Analyse der Ursachen für Oberflächenablösungen an Arbeitswalzen beim Kalttandemwalzen

Der Kaltwalzwerk ist eine wichtige Großkomponente der Kalttandemwalzanlage. Ihr Herstellungsprozess ist relativ komplex und die Arbeitsumgebung ist rau. Sie ist Reibung, thermischer Belastung, Stößen und anderen Belastungen ausgesetzt. Während des Gebrauchs kann sie brechen, sich ablösen, verschleißen usw. und dann versagen. Dies erhöht die Kosten für Verbrauchsmaterialien und beeinträchtigt die Produktion, was zu wirtschaftlichen Verlusten führt. Während des normalen Walzproduktionsprozesses der Edelstahlproduktionslinie eines Unternehmens löste sich die Oberfläche der Kalt-Endloswalzarbeitswalze plötzlich ab, was zu einem Ausfall und einer Abschaltung führte und die normale Produktion ernsthaft beeinträchtigte. In diesem Artikel wird die Ablöseprobe der Kalt-Tandemwalzarbeitswalze als Analyseobjekt verwendet. Durch physikalische und chemische Testmethoden wie makroskopische Brüche, spektrale Zusammensetzungsmessung, Härte, metallografische Struktur und Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit den Bedingungen des täglichen Gebrauchs werden die Ursachen für das Ablösen der Walzenoberfläche analysiert und diskutiert.

Physikalische und chemische Untersuchungsergebnisse und Beobachtung des Bruchs des geschälten Blocks

Führen Sie eine makroskopische Morphologieanalyse der Walzenschälblöcke durch (siehe Abbildung 1). Der geschälte Block weist typische Ermüdungsbruchmerkmale auf, und im zentralen Kreisbereich sind deutliche Gratlinien zu erkennen, die ein wichtiges Merkmal der Ermüdungsausdehnungszone sind. Die Mitte der Mantellinie ist die Ermüdungsquelle, die den Ausgangspunkt von Ermüdungsrissen darstellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Ermüdungsquelle im Inneren der Walze und nicht an der Oberfläche befindet. Der äußere Ringbereich nimmt den größten Bereich ein und die makroskopische Morphologie ist radial, was eine sofortige Bruchzone darstellt. Bei Versagen von Strukturmaterialien und mechanischen Teilen unterscheiden sich Ermüdungsschäden von Schäden durch statische Belastung. Die meisten von ihnen treten ohne Vorwarnung und unter unerwarteten Umständen auf. Vor dem Versagen sind keine offensichtlichen Anzeichen erkennbar, und der Schaden ist schwerwiegend.

Bei der Untersuchung des Ermüdungsquellenbereichs mit einem Rasterelektronenmikroskop wurde festgestellt, dass es körnige Einschlüsse mit einem Durchmesser von etwa 50 μm gab. Die EDS-Ergebnisse zeigen, dass sie Ca, K, O, Mg, Al, Si und andere Elemente enthalten (siehe Abbildung 2) und ein großkörniger Oxidmischeinschluss sind.

Chemische Zusammensetzung: Schneiden Sie eine Probe aus dem geschälten Block für die spektrale Zusammensetzungsanalyse. Das Rollenmaterial ist 8Cr3NiMoV. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Mit Ausnahme des Cr-Elements, das etwas unter der Untergrenze liegt, liegen die anderen Komponenten im Rahmen des Standards GB/T1299-2014. Zur Prüfung der Härte des geschälten Blocks wurde ein Rockwell-Härteprüfgerät verwendet. Der Härtewert (HRC) erreichte 64,5, und jede Position auf der Probe war relativ gleichmäßig und erfüllte die Standardanforderungen.

Metallographische Untersuchung

Mit einer Drahtschneidemaschine wurden metallografische Proben an der Ermüdungsquelle geschnitten. Nach der Messung befand sich die Ermüdungsquelle etwa 8 mm von der Walzenoberfläche entfernt. Nach der Probenvorbereitung und dem Polieren wurden das metallografische Mikroskop ZEISSImager.A1m, das Rasterelektronenmikroskop ZEISSEVO18 und andere Instrumente zur Beobachtung und Analyse verwendet. Es wurde festgestellt, dass sich im geschälten Block mehrere wurzelförmige Risse befanden (siehe Abbildung 3). Die Risse stammten von der inneren Ermüdungsquelle und breiteten sich bis zur Walzenoberfläche aus.

