Влияние упрочняющих обработок на структуру и свойства фасонного стального проката и чугунных валков

• Автор: Белов, Евгений Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новокузнецк
• Количество страниц: 174 с. : ил.

Введение.
1 Формирование мелкокристаллического состояния на поверхности металлов и сплавов за счет энергетических воздействий.

1.1 Технологические особенности получения мелкокристаллической структуры

1.1.1 Регулируемое термопластическое упрочнение

1.1.2 Внешнее энергетическое воздействие.

1.2 Формирование структуры при принудительном охлаждении стального проката в потоке станов.

1.2.1 Упрочнение арматурного проката проблемы и перспективы

1.3 Поверхностное упрочнение прокатных валков.

1.3.1 Технологические факторы износа валков при горячей прокатке

1.3.2 Физические процессы при плазменном поверхностном упрочнении.

1.3.3 Технологические особенности плазменного поверхностного упрочнения металлов и сплавов
1.3.4 Плазменное упрочнение прокатных валков на металлургических предприятиях.
1.4 Выводы
2 Материалы и методики исследования структуры, фазового состава
и механически свойств.
2.1 Материалы исследования
2.2 Методики металлографических исследований
2.3 Методики измерения микротвердости.
2.4 Методики просвечивающей электронной микроскопии
2.5 Методики сканирующей электронной микроскопии
2.6 Методики рентгеновского микроанализа
2.7 Методики исследования механических свойств
3 Повышение стойкости прокатных валков сортовых станов из чугуна марки СПХН.
3.1 Оборудование для плазменной поверхностной обработки прокатных валков
3.1.1 Физикотехнологические процессы в основе работы оборудования
3.1.2 Состав оборудования для ведения процесса плазменной обработки
3.1.3 Назначение узлов и механизмов установки УПН3
3.1.4 Устройство и принцип работы плазменной установки
3.1.5 Конструктивные и технологические особенности плазмотрона прямого действия.
3.1.6 Технологическая схема плазменного упрочнения
3.2 Расчет технологических параметров плазменного упрочнения прокатных валков.
3.3 Промышленные испытания упрочненных прокатных валков из чугуна СПХН
3.4 Выводы
4 Эволюция структурнофазовых состояний и дефектной субструктуры чугунных валков при плазменном упрочнении и эксплуатации
4.1 Металлографические исследования структуры валков из чугуна марки СПХН
4.2 Исследования микротвердости валков из чугуна марки СПХН.
4.3 Электронномикроскопические исследования структуры по сечению чугунных валков
4.3.1 Структура литых калибров без эксплуатации на стане
4.3.2 Структура литых калибра после эксплуатации на стане
4.4 Электронномикроскопические исследования структуры по сечению калибра плазменноупрочненного чугунного валка.
4.4.1 Структурнофазовый состав поверхностного слоя
4.4.2 Структурнофазовый состав приповерхностного слоя валков
4.5 Электронномикроскопические исследования элементного состава по сечению калибра чугунных валков.
4.5.1 Распределение легирующих элементов в приповерхностном слое калибра без эксплуатации
4.5.2 Распределение легирующих элементов в приповерхностном слое калибра после эксплуатации
4.6 Выводы
5 Производство двутавровой балки ДП 5.
5.1 Характеристика двутаврового профиля
5.2 Прокатка двутаврового профиля.
5.3 Разработка оборудования и технологии для ускоренного охлаждения двутавра в линии стреднесортного стана
5.3.1 Производство горячекатаного двутавра
5.3.2 Ускоренное охлаждение раскатов в линии стана 0
5.4 Оптимизация режимов ускоренного охлаждения двутавра
5.5 Выводы.
6 Формирование структурнофазового состава при термомеханическом упрочнении двутавра.
6.1 Макро и микроструктура упрочненного двутавра
6.2 Электронномикроскопические исследования градиентных структурнофазовых состояний двутавра
6.3 Выводы.
Основные выводы.
Библиографический список литературы.
Приложение А.
Приложение Б
Введение
Развитие новых отраслей техники предъявляет высокие требования к свойствам материалов, эксплуатирующихся в экстремальных по уровню тепловых, электромагнитных, коррозионных, радиационных и др. условий. Выяснение физической природы формирования и эволюции структурнофазовых состояний и дефектной субструктуры в железоуглеродистых материалах является одной из важнейших задач современного физического материаловедения и физики конденсированного состояния, поскольку лежит в основе разработки эффективных способов повышения служебных характеристик стальных изделий.
