Украинский                               Английский   

                  

                                                        

                                  НАЗАД                                     МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА                        ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Сб. «Металловедение черных и цветных сплавов». Вып. 11

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ХРОМОВОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕДИ

                                                УДК 621.793.6: 621.74                                                                                                                         ГРНТИ 53.49

А.Н.Смирнов, И.В.Лейрих, Е.Н.Любименко

Кристаллизаторы машин непрерывной разливки стали должны обеспечивать интенсивный теплоотвод от затвердевающей стали к водоохлаж-даемой поверхности гильзы. Кристаллизатор представляет собой теплообменник, поэтому для обеспечения требуемой производительности МНЛЗ он должен иметь высокую теплопроводность [1]. Многие изделия, для материала которых требуется значительная теплопроводность, изготавливают из меди высокой степени чистоты. Медь как конструкционный материал имеет ряд недостатков. Основной - низкая механическая прочность и износостойкость меди. По данным [2] прочность чистой меди составляет около 200...250 Н/мм2 при относительном удлинении 50 %. В процессе разливки происходит интенсивный износ поверхности кристаллизатора корочкой стального слитка, При этом медь кристаллизатора попадет в сталь, нагретую до высокой температуры, что приводит к появлению так называемых паукообразных трещин в частично затвердевшей стали [3]. Из-за низкой прочности материала происходит деформация стенок кристаллизатора, и возникают различные дефекты заготовки - угловые трещины, ром-бичность и др. [4].
Медь можно упрочнить холодной пластической деформацией (наклепом), однако чистая медь интенсивно разупрочняется уже при небольшом нагреве. Температура начала рекристаллизации меди марок МО и МВч составляет соответственно 120 и 70 °С [5], сама же стенка кристаллизатора нагревается в процессе работы в зависимости от скорости разливки до250°С [1].
Для повышения уровня механических свойств и сохранения теплопроводности используют легирование меди различными элементами [1, 4 и др.]. По выбору системы легирования и, особенно, эксплуатационным свойствам гильз из легированной меди литературные данные противоречивы. В некоторых промышленных кристаллизаторах используют добавки фосфора, серебра. Имеются сведения о легировании цирконием, титаном, хромом, железом, гафнием и другими элементами. В любом случае, легирование искажает кристаллическую решетку металла и приводит к заметному падению теплопроводности. Соответственно, растет температура поверхности кристаллизатора, и процессы его разупрочнения и износа ускоряются.
Добиться сочетания достаточной теплопроводности и высокой износостойкости можно созданием композиционного материала на основе меди с упрочненным поверхностным слоем.
Например, в работе [6] выполнены исследования покрытий Си-А1 и Cu-Zn. В указанных системах образуются интерметаллические соединения с достаточно высокой твердостью. Для получения надежного сцепления покрытия с основой использовали нанесение покрытия на заготовку под холодную обработку давлением. Показано, что деформировать такую заготовку можно только до определенной степени, выше которой начинается разрушение покрытия. При абразивном износе разрушение алюминиевых и цинковых покрытий происходит по различному механизму. Чаще для гильз кристаллизаторов используют покрытие из хрома. Металлический хром обладает весьма высокой твердостью и износостойкостью. Можно добиться небольшого падения теплопроводности, выбрав оптимальную толщину покрытия.
В работе [7] изучено разрушение при абразивном износе хромового покрытия. Показано, что трещины формируются, в основном, поперечно направлению износа с последующим отслаиванием покрытия. Авторы считают одним из основных факторов разрушения высокий уровень напряжений в слое металлического хрома. Неравномерность покрытия по высоте способствует износу, так как контактные напряжения концентрируются в районе выступов. По мнению авторов, стойкость покрытия к износу увеличивается увеличением его толщины.
Полностью имитировать в лабораторных условиях условия разрушения хромового покрытия на гильзах кристаллизатора МНЛЗ весьма затруднительно. При работе кристаллизатора происходит не только износ поверхности гильзы. В стенке возникают значительные термические деформации из-за неравномерного нагрева, само покрытие также нагревается до высокой температуры.
Целью настоящей работы является изучение разрушения хромового покрытия гильз кристаллизаторов в процессе работы машины непрерывного литья.
Исследования выполнены на гильзах кристалллизаторов для непрерывного литья заготовок 110x110 мм. Толщина стенки гильзы составила 10 мм, покрытия - 100 мкм. Гильза была снята с эксплуатации по причине разрушения поверхности. При исследовании использованы методы макро-структурного анализа и оптической металлографии.

