CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2006 р.
Вип.
УДК 621.785:539.4:62-436.1
Ефременко В.Г.1, Ткаченко Ф.К.
2
К ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ ИЗ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
Представлены результаты численного анализа влияния начальной температуры самоотпуска и средней скорости остывания при самоотпуске на склонность к по-слезакалочному растрескиванию мелющих шаров диаметром 60-120 мм из стали повышенной прокаливаемости, обеспечивающей шарам сквозную закалку на мартенсит. Сделаны рекомендации по выбору режима термоупрочнения таких шаров при обработке на различную твердость.
На предприятиях стран СНГ (в том числе на ОАО «МК «Азовсталь») и на ряде зарубежных компаний при производстве стальных мелющих шаров используют термоупрочнение (ТУ) - закалку с прокатного (штамповочного) нагрева и последующий самоотпуск. К параметрам термоупрочнения относят: время подстуживания после прокатки, температуру шаров перед закалкой, продолжительность закалки, начальную температуру самоотпуска и среднюю скорость охлаждения на стадии самоотпуска [1]. Существенного повышения эксплуатационной долговечности шаров добиваются получением в них мартенситной структуры по всему сечению, что требует применения стали повышенной прокаливаемости. Вместе с тем, после термоупрочнения в таких шарах достаточно часто возникают закалочные трещины, что сдерживает освоение их производства [2,3]. Необходимость выполнения данной работы вызвано отсутствием в литературе данных относительно выбора оптимального режима термоупрочнения мелющих шаров со сквозной закалкой с учетом возникающих в них напряжений.
Динамика напряженного состояния в шарах из эвтектоидной стали в процессе прерванной закалки и самоотпуска исследована нами ранее [4]. При этом установлено, что в термоуп-рочненных шарах со сквозной закалкой остаточные напряжения имеют сжимающий характер в центре и растягивающий - на поверхности. В таких шарах отмечается невысокий уровень остаточных радиальных напряжений, поэтому их растрескивание (с появлением трещин 1-го рода [5]) вызывается остаточными тангенциальными напряжениями (<т°^), максимум которых соответствует поверхности шара. С применением разработанной математической модели напряженно-деформированного состояния шара [4] численно исследовали уровень максимальных остаточных тангенциальных напряжений растяжения в термоупрочненных стальных шарах 0 60-120 мм в зависимости от начальной температуры самоотпуска (/6 „) и средней скорости остывания при самоотпуске (Ус/0). Расчеты выполнялись для стали, содержащей 0,75-0,80 % С, до 1,0 % Мп и до 0,8 % Сг и обеспечивающей шарам сквозную закалку на мартенсит.
Уровень остаточных напряжений на поверхности термоупрочняемых шаров из стали высокой прокаливаемости определяется суммированием действия таких факторов, как скорость нарастания напряжений за счет развития мартенситного превращения в центральных участках шара при его остывании ниже точки Мн и полнота релаксации этих напряжений при самоотпуске. Поскольку мартенсит обладает наибольшим удельным объемом среди всех структурных составляющих стали, дополнительный вклад в формирование уровня остаточных напряжений вносит, также, степень уменьшения тетрагональности решетки мартенсита при его распаде в процессе самоотпуска.
Известно, что одной из основных целей операции отпуска (самоотпуска) является снятие закалочных напряжений, при этом степень их релаксации растет с увеличением температуры нагрева [6]. Вместе с тем, расчеты показали, что в нашем случае при достаточно высокой ско-
1 ПГТУ, д-р техн. наук, доцент
2 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор
рости остывания на стадии самоотпуска (Vc/O=0,02 °С/с) происходит накопление растягивающих напряжений на поверхности. Это связано с ускоренным развитием сдвигового у—их превращения в центральных участках шара и заторможенностью процессов релаксации этих напряжений при быстром падении температуры изделия. При этом рост 1С,, усиливает отпуск наружных закаленных слоев, что уменьшает их удельный объем и, соответственно, - временные сжимающие напряжения на поверхности, чем дополнительно повышает остаточные напряжения растяжения. Как следует из рис. 1,а, при Vc/0=0,02°С/с рост температуры самоотпуска вызывает монотонное увеличение остаточных напряжений (т°сГ с 180-360 МПа при 200 °С до 520-690 МПа - при 320 °С.
Замедление послезакалочного охлаждения до Ус „=0.003 °С/с делает зависимость гт'^-™ = f(1С,,)
экстремальной с максимумом при tc/a= 250 °С (рис.1, б). И лишь при охлаждении с Ус „= 0,0015 °С/с, когда релаксация напряжений становится превалирующей над скоростью их накопления, рост температуры самоотпуска приводит к монотонному снижению остаточных напряжений (рис.1, в).
Оценивая влияние скорости послезакалочного охлаждения, можно отметить, что замедление охлаждения при самоотпуске с tc/0=200 °С приводит к 1,5-2-кратному росту (рис. 1. г). Эта температура, очевидно, является недостаточной для релаксации структурных напряжений, однако при ней происходит существенное уменьшение тетрагональное™ решетки мартенсита поверхностных слоев, что повышает уровень . С увеличение температуры самоотпуска превалирующей уже
становится релаксация напряжений, поэтому при 1С , > 250 °С снижение значений Ус,, от 0,02 до 0,0015°С/с вызывает монотонное снижение остаточных напряжений (рис.1, д, е).
