decrease of fracture risk during fixation of rolls for universal mills

Transcripción

DECREASE OF FRACTURE RISK DURING FIXATION OF ROLLS FOR
UNIVERSAL MILLS
L. Reda (1)
J. Madías(1)
H. Aragunde (2)
R. Acosta (2)
ABSTRACT
Fundicion San Cayetano has produced without inconvenience rings of cast iron, in static form, of single cast, for
fixation of rolls for universal mills.
Before starting the production of cylinders of large diameter (1500 mm), it was develop a study to ensure their
integrity and quality. This study included the design of the steel, cast process and/ or heat treatment, to improve the
mechanical properties and to avoid this fracture.
There were included evaluation of background in plant, bibliographical review, study of fracture, metallographic
study, carbide evaluation, physical tests, measurement of hardness and heat treatments to a laboratory scale.
The purpose of making heat treatments to a laboratory scale is to observe how the type and distribution of carbides
evolves according to austenization temperature and cooling rate. Furthermore, in two treatments conditions closed to
the industrial ones were simulated, with the aim of attenuating the formation of carbides networks, improving their
morphology and distribution.
Heat treatments to laboratory scale, with a homogenization temperature of 1020ºC, showed that at that temperature
it is possible to dissolve most of SC1 and SC3, but SC4 remains almost unaltered.
Heat treatments at 1120ºC demonstrated the complete dissolution of SC1 and SC3 with a notorious reduction in
SC4, except when the cooling was in the furnace. In this case there was a mayor development in SC3.
Comparing the results from heat treatments at both austenization temperatures, we can say that with the highest
temperature (1120ºC) the carbides SC1 and SC3 totally dissolved. Besides, SC4 carbides could almost totally be
dissolved at that temperature.
The sample with simple tempering has major hardness but maximum ultimate tensile strength. This is due to the
quantity and distribution of SC4.
From the design of the steel, we can conclude that it is convenient to fix a maximum carbon content of 1.4 % to
avoid the segregating peak of Cr at 1.5 % C.
To obtain a better distribution of carbides in the heat treatment, it is necessary a austenization temperature below
1120ªC. Cooling in the furnace, at laboratory scale, brought as negative effect the development of SC3 and SC4.
At laboratory scale, with double tempering, we could reach a better distribution of SC4 and a higher tensile strength,
although having less hardness than with simple tempering.
Key Words: rolling rolls, universal mill, Chromium steel, carbide network.
(1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, 2900 San Nicolas, Prov. de Buenos Aires,
Argentina.
(2) Fundición San Cayetano S.A., L.M. Drago y Melián, Burzaco, Prov. de Buenos Aires, Argentina.
15th IAS Rolling Conference, 2004, San Nicolas, Argentina
623
DISMINUCIÓN DEL RIESGO DE ROTURA DURANTE EL CLAVADO
DE RODILLOS PARA TRENES UNIVERSALES
L. Reda (1)
J. Madías(1)
H. Aragunde (2)
R. Acosta (2)
1. INTRODUCCIÓN
Fundición San Cayetano ha producido sin inconvenientes anillos de acero fundido, colado en forma estática, de
simple colada, para clavado en rodillos de trenes universales.
Previo al inicio de la producción de los cilindros de gran diámetro (1500 mm), se inició un estudio para asegurar la
integridad y calidad de los mismos. Este estudio comprendió el diseño del acero, proceso de fusión y/o tratamiento
térmico, para mejorar las propiedades mecánicas y evitar esa falla.
Se incluyó la evaluación de antecedentes en planta, revisión de bibliografía, estudio de fractura, estudio
metalográfico, evaluación de carburos, ensayos físicos, mediciones de dureza y tratamientos térmicos a escala
laboratorio
2. ANTECEDENTES
Se presentan en primer lugar las especificaciones de la pieza, y en segundo lugar estudios sobre posibles fallas en
anillos de grandes dimensiones.
2. 1. Especificaciones de los anillos. Las dimensiones del anillo terminado se presentan en la figura 1. El acero
fundido tiene como composición química objetivo la que se presenta en la tabla 1. El anillo tiene un tratamiento
térmico de homogeneizado, normalizado y revenido, como se presenta en la figura 2.
Figura 1. Dimensiones del anillo terminado.
Figure 1. Dimensions of the ring.
(1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, 2900 San Nicolas, Prov. de Buenos Aires,
Argentina.
(2) Fundición San Cayetano S.A., L.M. Drago y Melián, Burzaco, Prov. de Buenos Aires, Argentina.
624
C(%)
Si(%)
Mn(%)
Cr(%)
Ni(%)
Mo(%)
S(%)
P(%)
1,45
0,55
1,35
1,51
1,45
0,47
0,02
0,02
Tabla 1. Composición química objetivo del anillo.
Table 1. Aimed chemical composition of the ring.
ENFRIAMIENTO
EN HORNO
900ºC
980ºC
ENFRIAMIENTO
FORZADO
500ºC
20ºC/h
520ºC
350ºC
Figura 2. Tratamiento térmico del anillo
Figure 2. Heat treatment of the ring
Los criterios de aceptación metalográfica de acuerdo a la instrucción operativa de FSC respecto al tipo, tamaño,
disposición y orientación los carburos se presentan en la tabla 2.
