Дослідження закономірності впливу твердості на мінливість параметрів структурного стану у високолегованому чавуні

Клочко Оксана Юріївна

доктор технічних наук, професор, професор кафедри сервісної інженерії та технології матеріалів в машинобудуванні, Державний біотехнологічний університет, м. Харків

Білінська Марія

співробітник факультету фізики, астрономії та прикладної інформатики, Ягеллонський університет, м. Краків

Воронов Олександр Сергійович

аспірант кафедри сервісної інженерії та технології матеріалів в машинобудуванні, Державний біотехнологічний університет, м. Харків

Анотація

В роботі проведено дослідження закономірностей, що пов'язують якість зносостійких біметалевих виливків прокатних валків з робочим шаром з високолегованого чавуну, на основі показань рівня твердості і структурного стану матеріалу (фазовим складом, його мінливістю внаслідок дифузії, що виникає при кристалізації і термічній обробці). Запропоновано удосконалений спосіб такої оцінки. Методичний підхід проведених досліджень включав побудову кореляційно-регресійних моделей залежності твердості від аналізованих параметрів, отриманих експериментальним і розрахунковим шляхом. Як фактори розглянуті фази і їх мінливість (виявленням умовних кольорів та їх поєднань). Для досліджень використовували проби, відібрані від торця бочки високохромистих чавунів (%, 2.72-2.86С, до 18Сг, до 0.24У і 1.5№) робочого шару відцентроволитих листових валків станів гарячої прокатки в литому і відпаленому стані, а також фотографії їх мікроструктур. Аналіз фазового складу сплаву і його мінливості проводили математичною оцінкою металографічного зображення відповідно розроблених методик. Оцінювали за допомогою виявлених умовних кольорів з можливих 256 градацій сірого цифрового формату .pgm. Виявлені умовні кольори визначали наступні групи фаз: ферит; бейніт / аустеніт і карбіди типу Мe7Cз, МexCy і МЄ3С. Встановлено, що включення в математичну модель факторів, які характеризують мінливість фазового складу сплаву, дозволяє значно підвищити точність оцінки впливу на рівень твердості зміни структурного стану сплаву. Показано, що найбільша мінливість складу фаз сплаву виникає в процесі кристалізації, внаслідок високої інтенсивності дифузійних процесів. Застосування нелінійної моделі для двох факторного аналізу, дозволило значно скоротити час машинного розрахунку, оскільки в результаті, вдається отримати найбільший коефіцієнт кореляції, який можливо порівняти з чотирьох факторним аналізом для лінійної моделі. При цьому розширено перелік з'єднань, мінливість яких має найбільший вплив на рівень твердості. Встановлено, що в кожне з таких з'єднань входить бейніт.

Ключові слова: мінливість стану, рівень твердості, високолеговані чавуни, металографічне зображення, фазовий склад, кореляційно-регресійний аналіз

Abstract

зносостійкий високолегований чавун

Klochko Oksana Yuriyivna Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Service Engineering and Materials Technology in Mechanical Engineering, State Biotechnology University, Kharkiv

Bilinska Mariia Ph.D., Associate of the Faculty of Physics, Astronomy and Applied Computer Science, Jagiellonian University, Krakow

Voronov Oleksandr Serhiyovych Ph.D. student of the Department of Service Engineering and Materials Technology in Mechanical Engineering, State Biotechnology University, Kharkiv

