CC BY
11ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОЦЕНКИ МИКРОСТРУКТУРЫ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ КАТАНКИ
Аннотация. Качество катанки из высокоуглеродистой стали характеризуется эксплуатационными характеристиками, в основном величиной механических свойств. Уровень значений механических свойств определяется микроструктурой стали после процесса обработки давлением. Микроструктура высокоуглеродистой стали оценивается наличием и количеством пластинчатого перлита 1 балла. Используемая методика позволяет допускать погрешность при проведении оценки и искажает реальный уровень качества катанки.
Представленные результаты исследования позволили предложить скорректированную методику оценки дисперсности перлита. Предлагаемая методика позволяет снизить величину погрешности оценки микроструктуры катанки из высокоуглеродистой стали, что способствует корректному применению последующих технологических операций по ее переработке.
Ключевые слова: микроструктура, высокоуглеродистая катанка, поле зрения, дисперсность перлита, показатель качества
Введение
Производство метизной продукции связано с использованием исходной заготовки в виде горячекатаного сортового проката простой формы поперечного сечения - круг или квадрат. В общем объёме исходного продукта круглая заготовка в виде катанки занимает около 80% со значительной долей продукции из высокоуглеродистых марок стали.
Прогрессивное развитие промышленности направленно на создание сложной, выдерживающей большие нагрузки, техники при ее минимальной металлоемкости и стимулирует производство метизных изделий с четко регламентируемыми характеристиками качества.
К основным характеристикам качества металлоизделий и, в частности, металлопроката относятся механические свойства, состояние поверхности и показатели микроструктуры. С большой степенью точности можно говорить о том, что микроструктура определяет уровень механических свойств. Ключевым показателем для оценки микроструктуры высокоуглеродистой стали можно считать количество пластинчатого перлита 1 балла Бпп .
Разрабатывая и совершенствуя технологию производства катанки из высокоуглеродистой стали, проектируя технологические линии по ее переработке, ориентируются на заданный уровень механических свойств и характеристику микроструктуры. Корректность определения указанных характеристик обуславливает стабильность производства металлопродукции и ее последующую эксплуатацию. Предлагае-
мые методы и методики направлены на повышение точности, объективности и снижения энергетических и людских ресурсов [1 - 9].
Выделяя такую характеристику качества высокоуглеродистой катанки как количество пластинчатого перлита 1 балла, необходимо отметить наибольшую подверженность субъективности ее величины из-за применяемого метода ее определения. При этом точность оценки микроструктуры предопределена как профессионализмом персонала исследовательских лабораторий, так и применяемыми методиками [9, 10].
В связи с этим, в проведенном исследовании рассматривали в качестве базового способа методику определения дисперсности перлита, представленную в ГОСТ 8233-56, которая регламентирует изготовление образцов и их испытание (оценку) [10]. Оценка образцов проводится при их микроскопическом анализе с увеличением в 1000 раз [11]. В сечении профиля заготовки произвольно выбирают и исследуют 5 наихудших полей зрения (диаметром 80 мкм по линейке в окуляре микроскопа). Далее подсчитывают количество зерен 10-го балла, затем - 9-го балла и т.д. до 1-го балла. Результаты подсчетов фиксируются и сопоставляются с эталонными структурами, приведенными в ГОСТ 8233-56.
Процент зерен 1 -го балла определяется по отношению к общему количеству зерен. Конечным результатом проводимых данным способом испытаний является усреднение
процентного состава по дисперсности на базе пяти полей зрения.
Недостаток базовой методики - субъективность произвольного выбора пяти наихудших полей зрения. Ранее было предложено снизить вероятность получения неточного результата путем применения более регламентированного способа выбора полей зрения в плоскости поперечного сечения заготовки [9]. Допускаем, что максимальная объективность в оценке микроструктуры возможна при исследовании всей площади поперечного сечения профиля. Следовательно, количество пластинчатого перлита 1 балла, определенного по пяти полям зрения, может содержать определенную погрешность и требует дополнительных исследований.
Целью настоящей работы является совершенствование методики исследования микроструктуры катанки из высокоуглеродистой стали, снижающее величину погрешности при определении количества пластинчатого перлита 1 балла.
