3500 mm Steckel haddehanesinde yedek silindirlerin kırılma nedenlerinin analizi

Özet: Düşük büyütmeli asitleme, metalografik inceleme, taramalı elektron mikroskobu, enerji spektrumu analizi ve diğer yöntemler, başlangıçta kırılan 3500 mm Steckel Mill destek silindirinin kırılma yüzeyini analiz etmek için kullanıldı. Sonuçlar, büyük kalıntı gerilmenin ve çeşitli kapanımların ve karbürlerin birikmesi ve dağılımının, ekstra büyük destek silindirinin kırılmasının ana nedenleri olduğunu göstermektedir.

Anahtar kelimeler: yedek rulolar; kırılma; kapanım; karbür agregasyonu

Kaza silindiri 3500 mm Steckel'in destek silindiriydi haddehane. Makineye ikinci kez takılmış ve alt silindir pozisyonuna takılmıştır. Haddehane sıçramasının hata ayıklama işlemi sırasında aniden yüksek bir anormal ses duyulmuş ve incelemede alt destek silindirinin kırıldığı tespit edilmiştir. Kırıldığında her iki taraftaki haddeleme kuvveti 26,36 MN'dir (haddehane sıçraması hata ayıklaması için gereken değer her iki tarafta 29,4 MN'dir). Bu haddehanenin sıçrama işlemi işlemi tamamen otomatik bir işlem prosedürüdür ve prosedürde herhangi bir anormallik yoktur.

Yedek rulo malzemesi 3% CrMoV, rulo gövde boyutu 1950mm×3450 mm, bitmiş ürün 115,25 t ağırlığında ve çelik külçe 227 t ağırlığındadır. Bitmiş ürün ultrasonik testi geçti. Kaza rulo kırılmasının nedenini bulmak için kalan rulo üzerinde anatomik bir analiz yapıldı.

1 Kaza silindirinin makroskobik kırılma gözlemi

Yedek silindir, silindir gövdesinin uç yüzeyinden yaklaşık 1315 mm uzaklıkta (iz bırakmayan uç) kırıldı. Kırık yüzeyi silindir gövdesinin eksenine neredeyse diktir ve kırık, Şekil 1'de gösterildiği gibi nispeten düzdür. İlk kırık kaynağı merkezden yaklaşık 305 mm uzaklıktadır, bkz. Şekil 2.

2 Kaza silindiri üretim süreci

Yedek silindirin gerçek üretim süreci şu şekildedir: elektrikli fırında kaba işleme → vakumlu rafinasyon → vakumlu döküm → dövme → dövme sonrası ısıl işlem → kaba işleme ve ultrasonik test → son ısıl işlem → bitirme ve ultrasonik test → paketleme ve sevkiyat.

Şekil 1 Kırık morfolojisi

Şekil 2 Orijinal kırılma kaynağı ile dairenin merkezi arasındaki mesafe

3 Kaza silindirinin anatomi testi analizi

3.1 Kesitin düşük büyütmeli muayenesi

Kırık silindirlerden birinin kesitini kullanarak, düşük büyütmeli muayene için 50 mm kalınlığında düşük büyütmeli bir test parçası haline getirin. Şekil 3'teki A (ve çevresindeki bitişik alanlar), B (ve çevresindeki bitişik alanlar) ve C alanlarında sırasıyla bulunan üç belirgin kusur bulundu.

Şekil 3 Düşük büyütme kusur dağılım haritası

Alan A, dış çemberden itibaren 80 mm ile 180 mm aralığında dağılmış koyu nokta benzeri ayrışmadan oluşmaktadır (A ile işaretli tel çerçeve ile sınırlı değildir), Şekil 4'e bakınız.

Şekil 4 A alanındaki koyu noktalı ayrım

Alan B, dairenin merkezinden 200 mm ile 510 mm aralığında dağılmış açık renkli nokta benzeri bir ayrışmadır (B ile işaretlenen tel çerçeve ile sınırlı değildir), Şekil 5'e bakınız.