Оценку вероятности образования закалочных трещин в термоупрочненных шарах производили с применением одного из основных критериев механики разрушения - коэффициента интенсивности напряжений (Kjc). Условие развития трещин записывали в виде [7]: Kj > К ¡с , где К/ - коэффициент интенсивности напряжений в вершине металлургического трещиноподобного дефекта длиной /. Пороговые значения Kjc для эвтектоидной низколегированной стали М76 в различных структурных состояниях приведены в работах [8, 9]. Используя их, приняли для мартенсита отпуска
К]С= 14 МПа-м ' . Для поверхностных дефектов расчет Kj вели по формуле [10]: Kj = 1,1 2о4тт1 . В качестве дефекта на шарах приняли поверхностные риски и вмятины, возникающие при прокатке. Обычно их глубина не превышает 1 мм, в отдельных случаях (при прокатке на неприработанных валках и проводках) она может достигать 3 мм. Для мартенситной структуры при этих значениях / критическое напряжение составляет 223,0 и 128,8 МПа, соответственно. При отсутствии рисок концентраторами могут служить раскатанные сульфиды, выходящие на поверхность шаров в районе «полюсов». При их максимальной длине в шаровой стали производства ОАО «МК «Азовсталь» 320 мкм [11] критическое напряжение составляет 394,3 МПа.
Критические значения напряжений показаны на рис. 1. Сравнение их с расчетными значениями позволяет сделать следующие рекомендации по выбору режима ТУ мелющих шаров из стали повышенной прокаливаемости. При термоупрочнении на твердость 55-58 НЯСэ начальная температура самоотпуска должна составлять не менее 240-250 °С. В этом случае во избежание растрескивания средняя скорость остывания при самоотпуске не должна превышать 0,002 °С/с, т.е. 7°С/ч. Последнее обеспечивается охлаждением шаров в бункере емкостью 150 т с утепляющей крышкой.
При производстве особо твердых шаров (>60 НЯСэ) необходимо применять такие режимы ТУ, при которых tc/0 составит не более 200 °С. В этом случае безопасный уровень остаточных напряжений может быть достигнут лишь при полном отсутствии поверхностных концентраторов напряжений на поверхности шаров в виде рисок и при ускорении их остывания до Vc/0 >0,02 °С/с (не менее 72 °С/ч). Кроме невозможности обеспечения первого условия, процесс поштучного охлаждения изделий технически трудно осуществим, поскольку требует наличия больших раскатных полей. Таким образом, при обработке шаров на высокую твердость самоотпуск следует дополнять операцией отпуска для снятия остаточных напряжений.
Следует отметить, что прокатка шаров из стали повышенной прокаливаемое™ должна проводиться на приработанных валках и проводках, поскольку при нанесении на поверхность шаров рисок глубиной до 3 мм величина Kj возрастает настолько, что допустимый уровень напряжений достигается лишь при tc/0>300 °С и Ус , >0.002 °С/с; при этом не удастся обеспечить получение шаров с твердостью свыше 50-53 НЯСэ.
Корректность методики расчета напряжений и выводов подтверждается результатами проведенного в условиях ОАО «МК «Азовсталь» термоупрочнения ряда опытно-промышленных партий
шаров 0 40-80 мм со сквозной закалкой. Результаты определения твердости шаров и их склонности к растрескиванию (рис.2) хорошо согласуются с расчетными данными.
Температура, °С
Температура, °С
а) у=0,02 °С/с
га С
и
к о.
б) у=0,003 °С/с
СП.П.
и
к о.
0.01 0.001 Скорость охл-я, °С/с
250 350
Температура, °С
в) у=0,0015 °С/с -?вв-
н
к о.
0.01 0.001 Скорость охл-я, °С/с
0.1 0.01
Скорость охл-я, °С/с
г) ?с/о=200 °С д) ?с/о=250 °С е) ?с/о=320 °С
Рис. 1 - Влияние ?с/о (а-в) и Ус „ (г-е) на величину в шарах 0 60, 80 и 120 мм (линии -критические значения напряжений для /=320 мкм (сплошная) и 1=1 и 3 мм (пунктирные )).
0
01 X
о о ч: о.
О) СО
61 59 57 55 53 51 49 47
6 ■-■—■ -"у х*1 У / ь
7д-....... ♦ Й*
50 3
8Д 4 ♦ Переходная зона
0,001
0,01
0,1
Скорость охлаждения, °С/с
Рис.2 - Влияние Ус <> и 1С,, при самоотпуске на твердость и склонность к образованию трещин шаров со сквозной закалкой: 1 - 0 80 мм (?С/О=320 °С); 2- 0 60 мм (?С/О=290 °С); 3 - 0 40 мм (?С/О=408 °С); 4 - 0 60 мм (?с/о=325 °С); 5 - 0 80 мм (?с/о=315 °С); 6 -0 40 мм (?с/о=195 °С); 7 - 0 40 мм
(tc/0=265 °C); 8 - 080 мм (l, „=350 °C). Темные маркеры - наличие трещин, светлые маркеры - отсутствие трещин.
