CC BY
240
УДК 669.046
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЗОНЫ УПРОЧНЕНИЯ ВАЛКОВОГО ЧУГУНА, ПОДВЕРГНУТОГО ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ
© В.Я. Чинокалов, Ю.О. Вьюнцов, Д.Ю. Барбашов, С.А. Дубинин, Е.В. Шитик
Ключевые слова: плазма; твердость валков; чугун с шаровидным графитом; микроструктура. Исследованы структура и свойства чугунного валка после поверхностного плазменного упрочнения.
Введение. Валки прокатных станов являются инструментом, эксплуатационные характеристики которого оказывают значительное влияние на производительность и качество производимой продукции. Прокатка на максимальных скоростях, в интервале минусовых допусков, сокращение простоев станов и снижение расхода валков - все это требует повышения эксплуатационной стойкости валков. Одним из эффективных способов повышения технологических свойств чугунных прокатных валков является плазменное поверхностное упрочнение. Плазменная обработка обеспечивает закалку поверхности калибров прокатных валков с повышением стойкости по прокатанному металлу до 60 % [1].
Процесс упрочнения заключается в формировании в поверхностном слое калибра закаленного слоя аусте-нитно-мартенситной структуры, повышающей механические и эксплуатационные свойства чугунных валков. На ЕВРАЗ ЗСМК для прокатки сортовых профилей мелкосортного стана 250 применяют литые валки из чугуна СПХН-60 следующего химического состава (вес. %): 3,7-3,8 % ^ 0,60-0,70 % Si; 0,4-0,6 % Ш; 0,8-0,9 % &; 1,4-1,6 % №; 0,06-0,08 V; <0,2 % P; <0,02 % S.
Плазменное упрочнение с целью формирования модифицированного поверхностного слоя проводили на установке УПН-303 с использованием плазмотрона прямого действия, мощностью 5 кВА и расходом плазмообразующего газа (Аг) 1,0 м3/ч [2].
Исследование структуры не упрочненного прокатного валка. Микроструктура литого, не упрочненного чугуна СПХН-60 представлена на рис. 1.
показал, что поверхностный рабочий слой калибра состоит из металлической основы и графита. Металлическая основа имеет выраженное столбчатое строение и состоит из зерен пластинчатого перлита и включений цементита.
В процессе эксплуатации валка на прокатном стане происходят фазовые превращения. В первую очередь, существенно увеличивается объемная доля перлита. Происходит распад металлической основы с образованием частиц графита, расположенных преимущественно по границам раздела металлической основы. Наблюдается увеличение количества включений графита округлой формы. Анализ структуры поперечных шлифов выявил большое количество протяженных трещин, зарождающихся на поверхности валка и распространяющихся, в основном, вдоль границ раздела металлической основы [3].
Эксплуатация валка сопровождается фрагментацией структурных элементов чугуна с последующим отрывом отдельных частей, т. е. происходит механическое повреждение поверхностного слоя калибра.
Значимых изменений твердости материала валка после эксплуатации не выявлено.
Исследование структуры валка после плазменного упрочнения. Плазменное упрочнение приводит к формированию в поверхностном слое микротрещин и микровыбоин, совпадающих с направлением структурных полос, что является следствием релаксации термических напряжений, формирующихся в материале в результате нагрева и скоростной кристаллизации упрочненного слоя.
Металлографические исследования выявили в образце из чугуна СПХН-60 упрочненный слой, состоящий из трех участков: зоны оплавления (ЗО), зоны закалки из твердой фазы (ЗТФ) и переходной зоны (ПЗ) (рис. 2).
Рис. 1. Микроструктура валков из чугуна СПХН-60
Морфологический анализ структуры, выполненный методами сканирующей электронной микроскопии,
а б в
Рис. 2. Микроструктура упрочненного поверхностного слоя чугуна СПХН-60: а - ЗО; б - ЗТФ; в - ПЗ
1737
Микроструктура ЗО состоит из смеси мелкодисперсного ледебурита, участков мартенсита и остаточного аустенита (рис. 2а). Микроструктура ЗТФ содержит мартенсит, остаточный аустенит, ледебурит, монолитные карбиды и пластинчатый графит (рис. 2б). Микроструктура ПЗ подобна структуре литого чугуна, но характеризуется несколько большей дисперсностью (рис. 2в).