Şekil 5 B bölgesinde açık renkli nokta benzeri ayrışma

Alan C, dairenin merkezinden 250 mm'lik bir aralıkta dağılmış açık renkli bir kusur ağıdır (temel olarak C işaretli kutunun içinde dağılmıştır), Şekil 6'da görülmektedir.

Şekil 6 C bölgesindeki açık renkli ağ kusurları

3.1.1 A alanının düşük büyütmeli muayene sonuçları

Enerji spektrumu analizi, Cr, Mo ve V açısından zengin granüler karbürlerin eşit olmayan dağılımına ek olarak, A alanındaki düşük büyütmeli numunede birçok metalik olmayan kapanım türü olduğunu göstermektedir. Bunlar arasında masif titanyum nitrür, manganez sülfür, silisyum oksit, alümina ve C, Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl, Mn, S, vb. açısından zengin kompleks oksit cürufu bulunmaktadır. Alaşım matris bileşiminde çok az fark vardır. Doku ve enerji spektrumu analizini birleştirdiğimizde, A alanındaki düşük büyütmeli numunedeki siyah noktalar C, S ve Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl ve Mn açısından zengin metalik olmayan kapanımlardır.

3.1.2 B alanının düşük büyütmeli muayene sonuçları

Düşük büyütmeli algılama, metalografik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve enerji spektrumu analizi yoluyla. Beyaz nokta benzeri ayrışma, Cr, Mo ve V açısından zengin küçük granüler karbürlerin ve kabarcıklar veya delikler etrafında merkezlenmiş Cr, Si, S ve C açısından zengin büyük granüler oksitlerin bir araya gelmesidir. Karbürlerin ve kabarcıkların içinde ve matris yapılarında daha yüksek O içeriği tespit edildi.

3.1.3 C alanının düşük büyütmeli muayene sonuçları

Düşük büyütmeli algılama, metalografik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve enerji spektrum analizi ile belirlenir. Ağ ayrımı, Fe, Cr ve Mo açısından zengin çok sayıda beyaz granüler karbür ve Fe, Cr ve C açısından zengin az miktarda büyük granüler oksitten oluşan bir agregadır.

3.2 Kırık çatlaklarının kökeni ve nedenlerinin analizi

Deneysel analiz için kaza silindirinin orijinal kırılma kaynağından bir test çubuğu alındı.

Kırık numunelerin metalografik yapısı analiz edildi. Düşük büyütme altında, matris dokusunda eşit olmayan şekilde dağıtılmış gri-beyaz ayrışma alanları bulundu. Büyütme sonrasında, numunenin bir tarafının kenarında belli belirsiz görünen bir çizgi olduğu bulundu. Gri-beyaz doku ince ve matris dokusu kalındır, Şekil 7'de gösterildiği gibi.

Şekil 7 Kırık yüzeyinin düşük büyütmeli metalografik yapısı

Yüksek büyütme altında gözlemlendiğinde, gri-beyaz ince yapı troostit + perlit matrisi + çok sayıda granül karbürdür. Karbür bir ağda toplanmış veya dağılmış olabilir. Kaba matris yapısı troostit + sorbit + perlittir ve matriste büyük karbür parçacıkları bulmak zordur. Ek olarak, tane çizgisinin her iki tarafına yakın daha fazla metalik olmayan kapanım görülebilir, bkz. Şekil 8.

Şekil 8 Kırık yüzeyinin yüksek büyütmeli metalografik yapısı

Taramalı elektron mikroskobu altında gözlemleyerek, farklı boyut, şekil ve dağılımlardaki kapanımları ve koyu tane sınırlarını daha net görebiliriz. Koyu tane sınırları, aşırı ısınmış yapıların oluşumunu temsil eder, bkz. Şekil 9. Numunenin farklı kısımlarında farklı zamanlarda kapanımları gözlemleyin, bkz. Şekil 10.