Из рис. 2 следует, что при 1С „=240-320 °С такие шары следует самоотпускать с Ус „~0.0015-0,0020 °С (5,5-7 °С/ч), что обеспечивается использованием на бункерах утепляющей крышки. Самоотпуск в бункере без крышки интенсифицирует охлаждение шаров, лежащих в верхних слоях шарового «конуса» (до Ус „~0.005 °С/с (18 °С/ч)), что, как показывает опыт, вызывает их растрескивание (до 22-25 %) при отсутствии трещин в основной массе шаров, остывающей более медленно.
Исследования в производственных условиях показали, что доохлаждение шаров 0 40-80 мм из различных сталей повышенной прокаливаемости в спокойной воде после закалки в барабане, как правило, не вызывает появления трещин; растрескиваются лишь те шары, которые имеют глубокие поверхностные риски и надрезы от валков. Это указывает на то, что распад мартенсита поверхностных слоев при самоотпуске, снижая величину временных сжимающих напряжений на поверхности, отрицательно влияет на уровень остаточных напряжений, формирующихся, в основном, под воздействием мартенситного превращения в центре шара. Учитывая, что термоупрочнение при 1С „<200"С приводит к возникновению трещин в шарах из стали повышенной прокалив аемости при любой Vc/0 (рис.2, кривая 7), следует в дальнейших исследованиях рассмотреть возможность применения для таких шаров закалки с прокатного нагрева в барабане с доохлаждением в спокойной воде в баке. Проводя затем операцию отпуска при 160-180 °С, можно добиться повышенной (более 60 HRC) твердости по всему сечению без трещин, что нельзя обеспечить закалкой с самоотпуском.
Выводы
1. Для получения твердости 55-58 HRC и предотвращения закалочных трещин в шарах из стали повышенной прокалив аемости, их следует термоупрочнять по режимам, обеспечивающим 1С „ не ниже 240-250 °С и Ус „^<0.002 °С/с, т.е. 7 °С/ч. Последнее может достигаться охлаждением шаров в бункере с утепляющей крышкой в течение не менее 48 ч.
2. В случае закалки на твердость свыше 60 НЯСэ шары, во избежание растрескивания, необходимо подвергать низкому отпуску сразу после завершения операции самоотпуска.
Перечень ссылок
1. Ефременко В.Г. Термическое упрочнение стальных мелющих шаров при обработке на заданную твердость / В.Г.Ефременко//Метал1Щ>гич. и горнорудн. пром-сть.-2002.-№ 4.-С.51-54.
2. Влияние термической обработки на свойства катаных мелющих шаров высокой прокали-ваемости/ Ф.К.Ткаченко, В.Г.Ефременко, С.Л.Тихонюк и др. //МиТОМ.-2001.-№ 8.-С.26-28.
3. Еуляееа Т.П. Качество мелющих шаров из легированных марок стали / Т.П.Еуляееа, Т.П.Седоволосая, А.П.Данилов // Известия вузов. Черная металлургия. - 1995. - №6. - С.75.
4. Ефременко В.Г. Анализ напряженно-деформированного состояния термоупрочняемых стальных шаров/ В.Г.Ефременко // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь,2004. - Вип.14,-С.136-142.
5. Ефременко В.Е. О растрескивании стальных мелющих шаров при термоупрочнении с прокатного нагреваI ВТ.Ефременко, Ф.К.Ткаченко, Т.А.Ерёменко //Тр. Междунар. конф. «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (ОТТОМ-4). - Харьков: ХФТИ, 2003. -Т.1. -С.256-258.
6. Тылкин М.А. Прочность и износостойкость деталей металлургического оборудования / М.А.Тылкин. - М.: Металлургия, 1965. - 347 с.
7. Расчетно-экспериментальный метод оценки трещиностойкоста изделий при закалке / A.A.Чижик, П.Д.Хинский, Т.А.Чижик, Я£,.У7ошт/>ее//Энергомашиностроение.-1985.-№3.-С. 11-13.
8. Выбор режима термообработки рельсовой стали из условий трещиностойкоста / Е.В.Рогова, А.Б.Алалыкин, H.A. Челышев и ф.//Изв. вузов. Черная металлургия.-1984.-№4.-С.49-52.
9. Цвигун В.Н. Упрочнение рельсов водовоздушной смесью в модуле с инжекционными форсунками / В.Н.Цвигун, В.М.Свекров, H.A. Челышев // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1988. - № 10. - С. 71-74.
10. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения//".77. Черепанов.-Ш.: Наука,1974.-640с.
11. Состояние неметаллической фазы в шаровой заготовке, полученной из мартеновских слитков стали М74Т / В.Г.Ефременко, Ф.К.Ткаченко, В.В.Емельянов и др.// Металознавство та тср\пчна обробка метаппв: Науков. та шформ. бюл. ПДАБтаА. - Дн-вськ.-2003. - №1-2.-С. 90-98.
Статья поступила 01.03.2006
