Структурно-фазовые превращения плазменно-упрочненных чугунных валков при горячей прокатке арматуры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.3

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЛАЗМЕННО-УПРОЧНЕННЫХ ЧУГУННЫХ ВАЛКОВ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ АРМАТУРЫ

© Е.Г. Белов1*, О.Ю. Ефимов1*, А.Б. Юрьев1*,

В.Я. Чинокалов1*, Ю.Ф. Иванов2*, С.В. Коновалов3*, В.Е. Громов3*

1 ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», г. Новокузнецк, Россия,

e-mail: kosterev_vb@zsmk.ru 2) Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия, e-mail: yufi@mail2000.ru 3) Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Россия,

e-mail: gromov@physics.sibsiu.ru

Ключевые слова: структурно-фазовые состояния; механические свойства; плазменное упрочнение; чугунные валки.

Методами просвечивающей электронной микроскопии выполнен анализ структурно-фазовых превращений плаз-менноупрочненных чугунных валков при горячей прокатке арматуры.

В последние годы для упрочнения поверхности прокатных валков применяют технологии на основе концентрированных источников энергии (электроннолучевые, лазерный, плазменные и т. д.), физическая суть которых заключается в воздействии на поверхностный слой сравнительно малой толщины энергетических потоков высокой плотности. Процесс упрочнения заключается в высокотемпературном нагреве участка поверхности и его интенсивном охлаждении со скоростями, обеспечивающими формирование закалочных структур. При этом стойкость валков может возрасти на ~60%.

Установление оптимальных режимов плазменного поверхностного упрочнения валков и их эксплуатации должно учитывать закономерности формирования и эволюции структуры и фазового состава в процессе обработки валков и последующей прокатки.

Материалом исследования являлись образцы, вырезанные из плазменно-упрочненных прокатных валков промежуточной группы мелкосортных станов, выполненные из чугуна марки СПХН. Процесс обработки заключался в высокотемпературном нагреве участка поверхности калибра и его интенсивном охлаждении на массу валка со скоростями, обеспечивающими образование закалочных структур.

Исследовали структуру и фазовый состав образца, вырезанного из рабочей зоны калибра, который после упрочнения не устанавливался в клеть, и образцов, вырезанных из рабочей зоны калибров, в которых после упрочнения было прокатано 10 и 700 тонн арматуры № 10. Температура начала прокатки 1270 °С, конца - 1100 °С, скорость прокатки 15 м/с. Исследования структуры поверхности прямого и косого травленых шлифов осуществляли методами оптической и сканирующей электронной микроскопии (прибор «SEM-515 Philips») [1]. Анализ фазового состава и структуры приповерхностного слоя образцов осуществляли мето-

дами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии на приборе ЭМ-125 [2]. Параметры структуры определяли, используя методы планиметрии [3]. Фазовый анализ осуществляли путем индицирова-ния микроэлектронограмм [4].

Плазменное упрочнение валков из чугуна марки СПХН приводит, как показали исследования травленых шлифов, к оплавлению поверхностного слоя толщиной 130...150 мкм и формированию слоя термического влияния толщиной 200.280 мкм. Высокая скорость кристаллизации и последующего охлаждения, имеющая место при плазменной обработке, сопровождается формированием в материале градиентной структуры: в поверхностном слое толщиной 50.60 мкм образуется мелкодисперсный ледебурит. На расстоянии ~70 мкм от поверхности обработки на фоне мелкодисперсного ледебурита выявляются объемы материала с аустенит-но-мартенситной структурой. По мере удаления от поверхности плазменного упрочнения выявляются зерна перлита, замещающие зерна с аустенитно-мартенситной структурой. Микроструктура осевой зоны валка представлена монолитным карбидом железа, графитом и зернами перлита.

Эксплуатация плазменно-упрочненного валка на прокатном стане после проката 10 тонн арматуры приводит к частичному разрушению поверхностного слоя; толщина слоя, сформировавшегося при кристаллизации расплава, уменьшается до 60 мкм. Исследования структуры шлифов выявили практически полное разрушение слоя с мелкодисперсным ледебуритом. После проката 700 тонн арматуры в поверхностном слое упрочненного валка упрочненная зона отсутствует, по всему сечению структура представлена монолитным карбидом железа, графитом и зернами перлита.

Таким образом, эксплуатация плазменноупрочнен-ных валков на прокатном стане сопровождается множественными изменениями структуры и фазового со-

става чугуна, вызванными высокотемпературной деформацией приповерхностного слоя материала.

Методы дифракционной электронной микроскопии позволили выявить следующие особенности эволюции структурно-фазовых состояний в валке после прокатки 10 тонн арматуры. Во-первых, измельчение структуры ледебурита поверхностного слоя валка. Размеры кристаллов измельченного цементита изменяются в пределах от 5 до 90 нм. Во-вторых, распад твердого раствора с образованием частиц карбидной фазы. Как отмечалось выше, плазменное упрочнение валка привело к формированию областей с аустенитно-мартенситной структурой. Эксплуатация валков сопровождается распадом твердого раствора кристаллов мартенсита с образованием частиц цементита. В-третьих, изменение дефектной субструктуры кристаллов мартенсита, заключающееся как в протекании фрагментации кристаллов, т. е. разбиении кристаллов на отдельные разориентированные области, так и в увеличении (в ~3 раза) скалярной плотности дислокаций. При этом тип дислокационной субструктуры не изменяется - присутствуют дислокационные сетки, как и в плазменно-упрочненном валке. В-четвертых, преобразование структуры перлита, заключающееся в полиморфном альфа-гамма-альфа превращении по сдвиговому механизму с образованием кристаллов мартенсита преимущественно пакетной морфологии. Размеры кристаллов мартенсита ограничены продольными размерами пластин феррита перлитного зерна. Поэтому формирующийся мартенсит имеет малые размеры и может быть отнесен к наноразмерному: поперечные размеры кри-

сталлов изменяются в пределах 20.30 нм; продольные размеры 200.300 нм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фрактография и атлас фрактограмм: справ. изд. / пер. с англ.; под ред. Дж. Феллоуза. М.: Металлургия, 1982. 489 с.

2. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. 584 с.

3. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977. 208 с.

4. Эндрюс К, Дайсон Д., Киоун С. Электронограммы и их интерпретация. М.: Мир, 1971. 256 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ и Федерального агентства по образованию в рамках реализации Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект 2.1.2/546.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Belov Y.G., Efimov O.Y., Yuryev A.B., Chinokalov V. Ya., Ivanov Yu.F., Konovalov S.V., Gromov V.E. Structural and phase transformations of the plasma- reinforced cast iron rolls with the hot rolling of steel.

By the methods of the transmission electron microscopy the analysis of the structural-phase transformations of the plasma strengtheningcast iron rolls with the hot rolling of steel is executed.

Key words: structure-phase states; mechanical properties; plasma strengthening; cast iron rolls.