Şekil 9 Taramalı elektron mikroskobu altında kırık yüzeyinin mikro yapı morfolojisi

Şekil 10 Kırık yüzey taramalı elektron mikroskobu altında kapanım morfolojisi

Düşük büyütme altında, numunenin yüzeyinde eşit olmayan şekilde dağılmış siyah noktalar ve beyaz noktalar bulunmuştur. Büyütüldüğünde, siyah noktalar C (65.05%), O (5.39%), Cr (1.82%), Na (1.35%), Cl (0.43%) bakımından zengin cüruflardır ve geri kalanı Fe'dir. Beyaz noktalar ve C bölgesindeki beyaz noktalar aynı tip kapanımlara aittir. Enerji spektrumu analizine göre, C (21.88%), O (38.81%), Zr (22.26%), Al (7.35%), S (3.54%) ve Mn bakımından zengindirler. (2.58%), Mg (1.01%), Fe (1.8%) oksit kapanımlarıdır. Daha yüksek büyütmelerde, yerel alanlarda toplanmış ve dağılmış, C (19.38%), Na (20.03%), Cl (4.10%), Cr (2.83%), Si (0.62%) açısından zengin olan daha küçük parlak beyaz kapanımları da görebilirsiniz, geri kalanı Fe kapanımlarıdır. Tahıl çizgilerine gelince, külçe enjeksiyonu sırasında soyulma nedeniyle oluşmuş olabilecek, etraflarında toplanmış daha fazla metalik olmayan kapanım vardır.

Darbe ve çekme numunelerinin kırılma yüzeylerini elde etmek için kırılma örneğinden numune alın. Kırık yüzeyinin görsel muayenesi, darbe kırığı yüzeyinin düzgün bir metalik parlaklığa sahip olduğunu, çekme kırığı yüzeyinin ise düzensiz bir metalik parlaklık dağılımına sahip olduğunu ortaya koydu. Düşük büyütmeli tarama, çekme ve darbe kırığı yüzeylerinin düzensiz olduğunu ortaya koydu. Yüksek güçlü tarama, bunların hepsinin yarık gevrek kırıkları olduğunu ortaya koydu. Ek olarak, Şekil 11 ve 12'de gösterildiği gibi, darbe kırığı yüzeyinde büyük TiN kapanım parçaları da bulundu.

Şekil 11 Taranan darbe örneğinin kırılma yüzeyinin mikro yapı morfolojisi

Şekil 12 Çekme numunesi kırık yüzey taramasının mikro yapı morfolojisi

Özetle, kırık numunesinin yapısı, düzensiz dağılmış karbürlere sahip kaba bir matris yapısıdır (troostit + sorbit + perlit). Karbürler ya kümelenmiş ya da retiküle edilmiştir ve düzensiz dağılım, şekil ve boyutlarda birçok metalik olmayan kapanım vardır.

Yerel karbür agregasyonu, orijinal külçe yapısındaki şiddetli karbür ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda, dövme işlemi sırasında kırılmamış ve dövme işleminden sonra tam olarak tavlanmamıştır. Bu nedenle, hammaddedeki karbon ve alaşım elementlerinin ayrışması etkili bir şekilde iyileştirilmemiştir. Özellikle birincil karbürler için, karbürler dövme ve dövme sonrası ısıl işlemin ısıtma işlemi sırasında tamamen çözünmez. Tam olarak çözünmemiş karbürlerin varlığı nedeniyle, ostenit tanelerinin büyümesini engeller ve bu bölgedeki yapı tanelerini nispeten ince hale getirir. Ağ karbürler, ısıl işlemin yüksek ısıtma sıcaklığı ve yavaş soğuma hızından kaynaklanmaktadır. Daha yüksek karbon içeriğine sahip alanlarda, karbürler ağ karbürleri oluşturmak için orijinal ostenit tane sınırları boyunca çökelir.