Материалы и методы исследования
Ранее были проведены исследования с применением статистического метода анализа данных для определения закономерности распределения дисперсности перлита в поперечном сечении катанки и воспроизводимости данного распределения на испытуемых образцах [9, 12 - 22]. Полученные результаты позволили рекомендовать следующий порядок выбора полей: все поля зрения расположены на одной диагонали, одно в центре центральной зоны, два поля во второй промежуточной зоне и два поля из внешней зоны на противоположных концах диагонали (рис.1).
Вышеупомянутый метод, снижая субъективность в результатах оценки дисперсности перлита высокоуглеродистой стали, оставляет возможность проведения дополнительных исследований, направленных на повышение корректности и объективности получаемого результата оценки микроструктуры стали.
Рис. 1. Схема расположения полей зрения и границ зон в поперечном сечении катанки при оценивании балла зерна перлита 1 - зона с большим значением процента перлита; 2 -зона с меньшим значением процента перлита; Ц - центральная зона
Экспериментальные исследования проводились на высокоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,58 - 0,77%. Из катанки диаметром 6,5 мм готовили образцы и оценивали дисперсность перлита в полях зрения расположенных на взаимно перпендикулярных диагоналях поперечного сечения образца. Оценка проводилась в 27 полях зрения каждой диагонали, результаты сведены в табл. 1 и 2.
Результаты и их обсуждение
Результаты определения дисперсности перлита подтвердили общую закономерность его распределения. Максимальные значения дисперсности прослеживаются ближе к поверхности сечения (1-я зона) и уменьшаются при приближении к центральной зоне (рис. 1).
Давая оценку микроструктуры конкретного образца, в качестве результирующего значения, взятого за базовое, применили среднеарифметическое всех значений, определенных на 27 полях каждой диагонали. Используя ранее представленную методику, рассчитали оценочное среднеарифметическое значение дисперсности перлита по пяти полям зрения, расположенным на диагонали в разных зонах поперечного сечения образца (табл. 3, 4) [9]. Вычисления показывают хорошую сходимость результатов. Отличие от базовых значений дисперсности перлита составляет 3,0-6,1% для стали с содержанием углерода 0,58-0,65% и 4,0-6,9% для стали с содержанием углерода 0,68-0,77%.
Таблица 1
Данные оценки балла зерна перлита катанки диаметром 6,5 мм из стали с содержанием
углерода 0,58 -0,65 %
№ образца Диагональ Содержание в поле зрения пластинчатого перлита 1 балла, %
1/27 2/26 3/25 4/24 5/23 6/22 7/21 8/20 9/19 10/18 11/17 1/162 13/15 Ц
1 1 71,5 71,5 71,5 66 66 60,5 60,5 55 50 50 50 44 49,5 40
66 66 66 60,5 60 50 55 50 49,5 50 44 44 44 40
2 70 70 70 66 66 60 60 55 50 50 49,5 50 50 40
75 70 70 60 60 49,5 55 50 55 50 45 45 45 40
2 1 70 70 70 70 65 55 60 55 50 45 38,5 40 38,5 40
75 75 75 65 65 60 60 55 50 50 50 45 45 40
2 75 70 70 65 65 55 60 55 55 50 45 45 45 40
75 75 75 60 65 60,5 60 55 50 50 45 45 40 40
3 1 70 70 70 70 65 65 60 60 44 50 44 45 38 38
70 70 70 65 66 65 60 55 50 55 50 50 50 38
2 71,5 70 66 60,5 65 55 60 55 45 50 45 45 40 38,5
66 66 66 65 65 65 55 60 55 50 50 45 45 38,5
Таблица 2
Данные оценки балла зерна перлита катанки диаметром 6,5 мм из стали с содержанием
углерода 0,68 -0,77 %
№ образца Диагональ Содержание в поле зрения пластинчатого перлита 1 балла, %
1/27 2/26 3/25 4/24 5/23 6/22 7/21 8/20 9/19 10/18 11/17 1/162 13/15 Ц
1 1 75 75 72 70 70 65 65 60 55 55 50 50 49,5 45
75 75 75 70 70 65 65 60 60 55 50 50 50 45
2 75 75 72 71,5 70 66 65 55 60 55 50 50 49,5 45
75 75 70 71,5 66 70 65 60 55 56 51,5 50 50 45
2 1 80 75 71,5 75 70 70 65 60,5 57 55 50 51 50 42
75 75 75 75 70 60 65 60 60 58 55 50 45 42
2 75 70 70 68,5 70 65 65 61 60 55 51,5 50 45 45
75 75 75 70 71,5 65 65 60 60 55 51,5 51,5 48 45
