Анализ причин шелушения поверхности рабочих валков при холодной тандемной прокатке

The рулон холодной прокатки является важным крупномасштабным компонентом агрегата холодной тандемной прокатки. Его производственный процесс относительно сложен, а рабочая среда суровая. Он подвержен трению, термическому напряжению, ударам и другим нагрузкам. Во время использования он может сломаться, отслоиться, износиться и т. д., а затем выйти из строя. , увеличить стоимость расходных материалов и повлиять на производство, вызывая экономические потери. Во время обычного процесса прокатки на производственной линии компании из нержавеющей стали поверхность рабочего валка холодной непрерывной прокатки внезапно отслоилась, что привело к поломке и остановке, серьезно повлияв на нормальное производство. В этой статье в качестве объекта анализа взят образец отслоения рабочего валка холодной тандемной прокатки. С помощью физических и химических методов испытаний, таких как макроскопическое разрушение, измерение спектрального состава, твердость, металлографическая структура и сканирующая электронная микроскопия, в сочетании с ежедневными условиями использования анализируются и обсуждаются причины отслоения поверхности валков.

Результаты физико-химического контроля и наблюдения за изломом отслоившегося блока

Проведите макроскопический анализ морфологии отслаивающихся блоков рулона (см. Рисунок 1). На отслаивающемся блоке наблюдаются типичные характеристики усталостного разрушения, а в центральной круговой области можно наблюдать очевидные линии гребня, что является важной особенностью зоны расширения усталости. Центр линии оболочки является источником усталости, который является областью зарождения усталостных трещин. Видно, что источник усталости находится внутри рулона, а не на поверхности; область внешнего кольца занимает наибольшую площадь, а макроскопическая морфология является радиальной, что является зоной мгновенного разрушения. В случаях отказа конструкционных материалов и механических деталей усталостное повреждение отличается от повреждения статической нагрузкой. Большинство из них происходит без предупреждения и при неожиданных обстоятельствах. Перед отказом нет никаких явных признаков, а повреждение является серьезным.

Используя сканирующий электронный микроскоп для наблюдения за областью источника усталости, было обнаружено, что там были зернистые включения диаметром около 50 мкм. Результаты EDS показывают, что он содержит Ca, K, O, Mg, Al, Si и другие элементы (см. рисунок 2) и представляет собой крупнозернистое оксидное смешанное включение.

Химический состав: Вырежьте образец из очищенного блока для анализа спектрального состава. Материал рулона - 8Cr3NiMoV. Результаты испытаний приведены в Таблице 1. За исключением элемента Cr, который немного ниже нижнего предела, другие компоненты находятся в пределах стандарта GB/T1299-2014. Для проверки твердости очищенного блока использовался твердомер по Роквеллу. Значение твердости (HRC) достигло 64,5, и каждая позиция на образце была относительно однородной, что соответствовало требованиям стандарта.

Металлографические наблюдения

Для резки металлографических образцов на источнике усталости использовался проволочный отрезной станок. После измерения источник усталости находился на расстоянии около 8 мм от поверхности валка. После подготовки и полировки образцов для наблюдения и анализа использовались металлографический микроскоп ZEISSImager.A1m, сканирующий электронный микроскоп ZEISSEVO18 и другие приборы. Было обнаружено, что в очищенном блоке имелось несколько корневидных трещин (см. рисунок 3). Трещины возникли из внутреннего источника усталости и распространились на поверхность валка.

Рисунок 3 Внутренние трещины в отслоенном блоке

Всестороннее наблюдение за образцом показало, что в очищенном блоке было много массивных включений (см. Рисунок 4а) размером до 90 мкм, и включения серьезно превышали стандарт. С помощью анализа энергетического спектра сканирующего электронного микроскопа (см. Рисунок 4б) массивные включения крупных частиц в основном состоят из O и Al с небольшим количеством Mg, S, Ca, Mn и Fe. Можно сделать вывод, что это смешанные включения с Al2O3 в качестве основного компонента. Это может быть вызвано слабым контролем процесса плавки при производстве рулонов.

