Zależność pomiędzy współczynnikiem rozszerzalności cieplnej a zużywaniem się elementów konstrukcji i narzędzi

• Autorzy: Krawczyk J.

Warianty tytułu

EN

The dependence between thermal expansion coefficient and wear of tools and structural components

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem niniejszej pracy było wyznaczenie współczynników rozszerzalności cieplnej tworzyw na osnowie żelaza, stosowanych na narzędzia i elementy konstrukcji oraz porównanie uzyskanych wyników z opisanymi we wcześniejszych pracach mechanizmami ich zużywania się. Przedmiotem badań były dwie stale stosowane na rolki COS i materiał napawany na rolkach COS oraz pięć stali i sześć staliw stosowanych na walce hutnicze. Badania dylatometryczne wykonano na dylatometrze optycznym LS4. Pomiarów liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej badanych materiałów dokonano w dwóch zakresach temperatur: poniżej i powyżej przemiany austenitycznej. Porównanie przedstawionych w niniejszej pracy wyników pomiarów współczynnika rozszerzalności cieplnej 14 materiałów z wynikami badań mechanizmów zużywania się wykonanych z nich rolek COS oraz walców hutniczych prezentowanych we wcześniejszych publikacjach pozwala na zaobserwowanie korelacji między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i mikrostrukturą a skłonnością do rozwoju pęknięć ogniowych. Związki te można sformułować w postaci następujących wniosków: - Struktura austenityczna sprzyja zmęczeniu cieplnemu ze względu na duży współczynnik rozszerzalności cieplnej. - Istotnym czynnikiem wpływającym na wielkość pęknięć ogniowych w stalowych walcach hutniczych jest wielkość współczynnika rozszerzalności cieplnej, zwłaszcza w zakresie temperatur pomiędzy 600-700°C. - Im większy współczynnik rozszerzalności cieplnej w zakresie 600-700°C, tym skłonność do pęknięć zmęczeniowo-cieplnych stalowych walców hutniczych jest większa. - W walcach hutniczych głębokie pęknięcia zmęczeniowo-cieplne rozwijają się z płytkich pęknięć powstałych w wyniku korozji naprężeniowej, dopiero dalszy rozwój takich pęknięć zależy od współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej. - Stale nadeutektoidalne mogą wykazywać bardzo dużą skłonność do rozwoju bardzo głębokich pęknięć ogniowych wynikających z dużego współczynnika linowej rozszerzalności cieplnej przy temperaturach niewiele niższych od temperatury przemiany eutektoidalnej. Jeżeli w wyniku zintensyfikowania zużycia ściernego (dzięki występowaniu węglików drugorzędowych w ich mikrostrukturze, które działają jak ścierniwo) powierzchni walców wykonanych z takich stali, głębokość pęknięć powstających w wyniku korozji naprężeniowej nie będzie zachowana poniżej wielkości krytycznej, to będzie następował rozwój głębokich pęknięć ogniowych. - Rozszerzalność cieplna w zakresie temperatury 800-1000°C (w zakresie występowania w mikrostrukturze austenitu) najprawdopodobniej nie ma wpływu na rozwój pęknięć zmęczeniowo-cieplnych w głąb stalowych walców hutniczych, może natomiast ułatwić zarodkowanie takich pęknięć, zwłaszcza w przypadku braku płytkich pęknięć powstałych w wyniku korozji naprężeniowej. - Wzrost współczynnika rozszerzalności cieplnej w zakresie występowania austenitu zwiększa skłonność do tworzenia się pęknięć ogniowych w staliwnych walcach hutniczych. - Występowanie w mikrostrukturze staliw ledeburytu przemienionego ogranicza skłonność do pęknięć zmęczeniowo-cieplnych, - Występowanie w mikrostrukturze grafitu redukuje niekorzystny wpływ dużego współczynnika rozszerzalności cieplnej w zakresie austenitu na skłonność do tworzenia się pęknięć zmęczeniowo--cieplnych, - Należy dobierać materiał na walce hutnicze do pracy na gorąco tak, aby intensywność jego zużycia ściernego zapewniała zachowanie pęknięć powstałych w wyniku korozji naprężeniowej oraz w wyniku tworzenia się białej warstwy na poziomie poniżej wielkości krytycznej.

EN

The aim of this work was to determine thermal expansion coefficients of Fe-based alloys used for tools and structural components and to compare obtained results with the wear mechanisms of these materials described in previous works. Two steels used for CCS rolls and material welded on the CCS rolls surface as well as five steel grades and six cast steel grades used for mill rolls were used in this research. Dilatometric investigations were performed using optical dilatometer LS4. Thermal expansion coefficients of investigated materials were measured in the temperature ranges below and above the austenite transformation temperature. Comparison of the obtained in this work measurements of thermal expansion coefficient of 14 materials tested with the results of the research concerning the wear mechanisms in CCS rolls made of these materials as well as mill rolls investigated in previous works, allows to observe the correlation between thermal expansion coefficient and microstructure with susceptibility to thermal cracks. The following conclusions can be drawn from this research: - Austenitic structure is conducive to thermal fatigue because of high thermal expansion coefficient. - Important factor influencing the size of annealing cracks in steel rolls is value of thermal expansion coefficient, especially in the temperature range of 600-700°C. - The greater value of thermal expansion coefficient in the temperature range of 600-700°C, the greater susceptibility of steel rolls to thermal fatigue cracking. - In mill rolls, deep thermal fatigue cracks develop from shallow cracks, that were formed from in the result of stress corrosion. Further development of such cracks depends on linear expansion coefficient. - Hypereutectoid steels can exhibit substantial susceptibility to develop very deep thermal cracks resulting from high linear expansion coefficient at the temperatures not much lower than eutectoid reaction temperature. If in the result of intensification of wear of the surface of rolls made of such steels (due to existence of secondary carbides in their microstructure, acting as abradant), a depth of the cracks formed due to stress corrosion will not be kept below the critical value, then a development of deep annealing cracks will occur. - Thermal expansion in the temperature range of 800-1000°C (where the austenite occurs in the structure) most probably does not influence the development of thermal fatigue cracking to the inside of mill rolls. However, it can facilitate the nucleation of such cracking, especially in the case of a lack of shallow cracks formed due to stress corrosion. - An increase of thermal expansion coefficient in the austenite temperature range increases the susceptibility to form annealing cracks in cast steel rolls. - An occurrence of the transformed ledeburite in cast steel structure restricts susceptibility to thermal fatigue cracks. - Presence of graphite in the structure reduces disadvantageous influence of high thermal expansion coefficient in the austenite range on susceptibility to thermal fatigue cracking. - While selecting the material for mill rolls working at high temperatures we should guarantee such intensity of wear that would keep the number of cracks formed due to stress corrosion or/and white layer formation below the critical value.