В настоящее время развитие конструкционных и функциональных материалов на основе железа осуществляется в условиях возрастающего конкурентного давления со стороны бурно развивающегося производства сплавов легких металлов, полимеров, керамики, стекла, композитов и др. С другой стороны, имеет место непрерывный рост требований к показателям прочности, хладостойкости и другим механическим свойствам. Чтобы адекватно соответствовать этим требованиям и противостоять конкурентным тенденциям необходимы новые научные подходы, эффективные ресурсосберегающие технологические разработки.
Необходимость достижения высоких механических и физикохимических характеристик металлов привела к разработке принципиально новых технологических воздействий, обеспечивающих формирование заданных структуры и свойств. Анализ современных тенденций развития металлургии и материаловедения свидетельствует о том, что одним из путей достижения прорывных позиций в повышении потребительских свойств и надежности стальной продукции могут быть технологические решения в направлении повышения эксплуатационных свойств в системе стальной
прокатчугунные валки. Необходимость такого комплексного подхода связано и с тем, что производство высококачественного проката все более смещается в сторону формирования служебных характеристик в потоке сортовых станов, например в процессе термомеханической обработки.
Применение технологий принудительного охлаждения с температуры конца прокатки для упрочнения фасонного проката обеспечивает наиболее эффективное использование достаточно дорогих легирующих материалов при одновременном повышении свойств изделий. Очевидно, что получение требуемого комплекса прочностных и пластических свойств требует понимания физической природы структурных изменений, протекающих в сталях в процессе сложных деформационных и термических воздействий. Варьирование технологическими параметрами скорость и температура прокатки, интенсивность охлаждения и т.д. регулирует изменение температуры во времени в сечении стальных раскатов, т.е. управляет процессами структурообразования. Формирующиеся при этом структуры и субструктуры неоднородны по сечению профиля, что самым серьезным образом влияет на комплекс прочностных и пластических свойств, сопротивление деформированию и разрушению материала. Следовательно, изучение процессов, протекающих в ходе термомеханической обработки прокатных профилей из углеродистых и низколегированных сталей, является актуальным и представляет несомненный научный и практический интерес.
Повышение эффективности металлургического производства во многом связано с решением проблемы повышения стойкости прокатных валков. Это одна из важнейших задач, решением которой обеспечивает снижение себестоимости конечной продукции. Для упрочнения поверхности литых чугунных валков применяют плазменную закалку калибров, подвергающихся при прокатке значительным термическим и механическим нагрузкам и, как следствие, высокоскоростному изнашиванию. Процесс упрочнения заключа
ется в высокотемпературном плазменном нагреве и интенсивном охлаждении со скоростями рабочей поверхности валков. При этом эксплуатационная стойкость их может возрастать на и повышаются, соответственно, техникоэкономические показатели работы прокатного передела. Для разработки и внедрения таких технологий необходимо понимание процессов структурообразования в процессе плазменной поверхностной закалки и эксплуатации чугунных валков.
Таким образом, необходимость и актуальность изучения закономерностей формирования и эволюции структурнофазовых состояний и дефектной субструктуры при термомеханическом упрочнении стального проката и плазменном упрочнении чугунных валков диктуется как требованиями практики, так и научной важностью проблемы.
Во время выполнения работы большую поддержку оказывали доктора наук профессора А.Б. Юрьев, В.Е. Громов, Ю.Ф. Иванов, кандидаты наук, доценты В .Я. Чинокалов, 0 Ефимов, С.В. Коновалов, В.П. Симаков, которым автор выражает искреннюю признательность.
Актуальность