Abbildung 3 Innere Risse im geschälten Block

Eine umfassende Untersuchung der Probe ergab, dass der geschälte Block viele massive Einschlüsse mit einer Größe von bis zu 90 μm enthielt (siehe Abbildung 4a), und die Einschlüsse überschritten den Standard deutlich. Bei der Energiespektrumanalyse mit einem Rasterelektronenmikroskop (siehe Abbildung 4b) bestehen die massiven Einschlüsse großer Partikel hauptsächlich aus O und Al, mit einer kleinen Menge an Mg, S, Ca, Mn und Fe. Man kann davon ausgehen, dass es sich um gemischte Einschlüsse mit Al2O3 als Hauptbestandteil handelt. Dies kann durch eine laxe Kontrolle des Schmelzprozesses bei der Herstellung von Rollen verursacht werden.

2. Analyse und Diskussion

Der Prozess der Rissbildung

Aus der makroskopischen Morphologieanalyse lässt sich schließen, dass der Walzenabplatzungsfehler auf eine interne Ermüdungsquelle zurückzuführen ist. Anschließend weiteten sich die Risse unter der kontinuierlichen zyklischen Belastung während des Betriebs allmählich aus und bildeten Gratlinien. Die Ermüdungsrisse weiten sich bis zu einem gewissen Grad aus, was zu unzureichender Festigkeit und Unfähigkeit führt, der äußeren Kraft während des Walzvorgangs standzuhalten. Schließlich bildet sich eine Abschlusszone und die Oberfläche der Walze blättert ab. Während des Betriebs der Walze wird die maximale kombinierte Scherspannung, die durch die Belastung der Walze verursacht wird, Walzwerk und die lokale Kompression der Walze am Kontaktpunkt befindet sich in einem kleinen Bereich unter der Oberfläche der Walze. Der Vorbereitungsprozess vor der Herstellung und Verwendung der Walze erzeugt Restspannungen. Gleichzeitig steigt, obwohl die Kaltwalztemperatur niedrig ist, die Temperatur der Walze und des Streifens unter der Einwirkung von Reibung an, was zu thermischer Spannung führt. Wenn während des Walzprozesses Streifenbrüche, -schläge, -überlappungen, -schlupf usw. auftreten, wird die Walzenoberfläche lokaler Überlastung durch Hitze und Schlagspannung ausgesetzt. Da nichtmetallische Einschlüsse im Stahl in Form mechanischer Mischungen vorliegen und ihre Eigenschaften sich stark von denen des Stahls unterscheiden, zerstören sie die Gleichmäßigkeit und Kontinuität der Stahlmatrix und verursachen dort Spannungskonzentrationen, was zu einer Quelle der Ermüdung wird. Darüber hinaus sind während des Erwärmungsprozesses die linearen Ausdehnungskoeffizienten der nichtmetallischen Einschlüsse und der Matrix unterschiedlich, wodurch in der Matrix in der Nähe der Einschlüsse ein zusätzliches Spannungsfeld entsteht. Unter solchen komplexen Spannungsbedingungen lösen sich die kugelförmigen Einschlüsse, wenn in der Oberflächenschicht nichtmetallische Einschlüsse, insbesondere spröde Einschlüsse, vorhanden sind, zuerst an den beiden Extremen der maximalen Spannung von der Matrix ab und bilden primäre Mikrorisse. Bevor sich der Riss schnell ausbreitet, löst sich die Schnittstelle zwischen der Stahlmatrix und den Einschlüssen allmählich von der Matrix und bildet einen Risskanal. Mit zunehmender Anzahl von Spannungszyklen dehnen sich die Mikrorisse entlang der Schalenrissmatrix der Kugel allmählich nach außen aus. Wenn die Gesamtgröße des Risses die kritische Größe überschreitet, der die Rolle standhalten kann, tritt der Ermüdungsriss in die instabile Expansionsphase ein und die Rollenoberfläche löst sich schließlich aufgrund eines sofortigen Bruchs ab. Das Ablösen der Rollenoberfläche hat mehrere Prozesse durchlaufen: Rissbildung durch Einschlüsse → Rissausbreitung → Ablösen.

