62—76 45,30 5
Валки диаметром 560 мм, с трещинами Закалка Закалка и отпуск 1 1 64—72 40—65 43,30 38,28 25,5 26
Валки разных типоразмеров, без трещин После всех видов термообработки 15 64—77 45,30 10
Относительную величину коэрцитивной силы измеряли коэрцитиме-тром КРМ-Ц при положениях приставного электромагнита в двух взаимно противоположных направлениях и оценивали распределение ее уровня по поверхности ручьев, реборд и торцов валка. Твердость измеряли твердомером Константа К5Д по шкале "С" на поверхностях с чистотой не ниже Йа 12,5 мкм. Для оценки уровня напряжений в литом состоянии измеряли коэрцитивную силу отливок после выплавки и после отжига. Показания коэрцитиметра для сырых отливок составляют 11,8— 15,6 отн. ед., после отжига — 8,0—10,7 отн. ед.
На рис. 2 приведен график корреляции показаний коэрцитиметра 1рс и твердости, измеренных на торцах валов из стали ИЧХ16МЛ для потрещавших по шпоночному пазу и непотрещавших валков. Валки прошли весь цикл обработки: отжиг, механическая обработка, закалка и отпуск. Видна достаточно надежная и значимая корреляция между этими характеристиками. Уравнение связи имеет вид ИЯС = 24,26 + + 0,9081рс при коэффициенте корреляции г = 0,916. При этом потрещавшие и непотрещавшие валки соответствуют одному корреляционному массиву, что не позволяет выявлять склонность к трещинообра-зованию по твердости. При этом было установлено, что при значениях 1рс > 55 отн. ед. и твердости выше 70 ед. кромки закаленных валков скалываются.
Мы полагаем, что основной причиной образования трещин в исследуемых валках являются градиенты внутренних напряжений в отдельных у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.