Çeşitli tipte metalik olmayan kapanımlar, alaşım sıvısının düşük saflığından kaynaklanır, bu da soğutma ve kristalleşme işlemi sırasında alaşım sıvısının yüzeyinden çıkmayı başaramaz ve alaşım külçesinde kalarak metalik olmayan kapanımlar oluşturur. Veya külçe dökümü sırasında uygunsuz işlem yapılmasından (döküm sıcaklığı çok düşük, döküm hızı düzensiz, külçe film kalitesi düşük, vb.) kaynaklanabilir. Erimiş çeliğin yüzeyinde yüzen oksit ölçeği erimiş çeliğe dönüşür. Yüzemezse erimiş çelikte kalır ve ölçek oluşturur. Kabuk, metalik olmayan kapanımların özel bir biçimidir. Kabuk, dövme sırasında dövülemez. Oksit kalınsa matristen ayrılır ve çatlaklar oluşturur. Metalografik ve taramalı elektron mikroskobu altında gözlenen çizgiler, kabuğun dövülmemesi nedeniyle oluşan çatlaklar olabilir.

Darbe örneğinin kırılma yüzeyinde bulunan büyük TiN kapanımları dışında, metalografik yapının gözlemlenmesinde bulunan granüler ikinci faz ve diğer kapanım tipleri görülmemiştir. Bu, metalografik yapı örneğindeki kapanımların uygunsuz dökümden kaynaklanabileceğini, kapanımların dahil olmasına neden olarak, numunede daha yüksek içerik, daha fazla tip ve yoğun yerel kapanım dağılımına yol açabileceğini göstermektedir. Bu, kaçınılmaz olarak alaşımın genel performansını ciddi şekilde düşürecek ve ayrıca daha fazla gerilim konsantrasyonuna neden olarak çatlakların kaynağı haline gelecektir.

Her iki numunenin kırılma yüzeylerinde kristalin metalik parlaklık ve düzensiz yüzeyler görülebilir, bu da yapının kaba ve düzensiz olduğunu gösterir. Bu yapısal özellik alaşımın plastik tokluğunu azaltacaktır (bu, ayrılma ve gevrek kırılma morfolojisiyle doğrulanır).

Matris yapısı, iri tanecikler, karbürlerin eşit olmayan dağılımı ve alaşımın mukavemetini ve plastisitesini azaltacak çok sayıda metalik olmayan inklüzyonun varlığına sahiptir. Özellikle karbürlerin, inklüzyon birikim alanlarının ve büyük inklüzyonların varlığı, kırılma direncini azaltacak ve çatlak başlangıcına neden olacak gerilim yoğunlaşmasına neden olacaktır. Kaba tanecikler ayrıca alaşımın mukavemeti ve plastik tokluğu üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olacak ve çatlak genişlemesini teşvik edecektir. Stresin etkisi altında, matris yapısının zayıf plastik tokluğu nedeniyle çatlaklar yayılır ve nihai kırılma meydana gelir.

Yukarıdaki analize dayanarak, kaza rulosunun kırık çatlağının çeşitli metalik olmayan kapanımlardan kaynaklandığı görülebilir. Kaba matris yapısı ve karbürlerin eşit olmayan dağılımı nedeniyle, alaşımın plastik tokluğu azalır. Stres etkisi altında çatlaklar teşvik edilir ve sonunda kırılır.

4 Kazara silindir kırılmasının nedenlerinin analizi

Yukarıdaki test analizine dayanarak, kaza silindiri kırılmasının esas olarak aşağıdaki hususlarla ilgili olduğu görülmektedir:

(1) Karbürler eşit olmayan bir şekilde dağılmıştır. Bu durum, düşük büyütme altında beyaz nokta benzeri ayrışma ve ağ ayrışması olarak yansıtılır. Bu, orijinal külçenin katılaşma süreci sırasında çeliğin eritme kalitesinden, döküm koşullarından ve soğutma kristalleşme özelliklerinden etkilenmesinin sonucudur. Orijinal külçe yapısında ciddi bir şekilde eşit olmayan karbür dağılımı vardır ve dövme ve dövme sonrası tavlama yetersizdir, bu nedenle eşit olmayan karbür olgusu etkili bir şekilde iyileştirilemez. Matris yapısının tane boyutu dağılımının eşit olmamasının nedeni tam olarak eşit olmayan karbürdür. Özellikle karbon açısından fakir alan aşırı ısınmaya ve kaba bir yapı oluşturmaya eğilimlidir.