В табл. 1 показано, что в процессе эксплуатации плазменно-упрочненного валка микротвердости структурных составляющих несколько повышаются.
Таблица 1
Микротвердости структурных составляющих плазменно-упрочненных валков
Структурная составляющая Микротвердость, МПа
после закалки после прокатки 10 т
Ледебурит Мелкодисперсный 8823 8901
Мартенсит 7136 8412
Аустенит остаточный 5128 5245
Карбиды 10352 11146
Ледебурит (осевая зона) 7679 7515
Пластинчатый перлит 3498 3295
Карбид (осевая зона) 9530 10239
Испытания показали, что в процессе работы валка твердость упрочненной зоны повышается примерно в 1,2. Основной причиной этого является существенное (в 5-6 раз) уменьшение размеров кристаллов пластинчатого мартенсита ЗТФ.
На поверхности упрочненного валка удается выявить участки с нано-кристаллической структурой (рис. 3). Методами темнопольного анализа показано, что размеры кристаллитов, сформированные а-фазой, цементитом и оксидом железа, изменяются в пределах от 5 до 100 нм (рис. 3б) [3].
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры после плазменного упрочнения: а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [110]а^Є + [211^Є3С + + [133^Оз
Эксплуатация валка на прокатном стане сопровождается, во-первых, упорядочением в расположении объемов карбидной фазы (формированием строчечной структуры), что существенным образом отличает его от структуры ледебурита, не работавшего валка; во-вторых, уменьшением размеров карбидной фазы до 0,5-1,0 мкм. Очевидно, что подобная направленность микроструктуры (полосы, перпендикулярные поверхности обработки) первоначально была задана структу-
рой кристаллизации валка. В процессе плазменной обработки эта направленность была разрушена и вновь восстановлена в процессе эксплуатации.
Эффект измельчения структурных составляющих затрагивает и ледебурит. На рис. 4 представлены электронно-микроскопические изображения структуры карбидной фазы ледебурита. Размеры кристаллов измельченного цементита изменяются в пределах от 5 до 90 нм [3].
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры эвтектики, модифицирующейся при эксплуатации валка на прокатном стане: а - светлое поле; б - темное поле, полученное в рефлексе [021]Fe3C
Как показали исследования, полное разрушение упрочненного слоя происходит после прокатки 700 т металла арматурного профиля.
Промышленные испытания валков. Разработанный режим поверхностной плазменной закалки валков мелкосортного стана (диаметр сопла 6 мм, ток закалки 90-110 А, напряжение дуги 20-24 В, скорость обработки валка 2,0-2,2 см/с) формирует заданные параметры упрочненного слоя (структура, свойства, глубина закалки) и обеспечивает требуемое качество рабочей поверхности калибров (отсутствие глубоких трещин и наплывов).
В ходе промышленных испытаний проведен сравнительный анализ эксплуатационной стойкости литых и плазменно-упрочненных валков промежуточных клетей мелкосортного стана 250. Упрочненные валки характеризуются пониженной окисляемостью и отсутствием выкрашиваний, увеличение эксплуатационного ресурса упрочненных валков составило ~20 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов Е.Г. и др. Плазменное упрочнение валков мелкосортного стана 250 // Производство проката. 2010. № 10. С. 40-43.
2. Патент 2298043 Российская Федерация, МПК7 C21D 9/38. Способ термической обработки прокатных валков / Юрьев А.Б. [и др.]; заявитель и патентообладатель Западно-Сиб. металлургический комбинат. № 2005131334/02; заявлено 10.10.05; опубл. 27.04.07. Бюл. № 12.
3. Юрьев А.Б., Ефимов О.Ю., Иванов Ю.Ф. и др. Плазменное упрочнение валков сортопрокатного стана: структурно'-масштабные уровни модификации чугуна // Физическая мезомеханика. 2006. № 2. С. 97-105.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Chinokalov V.Y., Viyuntsov Y.O., Barbashov D.Y., Dubinin S.A., Shitik E.V. STUDY OF STRUCTURE OF ROLL CAST IRON ZONE BY RADIATION OF PLASMA PROCESSING The influence of the way of processing on structured surfaces of cast iron with spherical graphite is explored. Structured formation and micro-hardness to surfaces are studied.
Key words: plasma; hardness of rolls; cast iron with globe’s graphite; structure.
1738
