Оценка возможности неразрушающего контроля отпуска мелющих шаров из стали 75 по коэрцитивной силе - Статья

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОТПУСКА МЕЛЮЩИХ ШАРОВ ИЗ СТАЛИ 75 ПО КОЭРЦИТИВОЙ СИЛЕ Оценена возможность неразрушающего контроля отпуска мелющих шаров из стали 75 по коэрцитивной силеДля изготовления мелющих шаров методом поперечно-винтовой прокатки согласно ДСТУ 3499-97 используются стали с содержанием углерода 0,60-0,80 % (рельсовая сталь М76, пружинные стали 75, 65Г). Цель работы - оценить возможность неразрушающего контроля отпуска мелющих шаров из стали 75 по коэрцитивной силе и определить влияние дефектов макро-и микроструктуры на ее уровень. Исследования проводили на трех катаных мелющих ШАРАХO 80 мм, изготовленных из стали 75 (рис. 2014 Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві предварительно отпустили при 600 ОС (2 ч), после чего подвергли закалке от 850°С в воде до полного остывания (температура воды - 20 ОС). Рис.3 - Изменение уровня магнитного параметра, замеренного в одних и тех же точках, от количества измерений, проводимых через 1 мин: а - после закалки, б и в - после отпуска при 120 и 250°С соответственно Согласно проведенных ранее исследований и данных других авторов, уровень Нс после закалки должен был быть максимальным (более 11,6 А/см).

На горно-обогатительных, цементных и других предприятиях широко используется технология помола сырья в барабанных шаровых мельницах. Для изготовления мелющих шаров методом поперечно-винтовой прокатки согласно ДСТУ 3499-97 используются стали с содержанием углерода 0,60-0,80 % (рельсовая сталь М76, пружинные стали 75, 65Г). Однако при существующем уровне производства зачастую не удается достигнуть оптимального уровня долговечности катаных шаров, что связано с плохой контролируемостью процессов на завершающей стадии самоотпуска изделий после закалки. В результате отмечается значительный разброс твердости шаров, а в ряде случаев и повышенная их склонность к хрупкому разрушению при эксплуатации.

Анализ публикаций. Для неразрушающего контроля структурного состояния и механических свойств стали 65Г после закалки используют магнитный - по коэрцитивной силе (Нс). Несмотря на ряд публикации, посвященных использованию такого контроля для пружинных сталей [1-3], ряд вопросов малоизучен [4]. Это касается, в первую очередь, оценки влияния дефектов стали и температуры самоотпуска на уровень Нс, а также возможность использования такого показателя в качестве контрольного. Поэтому представляется необходимым проведение комплексных исследований в данном направлении.

Цель работы - оценить возможность неразрушающего контроля отпуска мелющих шаров из стали 75 по коэрцитивной силе и определить влияние дефектов макро- и микроструктуры на ее уровень.

Методика исследований. Исследования проводили на трех катаных мелющих ШАРАХO 80 мм, изготовленных из стали 75 (рис. 1), следующего состава, %: 0,74 С, 0,82 Mn, 0,11 Si, 0,19 Cr. Шары подвергались закалке с прокатного нагрева самоотпуском на оборудовании, установленном в потоке шаропрокатного стана. В ходе выполнения данной работы шары

ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146 261

2014 Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві предварительно отпустили при 600 ОС (2 ч), после чего подвергли закалке от 850°С в воде до полного остывания (температура воды - 20 ОС). После закалки по одному шару отпустили при 120 и 250°С с выдержкой 2 ч.

Исследования проведены с использованием коэрцитиметра КРМ-Ц с накладным преобразователем. Погрешность измерений не превышала 0,1 А/см.

Замеры Нс проводили в 6-ти точках (4 по диаметру 2 по перпендикулярным осям) по 5 измерений в каждой через интервал 1 мин (рис. 2 а).

Основные результаты. Данные замеров Нс были выполнены для двух выборок без учета анизотропии и согласно схемы замеров см.рис. 2.

а б в

Рис. 1 - Общий вид исследованных катанных мелющих ШАРОOВ80 мм после закалки (а) и охлаждения до температуры самоотпуска 120°С (б) и 250°С (в), ум.?2,2

А

В

в)

Рис.2. - Схема замеров шаров (а), порезки (б) и общий вид образцов (в) ум. ?2.7. Замеры 2, 4, 5 и 6 - недеформированные при изготовлении шара полюса - поверхность прокатанной заготовки. А и В - места вырезки образцов

Для первой группы установлено, что наиболее эффективным является контроль Нс без повторного намагничивания в одной точке. Стандартное отклонение серии измерений в таком случае находится практически на минимальном уровне для всех вариантов самоотпуска (0,3-0,33 А/см). При необходимости повторного контроля изделий в тех же точках необходимо учитывать прирост уровня Нс (более интенсивный для неравновесного состояния после закалки и менее - после отпуска).