3 1 80 75 72 70 70 65 66 60 55 55 50 49,5 45 48
75 75 75 70 70 65 60 60 57,5 55 50 50 50 48
2 75 75 75 75 70 66 65 60 55 55 51,5 50 45 45
75 75 75 71,5 70 65 65 60 55 51,5 50 47,5 45 45
Таблица 3
Результаты оценки дисперсности перлита стали с содержанием углерода 0,58 - 0,65 %
Показатель Процент перлита 1-го балла
1 2 3 4 5 6
Среднеарифметическое по 27 полям 55,96 56,89 56,93 57,43 57,96 56,28
Среднеарифметическое для 5-и полей 54,3 54,9 54,7 55,0 54,4 53,1
Погрешность определения значений, % 3,0 3,5 3,9 4,2 6,1 5,6
Средневзвешенное учитывающее весовые коэффициенты для 5-и полей 56,5 57,1 55,9 56,4 56,8 55,8
Погрешность определения значений, % 0,98 0,36 1,73 1,72 1,98 0,78
Таблица 4
Результаты оценки дисперсности перлита стали с содержанием углерода 0,68 - 0,77 %
Показатель Процент перлита 1-го балла
1 2 3 4 5 6
Среднеарифметическое по 27 полям 62,09 62,0 62,76 61,96 61,96 61,76
Среднеарифметическое для 5-и полей 58,4 57,7 58,7 58,6 59,0 59,3
Погрешность определения значений, % 5,3 6,9 6,5 5,4 4,8 4,0
Средневзвешенное учитывающее весовые коэффициенты для 5-и полей 60,4 60,0 61,8 61,0 60,5 61,4
Погрешность определения значений, % 2,77 3,17 1,55 1,5 2,3 0,62
При исследовании возможности снижения отклонения оценочного значения дисперсности перлита от базового можно отметить следующее. Формирование микроструктуры в поперечном сечении профиля происходит при охлаждении проката и определяется теплофи-зическими законами.
Для повышения точности определения оценочного значения дисперсности, за счет снижения погрешности при суммировании, было предложено учитывать влияние протяженности зоны, занимаемой перлитом с определенным значением процента зерна перлита 1-го балла. Это возможно при применении весовых коэффициентов (Кпп), определяемых как отношение длины зоны, занимаемой перлитом с определенным значением процента зерен 1 -го балла (Ь), к радиусу (Як) поперечного сечения образца:
^ = ±,
-fp
R
Результаты расчета оценочных значений дисперсности перлита с учетов весовых коэффициентов и отклонение от базового значения представлены в табл. 3, 4. Величина отклонения от базовых значений дисперсности перлита составляет 0,36-1,98% для стали с содержанием углерода 0,58-0,65% и 0,62-3,17% для стали с содержанием углерода 0,68-0,77 %.
Сравнительный анализ величины отклонения значения дисперсности перлита, рассчитанного по пяти полям зрения, от базового показал: при учете весовых коэффициентов погрешность снижается в 2,26-9,6 раза для стали с содержанием углерода 0,58-0,65% и в 2,086,4 раза для стали с содержанием углерода 0,68-0,77%.
Заключение
Результаты проведенных исследований подтверждают возможность снижения по-
грешности при определении оценочного значения дисперсности перлита микроструктуры катанки из высокоуглеродистой стали. Проведение оценки микроструктуры по пяти полям зрения следует выполнять с учетом весовых коэффициентов, определяемых из соотношения протяженности зон, занимаемых перлитом с определенным значением процента зерна перлита 1-го балла, к радиусу катанки. Предлагаемый метод оценки микроструктуры катанки из высокоуглеродистой стали повышает точность и качество ее оценки, не усложняя процесса ее проведения.
Список литературы:
1. E.S. Gorkunov, S.M. Zadvorkin, L.S. Goruleva, A.V. Makarov, N.L. Pecherkina, Structure and mechanical properties of a high-carbon steel subjected to severe deformation, Physics of Metals and Metallography. 118 (2017) 10 1006-1014.
2. J. Szala, D. Kuc, Determination of pearlite morphology in high-carbon hot rolled steel, Arch. Metall. Mater. 62 (2017) 1 303-308.
3. S. Wiewiorowska, Z. Muskalski, The assessment of the structure and properties of high-carbon steel wires after the process of patenting with induction heating, Arshives of Metallurgy and Materials. 60
(2015) 2 855 - 858.