Słowa kluczowe

PL

współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej; pęknięcia ogniowe; rolki COS; walce hutnicze; stal; staliwo

EN

thermal expansion coefficient; thermal cracks; CCS rolls; mili rolls; steel; cast steel

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2007
• Tom: nr 2
• Strony: 339--352
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Krawczyk J.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• 1. Pacyna J. i inni.: Dobór nowych optymalnych tworzyw walców odpornych na ścieranie i posiadających dużą wytrzymałość mechaniczną dla poszczególnych asortymentów wyrobów Walcowni Dużej, Prace Wydziału Metalurgii i Inżynierii Materiałowej AGH. Kraków 1999.
• 2. Colas R., Ramirez J., Sandoval I., Morales J.C., Leduc L.A.: Damage in hot rolling work rolls, Wear, 230 (1999) 56-60.
• 3. Weroński A.: Zmęczenie cieplne metali, WNT, Warszawa 1983.
• 4. Belzunce F.J., Ziadi A., Rodriguez C.: Structural integrity of hot strip rolling rolls, Engineering Failure Analysis, 11 (2004) 789-797.
• 5. Pacyna J., Krawczyk J.: Warunki powstawania i własności białej warstwy, Hutnik - Wiadomości Hutnicze, 72 (11) (2005) 545-553.
• 6. Warren A.W., Guo Y.B.: Numerical investigation on the effect of machining-induced white layer during rolling contact, Tribology Transactions, 48, no. 3(2005)436-441.
• 7. Krawczyk J., Pacyna J.: Effect of tool microstructure on the white layer formation, J. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 17(2006) 93-96.
• 8. Krawczyk J., Zakrzewski A.: Mechanizm zużywania się rolek w procesie ciągłego odlewania stali, Tribologia, 199, nr 1 (2005) 75-88.
• 9. Krawczyk J.: Tribologia wysokotemperaturowa na przykładzie zużywania się rolek COS, Monografia: Postęp w ciągłym odlewaniu stali, ed. Kazimierz Mamro i Jan Wypartowicz, Kraków 2006, 107-112.
• 10. Krawczyk J., Pacyna J.: The role of transformed ledeburite in high temperature tribology on the example of adamite rolls, proceedings of the eleventh international scientific conference Contemporary Achievements in Mechanics, Manufacturing and Materials Science, 6th - 9th December 2005, Gliwice - Zakopane, 535-540.
• 11. Krawczyk J., Szarański M.: Wpływ współczynnika rozszerzalności cieplnej na tworzenie się pęknięć zmęczeniowo-cieplnych staliwnych walcach hutniczych, Konferencja Naukowo-Techniczna, Huta Buczek, Sp. z o. o., styczeń 2007, s. 32-37.
• 12. Krawczyk J., Pacyna J., Dąbrowski R.: Rola grafitu w tribologii wysokotemperaturowej stopów na osnowie żelaza na przykładzie mechanizmów zużywania się walców hutniczych, Inżynieria Materiałowa, 3 (151) (2006) 174-177.
• 13. Krawczyk J., Kaczmarczyk Ł., Szczygieł A., Latała D.: Mechanizm zużywania się grafityzowanego staliwnego walca hutniczego klasy adamit, XI Konferencja Naukowo-Techniczna, Huta Buczek, Sp. z o.o. "Tendencje i kierunki rozwoju produkcji walców", Ustroń-Jaszowiec, marzec 2006, 17-30.
• 14. Krawczyk J., Pacyna I, Szczygieł A, Latata D.: Rola morfologii ledeburytu przemienionego i cementytu drugorzędowego w tribologii walców hutniczych, XI Konferencja Naukowo Techniczna, Huta Buczek, Sp. z o.o. "Tendencje i kierunki rozwoju produkcji walców", Ustroń-Jaszowiec, marzec 2006, 53-66.
• 15. Krawczyk J., Grysak P., Szczygieł A., Latała D.: Mechanizm zużywania się walca hutniczego wykonanego ze staliwa adamitowego, XXXIII Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków-Ustroń, 4-5. X 2005, s. 127-l36.
• 16. Krawczyk J., Gancarz T.: Mechanizm zużywania się ulepszonego cieplnie stalowego walca hutniczego, XXXII Szkoła Inżynierii Materiałowej, Kraków-Krynica, 28 IX-1 X 2004, s. 245-250.
• 17. Targosz W.: Wpływ współczynnika rozszerzalności cieplnej na zużycie stalowych walców hutniczych, praca dyplomowa-magisterska, prom. Janusz Krawczyk, 2007, AGH, Kraków.