Einfluss von Einschlüssen auf die Ermüdungseigenschaften

Der Einfluss von Einschlüssen auf die Ermüdungslebensdauer des Werkstücks hängt von der Art, Größe, Menge und Verteilung der Einschlüsse ab. Im Allgemeinen sind harte und spröde massive oder kugelförmige Einschlüsse, die eine schlechte Verbindung mit der Matrix haben und sich nicht verformen, wie z. B. TiN, Al2O3 usw., schädlicher als duktile und längliche Einschlüsse. Wenn eine große Anzahl von Einschlüssen vorhanden ist, diese konzentriert und verteilt sind oder sich auf der Oberfläche des Teils oder in einem Bereich mit hoher Spannung befinden, haben sie den größten Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer. Gleichzeitig hängt der Einfluss von Einschlüssen auf die Ermüdungseigenschaften auch von der Struktur und den Eigenschaften der Matrix ab. Experimente haben gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit von Weichstahl wenig mit Einschlüssen zu tun hat. Mit zunehmender Festigkeit des Stahls werden die schädlichen Auswirkungen von Einschlüssen immer schwerwiegender. Bei Metallmaterialien mit hoher Härte und hoher Festigkeit ist der Einfluss von Einschlüssen auf die Ermüdungsfestigkeit zu einem wichtigen Thema geworden. Entsprechend den relevanten Forschungsdaten ist die Ermüdungslebensdauer sehr empfindlich gegenüber der Größe der Einschlüsse. Die Reduzierung der Größe von Einschlüssen kann die Lebensdauer deutlich verbessern. Bei Werkstücken mit hoher Härte und hoher Festigkeit beträgt die kritische Größe von Oberflächeneinschlüssen 8 bis 10 μm, sie nimmt mit zunehmender Härte ab und mit zunehmender Tiefe zu. Wenn die Einschlüsse kleiner als die kritische Größe sind, können durch die Einschlüsse verursachte Ermüdungsbrüche vermieden werden und die Ermüdungsleistung wird besser; wenn die Einschlüsse größer als die kritische Größe sind, nehmen die Ermüdungsfestigkeit und die Lebensdauer des Stahls mit zunehmender Größe der Einschlüsse stark ab. Der Literatur zufolge verlängert sich bei hochfestem Stahl die Lebensdauer um das 10-fache, wenn die Größe der Einschlüsse um 1/3 reduziert wird, und wenn die Größe der Einschlüsse um etwa die Hälfte reduziert wird, verlängert sich die Lebensdauer um das 100-fache. Gleichzeitig kann die Ermüdungsfestigkeit um das 1,12- bis 1,15-fache erhöht werden, wenn die Größe der Einschlüsse um die Hälfte reduziert wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Walze während des Gebrauchs komplexen Spannungen ausgesetzt ist, die an großen Einschlüssen Ermüdungsrissquellen verursachen. Wenn sich die Wechselspannung weiter ändert, dehnen sich die Ermüdungsrisse aus und erzeugen sekundäre Risse, die sich auf der Bruchfläche bilden. Ermüdungsbänder und radiale Bänder. Wenn die Gesamtgröße des Risses die kritische Größe überschreitet, tritt der Ermüdungsriss in die instabile Expansionsphase ein und die Walze versagt schließlich aufgrund von sofortigem Bruch und Abplatzen.

Abschluss

(1) Die Oberflächenabplatzungen beim Kalt-Tandemwalzen Arbeitswalze wird durch Ermüdungsbrüche verursacht, die durch große, Al2O3-ähnliche, spröde und harte Einschlüsse in der Nähe der Oberfläche verursacht werden.

(2) Verbessern Sie die Erkennung von Rollen. Ultraschallprüfungen können innere Defekte erkennen, und Magnetpartikel- und Wirbelstromprüfungen können Oberflächendefekte erkennen. Je nach Situation werden unterschiedliche Methoden oder eine Kombination davon verwendet, um die Qualität der Rollen sicherzustellen.

(3) Entwickeln Sie ein wissenschaftliches und angemessenes System für die Verwendung und Wartung der Rollen, um die Kühlung und Schmierung während des Gebrauchs sicherzustellen und eine Überhitzung zu verhindern.