Исследование параметров качеств биметаллических листов

© М.В. Слюсарев, 2007

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ

М.В. Слюсарев

Волгоградская область является одним из крупнейших промышленных центров Российской Федерации. Нынешняя экономическая конъюнктура требует от предприятий использования новейших технологий на всех стадиях производства. Инновативность становится более актуальной в преддверии вступления России в ВТО. В складывающихся условиях не только страна в целом, но и каждый отдельный регион должен будет приложить максимум усилий, чтобы занять свое место на рынке. Важной составляющей достижения желаемых результатов экономической деятельности каждого предприятия является качество продукции, для контроля которого требуются эффективные методы. Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в промышленности получили биметаллические материалы. Биметаллы являются не только заменителями дефицитных металлов, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, необходимых при создании новых машин, приборов и различных изделий. Таким образом, возрастающий объем производства биметаллов и изделий из них требует повышения их эксплуатационных характеристик и, соответственно, повышения качества готовых изделий.

Для повышения надежности и долговечности работы машин и аппаратов, изготавливаемых из биметаллов, необходимо проводить непрерывный контроль их качества и применять для этих целей методы неразрушающего контроля.

На базе одного из ведущих предприятий Волгоградской области ОАО «Волгограднеф-темаш» применение биметаллических конструкций и их деталей в настоящее время получает все возрастающее применение. Поэтому особо остро стоит вопрос о качестве, как гра-

ничной зоны, так и всего биметаллического листа в целом.

Цель данной работы - проанализировать характер дефектов в биметаллических структурах, используя современные методы ультразвуковой диагностики, и с помощью разрушающих методов контроля проверить достоверность ультразвуковой локации исследуемого материала.

Для производства теплообменников на ОАО «Волгограднефтемаш» использовались биметаллические листы, поставленные Волгоградским государственным техническим университетом. Листы размером 5 900 х 2 500 х 48 мм из двухфазной низколегированной стали с фер-рито-мартенситной структурой 12ХМ (45 мм) и нержавеющей стали на аустенитной основе Тр32^ТМ240 (3 мм).

Для проведения ультразвукового контроля были разработаны и изготовлены пьезоэлектрические преобразователи с углами ввода в сталь 65о и 50о с частотой ультразвукового импульса 2,5 МГц (см. рис. 1), для которых вид амплитудно-частотной характеристики приведен на рис. 2, а также в работе использовались стандартные раздельно-совмещенные пьезоэлектрические преобразователи с частотами 2,5 и 5,0 МГц. Частота повторения ультразвуковых импульсов фиксирована и равна 1 кГц.

Все листы контролировались, используя современные ультразвуковые дефектоскопы УД2-140 и УД2-70, в которых реализованы импульсные варианты эхо-метода и зеркально-теневого метода, с последующей обработкой полученных данных. Результат ультразвукового контроля показал наличие дефектов. После повторного прозвучивания листов на четырех листах были найдены дефекты площадью более 50 мм2, что соответствует недопустимым в соответствии с первым классом сплошности. Также были зафиксированы дефекты, занимающие площадь до 10 мм2 (что соответствует

допустимым по 1-му классу сплошности), которые по данным ультразвуковых дефектоскопов находились как в зоне сплавления, так и в основном металле и плакирующем слое. Для уточнения места расположения дефектов было принято решение провести полный анализ на листах, где обнаружили дефекты.

Для проведения металлографического анализа подготавливались шлифы по стандартной методике. Для выявления макроструктуры образцы подвергались горячему травлению в 50%-ном растворе НС1 в течение 4 минут. Для выявления микроструктуры подготавливались микрошлифы, которые подвергались травлению в 4%-ном растворе НК03 и электролитическому травлению в 10%-ном водном растворе хромовой кислоты. Механические испытания проводились согласно ГОСТу 10885-85.

Результаты механических испытаний листов без дефектов приведены в таблице 1.

Биметалл, состоящий из пары - низколегированная сталь + аустенитная хромоникелевая сталь типа Tp321ASTM240, прочность полученного на оптимальных режимах соеди-

нения слоев на отрыв достигает «450 МПа, причем разрушение образцов в подавляющем большинстве случаев происходит по менее прочной низколегированной стали.