262 ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146

Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві 2014

На основании проведенных исследований выборки без учета анизотропии установлено (рис. 3), что средний уровень Нс позволяет контролировать температуру отпуска в интервале 120 - 250°С, так как снижение показателя составляет практически 65% для первых замеров (с 11,6 до 7,0 А/см).

а) б)

в)

Рис.3 - Изменение уровня магнитного параметра, замеренного в одних и тех же точках, от количества измерений, проводимых через 1 мин: а - после закалки, б и в - после отпуска при 120 и 250°С соответственно Согласно проведенных ранее исследований и данных других авторов, уровень Нс после закалки должен был быть максимальным (более 11,6 А/см). Первоначальное предположение о том, что была ошибочная маркировка “0” и “120” не подтвердилось. Так как согласно рис. 3,а коэффициент при переменной “х” максимален - 0,2, что характерно для неравновесного состояния углеродистых сплавов.

Исследования анизотропии образцов, проводимые для второй выборки, позволили установить следующее. Для замеров по полюсу при расположении полюсных наконечников преобразователя вдоль направления прокатки фиксируется меньший уровень Нс по сравнению с поперечным. В среднем изменение коэффициента анизотропии составило для закаленного состояния 5-13% (в среднем 10,1 А/см и 11,4 А/см), для отпуска при 120°С 6-18% (в среднем 11,0 А/см и 11,9 А/см). При 250°С анизотропия магнитного свойства не зафиксирована, что может также служить одним из направлений разработки браковочных норм. Анизотропия свойств не зафиксирована и при измерении на полюсах изделий, вне зависимости от температуры отпуска.

Для определения причин повышения уровня Нс в шаре, отпущенном при 120°С, по сравнению с шаром без отпуска провели дополнительные его

ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146 263

2014 Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві металлографические исследования.

Газовые пузыри. У полюсов шара отмечены газовые пузыри шаровидной или вытянутой формы. Для дефектов, расположенных в приповерхностном слое, характерно расположение скоплений у сложных включений, содержащих сульфиды, окалину, экзогенные неметаллические включения (рис. 4), а также сильно окисленных межкристаллических трещин металла. Такие включения окаймлены зоной феррита с оторочкой из бейнита. Механизм формирования такой оторочки связывают с тем, что при охлаждении аустенита первым выделяется рельефный феррит, обогащенный фосфором и имеющий более высокую температуру превращения, чем обычный. Углерод, имеющий меньшую энергию активации, чем фосфор, концентрируется в остающейся аустенитной зоне. При дальнейшем превращении аустенита за счет диффузии углерода образуется окаймление из зерен, обогащенных углеродом вокруг зоны феррита. На шлифе без травления рядом с такими зонами видны мелкие глобулярные оксиды, предположительно FEO?MNO. В полостях таких пузырей присутствуют следы окалины.

Рис. 4 - Панорама крупного включения сульфида у полюса шара (а) с ферритной (Ф) оторочкой рядом с которым расположены глобулярные оксиды, предположительно FEO?MNO (б). Сульфид содержит скопления сложных включений окислов (в): а - травление 4%-ным раствором HNO3, б, в - нетравлено; а ?70, б, в - ?1200

264 ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146

Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві 2014

Плены. Полости дефектов имеют гладкие стенки, расположенные по касательной к поверхности (рис 5). Протяженность дефектов 5-35 мм. В эксплуатации зачастую наблюдается отслоение металла по таким поверхностным дефектам (рис. 6). Вокруг полостей плен отмечены скопления мелких глобулярных оксидов железа и марганца. Наличие плен может быть определено по коэрцитивной силе, так как приводит к увеличению показаний магнитного параметра на 14-17%. Это связано с уменьшением падения магнитного потенциала и увеличением магнитного сопротивления потоку рассеивания при намагничивании зоны исследований.

Рис. 5. - Панорама плен ориентированных к поверхности металла (а) и зона разрушения (б), возникшая в продолжении одной из них под действием тепловых и структурных напряжений: а - нетравлено, б - травление 4%-ным раствором HNO3; а ?50, б - ?100

Рис. 6 - Отслоение металла по поверхностному дефекту - плене, ум.?1,2

ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146 265

2014 Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві

Трещины. В результате образования локальных полей тепловых и структурных напряжений в поверхностном слое отмечено зарождение трещин, преимущественно от уже существующих дефектов (зона А, рис. 7) как в высокотемпературной области (зона В) при изготовлении, так и при последующей закалке (зона С). Высокотемпературные трещины имеют характерные следы обезуглероживания. Интенсивное охлаждение поверхностных слоев при закалке способствует возникновению в них растягивающих напряжений, а в глубине изделия - сжимающих.