Пластическая деформация в области стабильного существования мелкозернистого аустенита способствует еще большему измельчению ферритного зерна рисунок 1. При охлаждении с большими скоростями к моменту превращения субзеренная структура в мелкозернистом аустените не сохранится, так как время между концом прокатки и началом на кинетику превращения составляет более с. Однако можно ожидать, что повышенная плотность оставшихся в аустените дислокаций окажет влияние на процессы структурообразования и размер продуктов распада. Деформация приводит к изменению морфологии перлита образуются субколоний, происходит диспергирование выделяющихся в виде коротких пластин карбидных частицы рисунок 1. РТПУ Рисунок 1. В случае регулируемого термопластического упрочнения при малой Сс скорости охлаждения одновременно с повышением прочности и сохранением пласьтчности увеличивается значение ударной вязкости и понижается температура перехода в хрупкое состояние. Проведенными исследованиями этот эффект можно объяснить благоприятными изменениями структуры феррита и перлита на макро, мезо и микроуровнях. Широкий спектр выполненных исследований по воздействию потоков заряженных частиц электронов, ионов на твердое тело лазерная и плазменная обработка, обработка электромагнитным полем и импульсным током высокой частоты, другие энергетические воздействия не только показал высокую перспективность этих методов в качестве инструмента для изменения поверхностных свойств металлов и сплавов, но и определил технологические направления их использования 4. Такие воздействия приводят к изменению дефектной структуры и структрнофазового состояния в приповерхностных слоях. В работе 4 решение проблемы получения высокопрочного состояния за счет многократных интенсивных деформаций и диспергирования структуры достигалось использованием метода поверхностной упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний на рабочий инструмент. Разработанный метод ультразвуковой финишной упрочняющей обработки позволяет получить класс чистоты поверхности и существенно повысить твердость, прочность, износостойкость и ресурс работы деталей и узлов. Рентгеновским методом исследован характер распределения внутренних остаточных напряжений по сечению материалов после ультразвуковой обработки. Показано, что для закаленной инструментальной штамповой стали 4Х5МФ1С уровень внутренних сжимающих напряжений на глубине до 0 мкм от поверхности обработки составляет 0 МПа, при этом предел усталостной прочности на базе 7 циклов увеличивается с 0 до МПа. Как правило, фадиентные структуры формируются в материалах, подвергнутых поверхностным воздействиям в условиях, существенно ограничивающих протекание выравнивающих процессов. Физическая природа упрочнения металла под действием пучков энергии связана с изменением структурного состояния поверхностных слоев при последующем охлаждении. Образующиеся структуры закалочного типа мартенсит, бейнит обладают высокой твердостью и износостойкостью ,. Однако при этом может ослабляться сопротивление хрупкому разрушению. Эффективность работы изделия с упрочненной поверхностью определяется многими факторами, основными из которых являются прочность и твердость упрочненной слоя, однородность структуры и свойств, высокое сопротивление разрушению, в основном зарождению трещин. В качестве эффективного метода повышения вязкости и трешиностойкости высокопрочных материалов, работающих в сложных температурносиловых условиях термодинамические нагрузки, трехосное напряженное состояние, рассматривается введение в структуру регламентированной доли до аустенитной составляющей. При этом положительное влияние аустенитной фазы на сопротивление разрушению связывается не только с ее пластифицирующим действием в результате образования вязких пленочных прослоек аустенита по границам мартенситных пакетов, но и с развитием деформационного уа превращения, как в процессе предварительной обработки, так и непосредственно при проведении испытаний на трещиностойкость . Лазерная закалка приводит к формированию поверхностных слоев с мелкодисперсной структурой, твердость которых выше в сравнении с объемной термообработкой стали .