Analyse des causes de l'écaillage de la surface des cylindres de travail lors du laminage à froid en tandem

Le rouleau laminé à froid Le laminoir à froid est un composant important à grande échelle de l'unité de laminage à froid en tandem. Son processus de fabrication est relativement complexe et l'environnement de travail est rude. Il est soumis à des frottements, des contraintes thermiques, des chocs et d'autres contraintes. Pendant l'utilisation, il peut se casser, se décoller, s'user, etc., puis tomber en panne. , augmenter le coût des consommables et affecter la production, entraînant des pertes économiques. Au cours du processus de production de laminage normal de la ligne de production d'acier inoxydable d'une entreprise, la surface du cylindre de travail de laminage continu à froid s'est soudainement décollée, provoquant une panne et un arrêt, affectant gravement la production normale. Cet article prend l'échantillon de pelage du cylindre de travail de laminage à froid en tandem comme objet d'analyse. Grâce à des méthodes de test physiques et chimiques telles que la fracture macroscopique, la mesure de la composition spectrale, la dureté, la structure métallographique et la microscopie électronique à balayage, combinées aux conditions d'utilisation quotidiennes, les causes du pelage de la surface du rouleau sont analysées et discutées.

Résultats de l'inspection physique et chimique et observation de la fracture du bloc pelé

Effectuer une analyse morphologique macroscopique des blocs de pelage du rouleau (voir Figure 1). Le bloc pelé présente des caractéristiques de fracture de fatigue typiques et des lignes de crête évidentes peuvent être observées dans la zone du cercle central, ce qui est une caractéristique importante de la zone d'expansion de fatigue. Le centre de la ligne de coque est la source de fatigue, qui est la zone d'initiation des fissures de fatigue. On peut voir que la source de fatigue est située à l'intérieur du rouleau plutôt qu'à la surface ; la zone de la bague extérieure occupe la plus grande surface et la morphologie macroscopique est radiale, ce qui est une zone de fracture instantanée. En cas de défaillance des matériaux de structure et des pièces mécaniques, les dommages par fatigue sont différents des dommages par charge statique. La plupart d'entre eux se produisent sans avertissement et dans des circonstances inattendues. Il n'y a aucun signe évident d'apparition avant la défaillance et les dommages sont graves.

En observant la zone source de fatigue au microscope électronique à balayage, on a découvert des inclusions granulaires d'un diamètre d'environ 50 μm. Les résultats de l'EDS montrent qu'il contient du Ca, du K, de l'O, du Mg, de l'Al, du Si et d'autres éléments (voir la figure 2) et qu'il s'agit d'une inclusion mixte d'oxyde à gros grains.

Composition chimique : Découper un échantillon du bloc pelé pour l'analyse de la composition spectrale. Le matériau du rouleau est du 8Cr3NiMoV. Les résultats des tests sont présentés dans le tableau 1. À l'exception de l'élément Cr qui est légèrement inférieur à la limite inférieure, les autres composants entrent dans le champ d'application de la norme GB/T1299-2014. Un testeur de dureté Rockwell a été utilisé pour tester la dureté du bloc exfolié. La valeur de dureté (HRC) a atteint 64,5 et chaque position sur l'échantillon était relativement uniforme, répondant aux exigences de la norme.

Observation métallographique

Une machine de découpe de fil a été utilisée pour couper des échantillons métallographiques à la source de fatigue. Après la mesure, la source de fatigue se trouvait à environ 8 mm de la surface du rouleau. Après la préparation et le polissage des échantillons, le microscope métallographique ZEISSImager.A1m, le microscope électronique à balayage ZEISSEVO18 et d'autres instruments ont été utilisés pour l'observation et l'analyse. On a constaté qu'il y avait plusieurs fissures en forme de racine dans le bloc pelé (voir la figure 3). Les fissures provenaient de la source de fatigue interne et se sont étendues à la surface du rouleau.

Figure 3 Fissures internes dans le bloc pelé

Français Une observation complète de l'échantillon a révélé qu'il y avait de nombreuses inclusions massives dans le bloc pelé (voir la figure 4a), d'une taille allant jusqu'à 90 μm, et que les inclusions dépassaient largement la norme. En utilisant l'analyse du spectre d'énergie au microscope électronique à balayage (voir la figure 4b), les inclusions massives de grosses particules sont principalement O et Al, avec une petite quantité de Mg, S, Ca, Mn et Fe. On peut en déduire qu'il s'agit d'inclusions mixtes avec Al2O3 comme composant principal. Cela peut être dû à un contrôle laxiste du processus de fusion lors de la production de rouleaux.