4. J. K. Odusote, T. K. Ajiboye, A. B. Rabiu, Evaluation of mechanical properties of medium carbon steel quenched in water and oil, Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. (2012) 11 859-86.
5. A.N. Khan, S.H. Khan, Y.A. Durran, Microstructural evaluation of high-strength bainiticsteel by nondestructive techniques, Materials Evaluation.
(2016) 1567 - 1573.
6. E.P. Soares, J. Vatavuk, R. Panelli, M.F. Pillis, Evaluation of mechanical properties and microstructure of a high carbon-vanadium tool steel produced by powder metallurgy, Materials Science Forum. 530-531 (2006) 140-144.
7. P. Palit, S. Das, J. Mathur, Metallurgical investigation of wire breakage of tyre bead grade, Case Studies in Engineering Failure Analysis. (2015) 4 83-87.
8. Шубин И.Г., Блондинская Е.Б. Исследование возможностей технологии комбинирования
поперечно-винтовой прокатки и волочения при изготовлении длинномерных изделий на основе моделирования в программном комплексе DE-FORM-3D, Обработка сплошных и слоистых материалов. 2013. № 1. С. 93 - 96.
9. I.G. Shubin, M.V. Shubina, Methodology of High-Carbon Wire Rod Perlite Grain Grade Identification, Solid State Phenomena, (2018) 284 338-343
10. Сталь. Эталоны микроструктуры.: ГОСТ 8233.: - М.: ИПК Издательство стандартов. - 2004. -С. 18.
11. Шубин И.Г., Шубина М.В. Основы материаловедения: учеб. пособие. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. 193 с.
12. Минько А.А. Статистический анализ в MS EXCEL. М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 448 с.
13. Производство горячекатаного листового проката для замещения холоднокатаного аналогичного назначения: монография / Румянцев М.И., Шубин И.Г., Исмагилов Р.А., . Завалищин А.Н., Цепкин А.С., Корнилов В.Л., Буданов А.П. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 217 с.
14. Конструирование характеристик влияния химического состава стали на показатели качества высокоуглеродистой канатной катанки /Шубин И.Г., Румянцев М.И., Торопицина У.А., Сиротюк А.П., Демидова О.О., Азаров А.П.// Производство проката. 2009. № 3. С. 12-15.
15. Анализ качества производства холоднокатаной ленты из электротехнической стали с применением методов SPC в условиях ЛПЦ-3 ОАО «Ашинский металлургический завод» / Румянцев М.И., Чевардин Ю.А., Шубин И.Г., Пичугин Н.А., Филиппова Е.А. // Производство проката. 2010. № 10. С. 24-30.
16. К вопросу построения модели для расчета составляющих температурного режима металла в линии широкополосного стана горячей прокатки /М.И. Румянцев, И.Г. Шубин, Д.Ю. Загузов, О.Ю.
Носенко, С.В. Игуменов //Моделирование и развитие процессов ОМД. 2006. № 1. С. 26-34.
17. Шубин И.Г., Степанова Е.Н., Румянцев М.И. Оценка результативности и стабильности производства грузоподъемных канатов / Заготовительные производства в машиностроении. 2012. № 6. С. 46-48.
18. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И. К оценке влияния показателей качества и количества брака на комплексную оценку результативности производства канатов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегион. науч.- техн. конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова, 2012. Т.1. С. 280-283.
19. Румянцев М.И., Шубин И.Г., Носенко О.Ю. Конструирование модели для расчета температуры низколегированных сталей при прокатке на ШСГП //Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 54-57.
20. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И., Исламов И.Ш. Управление качеством канатов на основе множественного регрессионного анализа // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. /под ред. М.В. Чукина. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. унта им. Г.И. Носова, 2012. Вып. 38. С. 80-85.
21. Шубин И.Г., Бородина Е.Н., Румянцев М.И. Управление качеством канатной проволоки и канатов на основе множественного регрессионного анализа // Механика и актуальные проблемы металлургического машиностроения: междунар. сб. науч. тр. / под ред. Железкова О.С. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. С.136 - 145.
22. Шубин И.Г., Бородина Е.Н. Применение комплексного показателя для оценки результативности технологии волочения канатной проволоки и свивки стальных канатов. // Качество в обработке материалов. 2016. № 2. С. 58 - 62.