Используя современные компьютерные технологии, был проведен детальный анализ полученных дефектограмм (см. рис. 3.1-3.3).

В ходе исследования ультразвуковым методом контроля было установлено, что в граничной зоне биметаллического листа имеет место отслой. Предположительно, дефекты структуры находились также в основном металле и плакирующем слое.

В результате металлографического анализа на образцах биметалла обнаружено, что на шлифах, вырезанных из листов, где были зафиксированы дефекты, занимающие площадь до 10 мм2, обнаружен технологический дефект - отслой. Причем ширина отслоя колеблется от 0,01 до 0,1 мм. На листах, прошедших ультразвуковой контроль и механические испытания, отслой не обнаружен. Дефектов основного металла и плакирующего слоя при макроанализе обнаружено не было.

Рис. 1. Призма наклонного ПЭП

-40

£

§ -50

С

2

Гот

2,64 МГц 3

Ґ, МГц 4

-60

н I в\

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика наклонного ПЭП Вестник ВолГУ. Серия 9. Вып. 6. 2007

Таблица 1

Механические свойства биметаллических листов 12ХМ + Tp321ASTM240, полученные после испытаний в ЦЗЛ ОАО «Волгограднефтемаш» *

№ образца 5, мм СЗ « С 13 5! <Л, МПа <среза, кгс/мм2 кси, МПа Т = +20°С Примечание

249 48 573,3 421,4 43,12 196 183,3 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 4

251 48 313,6 343 32,93 183,3 196 183,3 Плавка 04669 6VL8, лист 2

275 48 323,5 313,6 36,5 196 175,2 183 Плавка 12147 6VL8, лист 3

276 48 357,7 539 30,38 183 196 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 1

276-1 48 524,3 338 43,12 122,5 147 183 Плавка 04669 6VL8, лист 2

277 48 514,5 328,3 33,32 245 196 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 4

* Параметры образцов, прошедших механические испытания: диаметр 10 мм, длина 78,5 мм, толщина ао 5,0 мм, ширина во 25 мм, площадь 125 мм2.

Дефектоскоп УД2-140 Рис. 3.1. Отражение импульса от зоны сплавления в отсутствии дефекта

Дефектоскоп УД2-140 Рис. 3.2. Отражение импульса от дефекта размером 0,01 мм

Дефектоскоп УД2-70 (усиление 47,5 Дб) дефектоскоп УД2-140

Рис. 3.3. Отражение импульса от дефекта размером 0,1 мм

Результаты макроанализа приведены на рисунке 4.1—4.3.

Рис. 4.1. Фотография макроструктуры. Отсутствие отслоя

Рис. 4.2. Фотография макроструктуры. Зарождение дефекта.

Отслой 0,01 мм

Рис. 4.3. Фотография макроструктуры. Ярко выраженный дефект. Отслой 0,1 мм

При анализе микроструктуры исследуемых образцов, прошедших механические испытания и УЗК, было обнаружено присутствие дефектов как в плакирующем слое (сталь Tp321ASTM240), так и по зоне сплавления. В других образцах был обнаружен отслой по зоне сплавления и трещина в плакирующем слое (см. рис. 5-10).

Микроструктура стали 12ХМ ферритоперлитная. Наблюдается полосчатость, увеличение размера зерна феррита к зоне сплавления и уменьшение количества перлита.

Микроструктура стали Tp321ASTM240 -аустенит, к зоне сплавления наблюдается наличие мартенсита деформации.

В зоне сплавления около границы с аусте-нитной сталью обнаружено повышенное содержание железа, а у противоположной границы -увеличение концентрации неметаллических включений, предположительно хрома и никеля. В зоне соединения наблюдаются смеси разной концентрации обоих соединяемых сплавов, светлые пятна бывшего перлита в углеродистой низколегированной стали и сильно деформированного металла, а также слои с игольчатой структурой, имеющие большую твердость и приобретающие при травлении более темный цвет. Данная структура, возможно, образуется вследствие превращения а-фазы в у-фазу связанного с большим контактным давлением в условиях высокоскоростного соединения пластин.

При нагреве рассматриваемой композиции углерод вступает во взаимодействие с карбидообразующими элементами, входящими в состав аустенитной стали, и образует карбиды. С увеличением времени выдержки и температуры нагрева этот процесс протекает за счет диффузии углерода из более удаленных слоев углеродистой стали.