(2) Metalik olmayan kapanımlar. Kaza silindirinin yüzeyinden içine doğru, birçok farklı tipte metalik olmayan kapanım vardır. Farklı tipteki kapanımlar farklı şekillerde mevcuttur. Farklı numunelerin enerji spektrumu analizine dayanarak, kaza silindiri içindeki ana kapanım tipleri şunlardır: büyük TiN, TiC parçaları ve uzun MnS şeritleri. C, O, Al, Mg, Mn, Zr, Ti, Ca, P, S, vb. açısından zengin granüler düşük erime noktalı cüruf. Mg, Al, Na, Zr, Mn, vb. açısından zengin küçük parçacık oksitler; C, Na, Cl, Si, Cr açısından zengin daha küçük beyaz parçacıklar bir araya gelmiş ve dahil edilmiştir. Bunlar arasında, kaza silindirinin farklı yerlerinde, yani yüzeyden içine doğru büyük TiN, TiC parçaları ve uzun MnS şeritleri mevcuttur. Belirli bir plastisiteye sahip olan ve uzun şeritler halinde bulunan MnS hariç, TiN ve TiC her ikisi de keskin kenarlı büyük parçalar halinde bulunur; düşük erime noktalı cüruf esas olarak farklı parçacık boyutlarındaki agregalar şeklinde bulunur. Kaza silindirinin farklı bölümleri nedeniyle, varoluş biçimi de farklıdır. Kaza silindirinin dış katmanında, esas olarak düşük erime noktalı kapanımlar eşlik eder ve farklı boyutlarda granüler agregasyon şeklinde bulunur. Düşük büyütmede, kenarda siyah nokta benzeri segregasyon olarak görünür. Kaza silindirinin içindeki orta katman ve çekirdek, granüler karbürlerin agregasyonu ile agrege olur ve agregalar oluşturmak için granüler karbürler, oksitler vb. ile karışır. Düşük büyütmede, beyaz nokta benzeri segregasyon ve ağ segregasyonu olarak görünürler. Mg, Al, Na, Zr, Mn vb. gibi çoğu oksit cürufun yüzeyine yapışır ve cüruf ile birlikte bulunur. Bunlardan bazıları karbürlerin agregasyonu ile bir araya gelerek beyaz nokta benzeri segregasyon ve ağ segregasyonu oluşturan bağımsız küçük parçacık oksitlerdir. C, Na, Cl, Si ve Cr açısından zengin parçacık kapanımları sadece kırık yüzeyinde bulunur ve daha küçük agregalarda bulunurlar. Yukarıdaki kapanımların farklı tipleri ve varoluş biçimleri esas olarak hammadde alaşımlarının eritme kalitesi, döküm koşulları ve kristalleşme özellikleriyle ilgilidir. Özellikle kırık kaynağında bulunan kırık numuneler için, sadece karbürlerin düzensizliği daha şiddetli olmakla kalmaz, aynı zamanda daha çeşitli kapanımlar da vardır ve dağılımları yoğunlaşır. Bunun başlıca nedeni alaşım döküm işlemi sırasında uygunsuz dökümdür, bu da oksitlerin, düşük erime noktalı kapanımların, kolayca ayrılan çözünen elementlerin, cürufun, kalıplama cürufu ve alaşım yüzeyindeki diğer kapanımların erimiş çeliğe çekilmesine ve yüzememesine neden olur. Kaza silindirinin kırılmasının, cildin ters çevrilmesiyle oluşan kapanımlardan kaynaklandığı görülebilir.