2. Analyse et discussion

Le processus de génération de fissures

L'analyse de la morphologie macroscopique permet de déduire que la rupture par écaillage du rouleau provient de la source de fatigue interne. Par la suite, sous l'effet de la contrainte cyclique continue pendant le fonctionnement, les fissures se sont progressivement élargies pour former des lignes de crête. Les fissures de fatigue se dilatent dans une certaine mesure, ce qui entraîne une résistance insuffisante et une incapacité à résister à la force externe pendant le processus de laminage. Finalement, une zone de terminaison se forme et la surface du rouleau se décolle. Pendant le fonctionnement du rouleau, la contrainte de cisaillement combinée maximale causée par la charge du rouleau est réduite. laminoir et la compression locale du rouleau au point de contact est située dans une petite zone sous la surface du rouleau. Le processus de préparation avant la fabrication et l'utilisation du rouleau produira une contrainte résiduelle. En même temps, bien que la température de traitement de laminage à froid soit basse, la température du rouleau et de la bande augmentera également sous l'action du frottement, ce qui entraînera une contrainte thermique. Si une rupture de bande, un glissement, un chevauchement, un glissement, etc. se produisent pendant le processus de laminage, la surface du rouleau sera soumise à une surcharge thermique locale et à une contrainte d'impact. Étant donné que les inclusions non métalliques existent dans l'acier sous forme de mélanges mécaniques et que leurs propriétés sont très différentes de celles de l'acier, elles détruisent l'uniformité et la continuité de la matrice d'acier et y provoquent une concentration de contraintes, devenant une source de fatigue. De plus, pendant le processus de chauffage, les coefficients de dilatation linéaire des inclusions non métalliques et de la matrice sont différents, créant un champ de contrainte supplémentaire dans la matrice à proximité des inclusions. Dans des conditions de contrainte aussi complexes, s'il y a des inclusions non métalliques dans la couche de surface, en particulier des inclusions cassantes, les inclusions sphériques se décolleront d'abord de la matrice aux deux extrémités de la contrainte maximale, formant des microfissures primaires. Avant que la fissure ne se propage rapidement, l'interface entre la matrice d'acier et les inclusions se sépare progressivement de la matrice et forme un canal de fissure. À mesure que le nombre de cycles de contrainte augmente, les microfissures s'étendent progressivement vers l'extérieur le long de la matrice de déchirure de la coque de la bille. Lorsque la taille globale de la fissure dépasse la taille critique que le rouleau peut supporter, la fissure de fatigue entre dans la phase d'expansion instable et la surface du rouleau finit par se décoller en raison d'une fracture instantanée. Le pelage de la surface du rouleau a subi plusieurs processus : initiation de fissure causée par des inclusions → propagation de fissure → pelage.

Effet des inclusions sur les propriétés de fatigue

L'influence des inclusions sur la durée de vie en fatigue de la pièce est liée à la nature, à la taille, à la quantité et à la distribution des inclusions. D'une manière générale, les inclusions massives ou sphériques dures et cassantes qui ont une mauvaise connexion avec la matrice et ne se déforment pas, telles que TiN, Al2O3, etc., sont plus nocives que les inclusions ductiles et allongées. Lorsqu'il y a un grand nombre d'inclusions, qu'elles sont concentrées et distribuées, ou qu'elles se trouvent à la surface de la pièce ou dans une zone à forte contrainte, elles auront l'impact le plus grave sur la durée de vie en fatigue. Dans le même temps, l'influence des inclusions sur les propriétés de fatigue dépend également de la structure et des propriétés de la matrice. Des expériences ont montré que la résistance à la fatigue de l'acier doux a peu de rapport avec les inclusions. À mesure que la résistance de l'acier augmente, les effets nocifs des inclusions deviennent de plus en plus graves. Dans les matériaux métalliques à haute dureté et à haute résistance, l'influence des inclusions sur la résistance à la fatigue est devenue un problème majeur. Selon les données de recherche pertinentes, la durée de vie en fatigue est très sensible à la taille des inclusions. La réduction de la taille des inclusions peut améliorer considérablement la durée de vie en fatigue. Pour les pièces à haute dureté et haute résistance, la taille critique des inclusions de surface est de 8 à 10 µm, qui diminue à mesure que la dureté augmente et augmente à mesure que la profondeur augmente. Si les inclusions sont plus petites que la taille critique, la fracture de fatigue causée par les inclusions peut être évitée et les performances de fatigue seront meilleures ; lorsque les inclusions sont plus grandes que la taille critique, à mesure que la taille des inclusions augmente, la résistance à la fatigue et la durée de vie en fatigue de l'acier diminuent fortement. Selon la littérature, pour l'acier à haute résistance, si la taille des inclusions est réduite d'un tiers, la durée de vie en fatigue sera prolongée de 10 fois, et si la taille des inclusions est réduite d'environ la moitié, la durée de vie en fatigue sera prolongée de 100 fois. Dans le même temps, si la taille des inclusions est réduite de moitié, la résistance à la fatigue peut être augmentée de 1,12 à 1,15 fois. En résumé, le rouleau est soumis à l'action de contraintes complexes pendant son utilisation, ce qui provoque des sources de fissures de fatigue au niveau des grandes inclusions. Au fur et à mesure que la contrainte alternée continue de changer, les fissures de fatigue s'élargissent et génèrent des fissures secondaires, se formant sur la surface de fracture. Bandes de fatigue et bandes radiales. Lorsque la taille globale de la fissure dépasse la taille critique, la fissure de fatigue entre dans la phase d'expansion instable et le rouleau finit par se briser en raison d'une fracture instantanée et d'un écaillage.

Conclusion

(1) L'écaillage de surface du laminage à froid en tandem rouleau de travail est causée par une fracture de fatigue provoquée par des inclusions cassantes et dures de grande taille de type Al2O3 près de la surface.

(2) Renforcer la détection des rouleaux. Les tests par ultrasons peuvent détecter les défauts internes, tandis que les particules magnétiques et les courants de Foucault peuvent détecter les défauts de surface. Différentes méthodes ou une combinaison sont utilisées selon la situation pour garantir la qualité des rouleaux.

(3) Développer un système d’utilisation et d’entretien des rouleaux scientifique et raisonnable pour assurer le refroidissement et la lubrification pendant l’utilisation et éviter la surchauffe.