Рис. 7 - Радиально направленные к поверхности изделия трещины: зона А - полости с сульфидными включениями образовавшиеся при изготовлении шара и зона; В - сильно окисленные высокотемпературные межкристаллические трещины металла, образовавшиеся при изготовлении изделия; зона С - трещина разрушения, возникшая под действием термических напряжений при закалке и остановившая свое развитие на микропоре. а- ?70, б- ?200.

266 ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146

Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві 2014

Механическая обработка изделия при изготовлении шлифов позволила выявить скрытый дефект - магистральную трещину, проходящую через центр шара (рис. 8). Такие трещины при эксплуатации приводят к его раскалыванию.

Причиной образования магистральной трещины послужили высокий уровень закалочных напряжений, а также наличие остатков усадочной раковины вдоль направления прокатки (см. рис. 8а). Такие пустоты содержат остатки экзогенных включений - окислы, следы шлака.

Кроме магистральной, отмечено появление закалочных трещин, расположенных по касательной к поверхности (см. рис. 8 в и рис.9). Образование таких трещин происходит преимущественно не на полюсах шара, а от плен, берущих начало от его поверхности или является следствием деформации при изготовлении.

Рис. 8 - Магистральная трещина шара (а, в) образовавшаяся при закалке вдоль направления прокатки: а - фрагмент с внутренними несплошностями - остатками усадочной раковины и следами коррозии, ум.?1,1; б - вырезанная в направлении прокатки центральная часть шара с полостями, содержащими экзогенные включения,?5; в - фрагмент с трещиной расположенной по касательной к поверхности, ув?. 1,1; г - сильно окислившийся фрагмент скола поверхности металла со следами газовых пузырей в приповерхностном слое обнаруженный при механической обработке, ?1.

ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146 267

2014 Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві а) б)

Рис. 9 - Трещины, расположенные по касательной к поверхности?,100: а - начало трещины с дефектами металлургического происхождения и надрывом выходящим на поверхность, б - конец трещины

Появление трещин в металле способствует снижению уровня напряжений, и, как правило, коэрцитивной силы. Кроме того для снижения напряжений, технология изготовления шаров после охлаждения от температур закалки предусматривает их самоотпуск. Однако, несмотря на наличие магистральной и направленных по касательной к поверхности трещин, уровень магнитного параметра оказался выше на 5-7% для шара после отпуска при 120°С по сравнению с изделием после закалки. Наиболее вероятной причиной такого поведения является высокий уровень напряжений второго рода, связанных со значительным количеством неметаллических включений, обнаруженных по сечению шара (рис. 10).

а) б)

Рис. 10 - Дисперсные равномерно распределенные неметаллические включения в металле шара на глубине 20-30 мм в плоскости шлифа вдоль (а) и поперек (б) направления прокатки, ?100

268 ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146

Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві 2014

Вывод. Разработка браковочных норм с рекомендациями по совершенствованию технологии термической обработки катаных мелющих шаров может быть осуществлена по коэрцитивной силе в интервале температур отпуска 120-250°С. Отсутствие анизотропии магнитных свойств на пояске после отпуска при 250°С можно также использовать как показатель полноты проведения ТО.

1. Щербинин В. Е. Магнитный контроль качества металлов. / В. Е. Щербинин, Э. С. Горкунов - Екатеринбург: УРО РАН, 1996. - 263 с.

2. Михеев М. Н. Магнитные методы структурного анализа и неразрушающего контроля. / М. Н. Михеев, Э. С. Горкунов - М.: Наука, 1993. - 249 с.

3. Энгель Л. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. Справочник. / Л. Энгель, Г. Клингеле. Пер. С нем. - М.: Металлургия, 1986. 232 с.

4. Cullity B.D. Introduction to Magnetic Materials. / Cullity B.D., Graham C.D. - Indianapolis: Wiley-IEEE, 2008. - 544 p.

5. Весник ПДТУ. Вып. №17 2007г./Ткаченко Ф.К., Ефременко В. Г., Ткаченко К.И., Ефременко А. В./ Особенности самоотпуска закаленных мелющих шаров в условиях шаропрокатного производства ОАО «МК «АЗОВСТАЛЬ» С.97-101.

Анотація

Оцінка можливості неруйнівного контролю відпуску молольних куль зі сталі 75 за коерцитивною силою

Власовець В.М., Скобло Т.С., Ефременко В. Г., Заєць В.М.

Оцінено можливість неруйнівного контролю відпуску молольних куль зі сталі 75 за коерцитивною силою.

Abstract

Evaluation tempering of griding balls for steel 75 by the coercive force Vlasovets V., Scoblo T., Efremenko V., Zaiets V.

Has been rated the possibility of tempering grinding balls of steel 75 by using nondestructive testing by the coercive force.

ВІСНИК ХНТУСГ ім. П.ВАСИЛЕНКА Випуск 146 269