Рис. 5. Фотография микроструктуры. Отсутствие отслоя. Увеличение 250

Рис. 6. Фотография микроструктуры. Зарождение отслоя, увеличение 250

Развитие отслоя по зоне сплавления, увеличение 250 Отслой по зоне сплавления, увеличение 250

Рис. 7. Фотография микроструктуры

Рис. 8. Фотография микроструктуры. Максимальный отслой по зоне сплавления, увеличение 250

Рис. 9. Фотография микроструктуры. Трещина в плакировке, увеличение 250

Размер отслоя Х, мм Рис. 10. Зависимость амплитуды ультразвукового импульса от величины отслоя

В результате у границы раздела в последней образуется обезуглероженный слой с ферритной структурой, в аустенитной - узкий слой легированного мартенсита, слой, насыщенный карбидами, и слой с карбидами,

расположенными преимущественно по границам зерен.

В граничной зоне наблюдается завышенная микротвердость до 1 600 МПа, нержавеющей до 3 500 МПа.

Необходимо учитывать высокий уровень локальной неоднородности, определяющий активную деформацию в слабой ферритной зоне композиции. Ее очаги, возможно, связываются с развитием микротрещин в прилежащих хрупких участках. Зарождение этих трещин происходит задолго до разрушения всего материала. Пластичный слой обусловливает торможение свободного продвижения микроповреждений, что в данном случае, возможно, не произошло из-за отсутствия подобного пластичного слоя и, следовательно, произошло развитие отслоя. Возможно, образование твердой, хрупкой микроструктуры по зоне сплавления и развитие отслоя связано с большим контактным давлением в условиях высокоскоростного соединения пластин.

В результате анализа было установлено, что энергия ультразвукового импульса зависит от величины дефекта в граничной зоне (рис. 10). При отсутствии дефекта в зоне сплавления амплитуда ультразвукового импульса составляет 30 % (отражение от граничной зоны), при дефекте размером 0,01 мм -60 %, при 0,1 мм - 120 % (рис. 10). Проводя ультразвуковое лоцирование в режиме радиосигнала (дефектоскоп УД2-70), было установлено, что длительность отраженного радиоимпульса изменяется в зависимости от величины обнаруженных дефектов (см. рис. 3.13.3). Погрешности измерений (амплитуды и расстояния) строятся на основании разрешающей способности приборов (по паспарту).

Выводы: 1. При проведении ультразвукового контроля зафиксированы дефекты, занимающие площадь до 10 мм2, которые по данным ультразвуковых приборов находились как в зоне сплавления, так и в основном металле и плакирующем слое.

2. Механические испытания показали, что разрушение образцов в подавляющем

большинстве случаев происходит по менее прочной низколегированной стали.

3. В результате металлографического анализа было выявлено, что на шлифах, вырезанных из биметаллических листов, где были зафиксированы дефекты, занимающие площадь до 10 мм2, обнаружен технологический дефект - отслой. На листах, прошедших механические испытания, отслой не обнаружен (качественные биметаллические листы). Дефектов основного металла и плакирующего слоя при макроанализе обнаружено не было.

4. При анализе микроструктуры исследуемых образцов было обнаружено присутствие дефектов как в плакирующем слое, так и по зоне сплавления.

5. В зоне сплавления около границы с аустенитной сталью обнаружено повышенное содержание железа, а у противоположной границы - увеличение концентрации неметаллических включений, предположительно хрома и никеля, а также слои с игольчатой структурой, имеющие большую твердость. Данная структура, возможно, образуется вследствие превращения а-фазы в у-фазу, связанного с большим контактным давлением в условиях высокоскоростного соединения пластин.

6. Проводя ультразвуковое лоцирование в режиме радиосигнала, было установлено, что длительность отраженного радиоимпульса изменяется в зависимости от величины обнаруженных дефектов.

7. В результате работы было выявлено, что при проведении ультразвукового контроля с достаточной достоверностью, без применения разрушающих методов контроля, можно судить о характере расположения дефектов в биметаллических листах, то есть наличия дефектов в зоне сплавления, плакирующем слое или основном металле.