INFLUENCE OF HARDNESS ON VARIABILITY OF STRUCTURAL STATE PARAMETERS IN HIGH-ALLOYED CAST IRON

In the present paper we investigated the relations between the quality of wear-resistant bimetallic castings of mill rolls and working layers of high- alloyed cast iron. We conduct out research basing on the readings of hardness level and material structural state (phase composition and variability of phase composition due to diffusion occurring during crystallization and heat treatment). We also propose an improved assessment method. The methodological approach of the present research includes correlation-regression model development of the dependence of hardness on the analyzed parameters, obtained empirically and by calculations. We consider phases and phases variability as factors (identifying conventional colors and their combinations). As the research samples we use specimens of high-chromium cast iron (%, 2.72-2.86С, up to 18Cr, up to 0.24 V and 1.5Ni) from the working layer of the mill body front edge in both cast and annealed states. The latter are produced for the hot rolling mills via by centrifugal casting. Microstructure photographs have also been used. Phase composition analysis of the alloy and alloy variability has been carried out using the method of mathematical assessment of the metallographic image, which implicates identification of conventional colors out of possible 256 gradations of gray (.pgm format). The identified conventional colors determine such groups of phases as ferrite, bainite / austenite, Me7C3, MexCy and Me3C carbides types. We show that taking the factors of variability of the alloy phase composition into account in the mathematical model makes it possible to more accurately assess the influence of the alloy's structural state changes on the level of hardness. We also elucidate that the greatest variability of composition phases of the alloy occurs during crystallization due to the high intensity of diffusion processes. Adaptation of a nonlinear model for two-factor analysis has made it possible to significantly reduce the machine calculation time. As a result, it becomes possible to obtain the highest correlation coefficient, comparable to that of the four-factor analysis for linear model. At the same time, we have managed to expand the list of combinations, the variability of which has the greatest impact on the level of hardness. It occurs that bainite is a part of each of these combinations.

Keywords: variability of state, level of hardness, high-alloyed cast iron, metallographic image, phase composition, correlation-regression analysis

Постановка проблеми

Практика використання різних технологічних процесів показує, що для виготовлення виробів, що працюють в умовах абразивного зношування та високих питомих тисків, таких як формуючий інструмент металургійних виробництв, ефективно застосовувати сучасні складнолеговані багатокомпонентні чавуни, що відрізняються різноманітністю структури та властивостей, які за зносостійкістю суттєво перевершують властивості багатьох конструкційних матеріалів. Використання методу відцентрового лиття при формуванні робочого шару для зносостійких біметалічних виливків з міцною серцевиною і шийками для прокатних валків, дозволило істотно розширити область застосування менш технологічних за виготовленням високолегованих чавунів [1]. Експлуатаційна стійкість таких виробів визначається рівнем однорідності фізико-механічних властивостей, що залежать від сукупності ряду факторів, таких як хімічний склад сплаву, технологічні параметри виробництва тощо [2,3]. Механічні властивості - границю міцності на розрив і твердість, відносять до основних критеріїв якості одержуваних виробів та регулюються стандартами та чинною нормативно-технічною документацією. Проте, зважаючи на практичну неможливість проведення випробувань для визначення властивостей міцності через відбір проб від робочого шару двошарових прокатних валків, основною здавальною характеристикою такого інструменту є твердість, що регламентується діючими нормативно-технічними документаціями. Відомо, що цей параметр визначається фазовим складом сплаву, величиною зерен і ступенем однорідності розподілу карбідної фази, а також спадковими властивостями відливного матеріалу, використовуваних шихтових матеріалів. Твердість як регламентований показник якості важлива з технологічної точки зору, а як інформаційним показник вказує на відхилення в змінах формування мікроструктури. При цьому заданий інтервал рівня твердості має забезпечувати експлуатаційні властивості валка та його надійність.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Попередньо авторами були опубліковані результати досліджень [4,5], в яких розглянуто вплив локальної неоднорідності, виявлену через мінливість структурних складових, що впливають на рівень фізико-механічних властивостей на всіх етапах виробництва виробів. Показано доцільність та актуальність використання комплексного підходу, який включає експериментальні та теоретичні дослідження, із застосуванням математичного аналізу зображення мікроструктур.

Мета статті - дослідження та оцінка закономірностей, що пов'язують якість валків, з робочим шаром з високолегованого чавуну, з рівнем твердості та структурним станом сплаву (фазовим складом, його мінливістю внаслідок дифузії, що виникає при кристалізації та термічній обробці), а також удосконалення способу такої оцінки.

Методичний підхід до досліджень

Такі закономірності виявляли методом кореляційно-регресійного аналізу, побудовою моделей залежності твердості від аналізованих параметрів, в якості яких використовували кількісні показники, отримані експериментальним і розрахунковим шляхом. Як фактори розглянуті фази та їх мінливість (виявленням умовних кольорів та їх поєднань). Для досліджень використовували 26 проб, відібраних від торця бочки високохромистих чавунів робочого шару відцентроволитих листових валків станів гарячої прокатки виконання ЛПХ18Нд (%, 2.72-2.86С, до 18Сг, до 0.24У і 1.5К зі спеціальними карбідами типу СГ7С3 і Сг2зСб) у литому та відпаленому стані, а також фотографії їх мікроструктур, отримані на металографічному мікроскопі МІМ-7. Для термообробки застосовували різні режими низькотемпературного відпалу, табл.1.