На рис. 1 приведен общий вид гильзы кристаллизатора после эксплуатации. Образец вырезан в верхней части кристаллизатора в районе мениска.

                                                                                                                                                                 

Рисунок 1 - Вид поверхности гильзы кристаллизатора после эксплуатации (обозначения 1- 5 в тексте)

На рисунке выделены дефекты, которые можно условно разделить на следующие группы:
1 - истирание хромового покрытия в углах гильзы;
2 - трещины в покрытии;
3 - эрозия покрытия из-за его частичного растворения;
4 - глубокие риски в покрытии, проникающие в медную основу;
5 - мелкие трещины (сколы) в покрытии, отходящие от рисок.
Видно, что в большинстве случаев эти дефекты располагаются совместно, инициируя развитие друг друга. Но можно предположить, что их образование происходит по различным причинам.
Угловое истирание вызвано корочкой затвердевшей стали при протяжке заготовки. Можно отметить некоторое отличие в степени износа по различным углам кристаллизатора, что можно связать с его неравномерным нагревом и деформацией в процессе эксплуатации. В более удаленных от мениска слоях износ в углах кристаллизатора становился сплошным, но неравномерность износа сохранялась (ромбичность заготовки).
Возникающие глубокие риски можно связать с образованием на поверхности стальной заготовки капель застывшего металла с высокой твердостью. Риски являются значительным концентратором напряжений, скорость деформации достаточно высокая (равна скорости разливки - около 3 м/мин). Это вызывает при царапании в достаточно жестком и хрупком хромовом покрытии заметные напряжения.
Представляет интерес появление протяженных участков с эрозионным разрушением покрытия. В условиях обычного износа такого разрушения не наблюдали [7]. Эти участки появляются преимущественно в середине сторон кристаллизатора. Их можно связать с возникающей изгибной деформацией стенки, работающей как пластина. Гильза теряет прямоугольную форму, в местах наибольшей деформации меняются условия те-плоотвода. При чередовании нагрев^охлаждение деформации становятся закопеременными, возникает термическая усталость. Участки разрушения (2) и (3) на рис. 1 имеют похожую природу. Возможно частичное отслоение покрытия от основы, что приводит к интенсивному нагреву и испарению хрома. В этих участках также интенсифицируется эффект царапанья поверхности корочкой слитка, в том числе из-за разрушения хромового покрытия (рис.2).                                                                                                                                                                                                             

Рисунок 2 - Участок хромового покрытия с эрозионным разрушением

                                                                    

ЛИТЕРАТУРА

1. Николаев А.К. Материалы для кристаллизаторов непрерывного литья слитков // Современные материалы для кристаллизаторов, новые конструкции и покрытия кристаллизаторов. Киров, 2002, С. 8 - 13.
2. Сучков Д.И. Медь и ее сплавы.- М.: Металлургия, 1967.- 248 с.
3. Куклев А.В., В.В.Соснин, Виноградов В.В., Поздняков В.А. Физическая модель образования поверхностных трещин в слябах // Сталь, 2004, №11.-С. 95-99.
4. Гильзовые кристаллизаторы высокоскоростных сортовых МНЛЗ / В.Б.Ганкин, Б.А.Сивак, Г.И.Николаев и др. // Тяжелое машиностроение, 1997, № 5.- С. 19-22.
5. Лайнер Д.И., Малышева Л.А. Лунева В.И. Применение методов определения температуры начала рекристаллизации для оценки чистоты меди.- В. кн.: Металловедение медных деформированных сплавов.-М.: Металлургия, 1973.- С. 5 - 8.
6. Кобелев А.Г., Кузнецов В.Е., Титлянов А.Е. Диффузионные износостойкие покрытия на медных изделиях и заготовках под холодную обработку давлением // Металловедение и термическая обработка металлов, 2000, № 12.-С. 30-33.
7. Гаун Д.Т., Гудианга Т.Ф.П. Износ хромовых гальванических покрытий.- В. кн.: Покрытия и обработка поверхности для защиты от коррозии и износа.- М.: Металлургия, 1991.- С. 19 - 32.

Ссылка по теме:
Станислав Вирбилис.Хромирование в машиностроении.