2. Анализ и обсуждение

Процесс образования трещин

Из макроскопического морфологического анализа можно сделать вывод, что разрушение валка из-за скалывания произошло из-за внутреннего источника усталости. Впоследствии, под действием непрерывного циклического напряжения во время эксплуатации, трещины постепенно расширялись, образуя линии гребней. Усталостные трещины расширяются до определенной степени, что приводит к недостаточной прочности и неспособности выдерживать внешнюю силу во время процесса прокатки. В конечном итоге образуется зона окончания, и поверхность валка отслаивается. Во время эксплуатации валка максимальное комбинированное напряжение сдвига, вызванное нагрузкой прокатный стан и локальное сжатие валка в точке контакта находится на небольшой площади под поверхностью валка. Процесс подготовки перед изготовлением и использованием валка будет создавать остаточные напряжения. В то же время, хотя температура обработки холодной прокатки низкая, температура валка и полосы также будет увеличиваться под действием трения, что приведет к термическому напряжению. Если в процессе прокатки произойдет обрыв, рывок, нахлест, проскальзывание и т. д. полосы, поверхность валка будет подвергаться локальной перегрузке, тепловому и ударному напряжению. Поскольку неметаллические включения существуют в стали в виде механических смесей, а их свойства сильно отличаются от свойств стали, они разрушают однородность и сплошность стальной матрицы и вызывают концентрацию напряжений в ней, становясь источником усталости. Кроме того, в процессе нагрева коэффициенты линейного расширения неметаллических включений и матрицы различны, что создает дополнительное поле напряжений в матрице вблизи включений. При таких сложных условиях напряжения, если в поверхностном слое имеются неметаллические включения, особенно хрупкие включения, сферические включения сначала отслаиваются от матрицы на двух крайних точках максимального напряжения, образуя первичные микротрещины. Перед тем, как трещина быстро распространится, интерфейс между стальной матрицей и включениями постепенно отделяется от матрицы и образует канал трещины. По мере увеличения числа циклов напряжения микротрещины постепенно расширяются наружу вдоль оболочки разрыва матрицы шара. Когда общий размер трещины превышает критический размер, который может выдержать валок, усталостная трещина переходит в стадию нестабильного расширения, и поверхность валка в конечном итоге отслаивается из-за мгновенного разрушения. Отслаивание поверхности валка прошло несколько процессов: зарождение трещины, вызванное включениями → распространение трещины → отслаивание.

Влияние включений на усталостные свойства

Влияние включений на усталостную долговечность заготовки связано с природой, размером, количеством и распределением включений. Вообще говоря, твердые и хрупкие массивные или сферические включения, которые имеют плохую связь с матрицей и не деформируются, такие как TiN, Al2O3 и т. д., более вредны, чем пластичные и удлиненные включения. Когда включений много, они сконцентрированы и распределены, или находятся на поверхности детали или в зоне высокого напряжения, они будут иметь самое серьезное влияние на усталостную долговечность. В то же время влияние включений на усталостные свойства также зависит от структуры и свойств матрицы. Эксперименты показали, что усталостная прочность мягкой стали мало связана с включениями. По мере увеличения прочности стали вредное воздействие включений становится все более серьезным. серьезным. В металлических материалах с высокой твердостью и высокой прочностью влияние включений на усталостную долговечность стало заметной проблемой. Согласно соответствующим данным исследований, усталостная долговечность очень чувствительна к размеру включений. Уменьшение размера включений может значительно улучшить усталостную долговечность. Для высокотвердых, высокопрочных заготовок критический размер поверхностных включений составляет 8–10 мкм, который уменьшается с увеличением твердости и увеличивается с увеличением глубины. Если включения меньше критического размера, можно избежать усталостного разрушения, вызванного включениями, и усталостные характеристики будут лучше; когда включения больше критического размера, по мере увеличения размера включений усталостная прочность и усталостная долговечность стали резко снижаются. Согласно литературным данным, для высокопрочной стали, если размер включений уменьшить на 1/3, усталостная долговечность увеличится в 10 раз, а если размер включений уменьшить примерно вдвое, усталостная долговечность увеличится в 100 раз. В то же время, если размер включений уменьшить вдвое, усталостная прочность может быть увеличена в 1,12–1,15 раза. Подводя итог, можно сказать, что валок в процессе эксплуатации находится под воздействием комплексного напряжения, что приводит к появлению источников усталостных трещин на крупных включениях. По мере того, как знакопеременное напряжение продолжает изменяться, усталостные трещины расширяются и порождают вторичные трещины, образующиеся на поверхности излома. Полосы усталости и радиальные полосы. Когда общий размер трещины превышает критический размер, усталостная трещина переходит в стадию нестабильного расширения, и валок в конечном итоге выходит из строя из-за мгновенного разрушения и откола.

Заключение

(1) Поверхностное скалывание при холодной тандемной прокатке рабочий рулон вызван усталостным разрушением, вызванным крупными хрупкими и твердыми включениями типа Al2O3 вблизи поверхности.

(2) Усиление обнаружения валков. Ультразвуковой контроль может обнаружить внутренние дефекты, а магнитопорошковый и вихревой ток могут обнаружить поверхностные дефекты. Различные методы или их комбинация используются в зависимости от ситуации для обеспечения качества валков.

(3) Разработать научно обоснованную и обоснованную систему эксплуатации и обслуживания валков, обеспечивающую охлаждение и смазку во время использования и предотвращающую перегрев.