Farklı kırılma yüzeylerinin gözlemlenmesi ve analizi yoluyla, neredeyse tüm kırılma yüzeyleri karbür ve kapanımların birikme alanından kaynaklanmaktadır. Yani, düşük büyütme altında çıplak gözle görülebilen beyaz noktalardan ve ağ ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Beyaz noktalar ve ağ ayrışması granüler karbürler, cüruf, düşük erime noktalı kapanımlar, oksitler vb.'den oluşan agregalar olduğundan, alaşımın plastik tokluğunda aşırı bir azalmaya neden olur ve çatlakların başlamasını destekleyen gerilim konsantrasyonu üretir. Özellikle kaza silindirinin kırılma kaynak alanında bulunan kırık numunesi, çünkü külçe döküm sırasında bir deri oluşturmuştu ve iç kapanımlar ve karbür birikimi çok ciddiydi. Dövme işlemi sırasında deri birbirine bastırılmamıştı ve kapanımlar ve karbür agregasyonu dövme ve dövme sonrası ısıl işlem süreçleri sırasında dağılmış bir dağılım oluşturmak üzere parçalanmamıştı, bu da metal matrisin sürekliliğini ciddi şekilde bozmuş ve alaşımın mukavemetini ve plastisitesini azaltmıştı. ve stres yoğunlaşması meydana gelir, bu da kaza silindirinde kırık kaynaklarının oluşmasına yol açar.

Çatlak kaynak alanı veya çatlak genişleme alanı olsun, kırık morfolojisi yarık gevrek kırığı tarafından domine edilir ve bu da kaza silindiri sisteminin tipik bir gevrek kırık olduğunu gösterir. Bu, kaba matris yapısı, çok sayıda kapanım ve karbürlerin düzensiz dağılımı gibi yapısal özellikleriyle doğrulanır.

(3) Kalıntı gerilim. Kaza silindirinin büyük boyutu nedeniyle, ısıl işlemin ısıtma ve soğutma işlemi sırasında yüzey ve çekirdek üzerindeki sıcaklık dağılımı eşit değildir ve bu da termal gerilime neden olur. Isıl işlemden sonra, termal gerilim tamamen ortadan kaldırılmaz ve kaza silindirinde kalıntı gerilim olarak depolanır. Ek olarak, kaza silindirinin matris yapısı yüzeyden çekirdeğe kadar farklı alanlarda büyük ölçüde farklı olduğundan, farklı tip, boyut ve şekillerde kapanımlar ve karbürler toplanır ve dağıtılır ve matris yapı taneleri kaba ve düzensizdir, bu da kaçınılmaz olarak gerilim yoğunlaşmasına neden olur. Özellikle, gerilim yoğunlaşması, kapanımların ve karbürlerin ciddi şekilde biriktiği alanlarda en büyüktür. Kaza silindirinin kalıntı termal geriliminin ve karmaşık yapısal gerilimin üst üste gelmesi, malzemenin kırılma direncini aşmasına neden oldu, bu nedenle orada çatlaklar oluştu ve kırılma kaynağı haline geldi.

Bir çatlak başladığında, içeriden dışarıya doğru yayılır. Kaba matris yapısı, kapanımların ve karbürlerin toplanması, farklı matris tane boyutları ve kırılgan yapıların varlığı nedeniyle, alaşımın mukavemeti ve plastik tokluğu ciddi şekilde azalacaktır, bu da çatlakların yayılmasına ve ayrılma-kırılgan bir şekilde kırılmasına neden olacaktır.

5 Sonuç

Bu makalede analiz edilen Steckel Haddehanesinin yedek silindirinin kırılmasının doğrudan nedeni, yedek silindirin içindeki büyük kalıntı gerilimdir. Başlıca neden, yedek silindirin yapısında çeşitli kapanımların ve karbürlerin birikmesi ve dağılmasıdır.