Aceptable
Inaceptable
Aceptable
Inaceptable
Aceptable
Inaceptable
Aceptable
Inaceptable
Aceptable
Inaceptable
Primarios
Eutécticos
Secundarios
Disposición
Orientación
PC1-PC2-PC3-PC4
PC5-PC6-PC7
EC1-EC2-EC5-EC4
EC3(EC7 en masiva precipitación)
SC1-SC2
SC3-SC4
A1-A2-A3
A4
O1-O2
O3-O4
Tabla 2. Criterio de aceptación metalográfica de acuerdo al tamaño, disposición y orientación de los carburos.
Table 2. Metallographic acceptation criteria according to size, arrangement and orientation of carbides.
2. 2. Estudio de fallas posibles en componentes anulares de grandes dimensiones. El aspecto de un anillo
fracturado se presenta en la figura 3. La composición química final se presenta en la tabla 3.
Colada
C
1,524
Si
0,58
Mn
1,30
Cr
1,54
Ni
1,58
Mo
0,49
S
0,041
P
0,069
Al
0,041
Cu
0,11
N2
0,026
Tabla 3.Composición química de la colada 8446 para anillo de acero SCA5 55.
Table 3. Chemical composition of the cast 8446 for ring made of SCA5 55 steel.
En el estudio metalográfico se observó que de los carburos eran del tipo SC1 y SC3 y que existían zonas con
presencia del tipo SC4 formando cuasi red (figuras 4 y 5).
625
Figura 3. Grieta en el anillo luego del clavado.
Figure 3. Cracked ring after fixation.
Figura 4. Carburos formando cuasi-red (64X).
Figure 4. Carbides forming network (64X).
Figura 5. Carburos aciculares (640X).
Figure 5. Acicular carbides (640X).
Se estudió una pieza rechazada internamente por presentar carburos en borde de grano. Sobre muestras
correspondientes al radio interno y externo, extraídas de la parte superior del anillo, se hizo metalografía, dureza,
ensayo de tracción y estudio de fractura.
La estructura en ambos cortes se compone de carburos del tipo SC1 y SC3; además se aprecian en algunas zonas
carburos del tipo SC4. La matriz es perlítica. Las imágenes de la estructura se muestran en las figuras 6 y 7.
626
Figura 6. Carburos en radio externo (64X).
Figure 6. Carbides in the outer radius (64X).
Figura 7. Detalle de carburos aciculares (640X).
Figure 7. Acicular carbides (640X).
Se realizó en las muestras de ambos radios un perfil de dureza, las mediciones se detallan en la tabla 4.
Muestras
Dureza en Rockwell C
2
3
4
1
5
Promedio
Radio
externo
26,9
26,8
27,5
26,6
26,0
26,7
Radio
interno
26,8
27,7
25,9
28,2
25,5
26,8
Tabla 4. Mediciones de dureza en radio interno y externo.
Table 4. Hardness measurements in the inner and outer radius.
Se aprecia que el promedio de las mediciones es prácticamente el mismo para la zona externa que la interna, lo que
da la pauta de que existe cierta uniformidad estructural en el sentido del espesor de la pieza.
Los ensayos de tracción se efectuaron sobre las muestras correspondientes a los radios externo e interno, preparando
probetas estándar según norma ASTM A370. Los valores obtenidos se detallan en la tabla 5.
Muestras
Diámetro
(mm)
Tensión máxima
(Kg/mm2)
Alargamiento
(%)
Radio
externo
8,67
42,4
(*)
Radio
8,71
56,6
(*)
interno
(*) No se pudo determinar alargamiento, debido a que la probeta rompió fuera de la longitud de referencia inicial.
Tabla 5. Ensayo de tracción en radio interno y externo.
Table 5. Tensile test in the inner and outer radius.
De los valores de tensión máxima se desprende que la muestra del radio interno tiene mayor resistencia que la del
radio externo. Se determinó que esa variación en la tensión máxima puede atribuirse a la distinta distribución de los
627
carburos SC4: en el radio interno hay una mayor dispersión de los carburos, y la formación de la red es menos
acentuada que en el radio externo.
En el microscopio electrónico se observa la superficie de fractura (figuras 8 y 9). Es importante remarcar que
además de la fractura frágil de tipo clásico, caracterizada por la presencia de planos de clivaje, se observan también
zonas con fractura fibrosa (“woody”). Resulta inevitable asociar estas últimas con los carburos aciculares
observados en la metalografía (comparar la figura 7 con la figura 9).
Figura 8. Izquierda: Zona de fractura frágil. Derecha: Zona de fractura dúctil.
Figure 8. Left: Zone of brittle fracture. Right: Zone of ductile fracture.
Figura 9. Izquierda: Vista general de la fractura. Derecha: Detalle de una zona fibrosa ("woody").
Figure 9. Left: General view of the fracture. Right: Woody.
3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LABORATORIO
La finalidad de realizar tratamientos térmicos a escala laboratorio es observar cómo evoluciona el tipo y distribución
de carburos de acuerdo a la temperatura de austenización y la velocidad de enfriamiento. Para este fin se diseñaron
diversos tratamientos, cuyas condiciones y resultados se presentan en la tabla 6. Además, se simuló en dos
tratamientos condiciones más cercanas a las obtenibles industrialmente con el propósito de atenuar la formación de
redes de carburos, mejorando su morfología y distribución.
628
Temperatura
Tiempo de
de
permanenci
austenización
a (horas)
(ºC)
1020
1120
7
7
Atmósfera
Nitrógeno
Reductora
Enfriamiento
Observaciones de los carburos
En agua
Gran disolución de SC1, notoria reducción
de SC3; SC4 mantiene su distribución
Al aire calmo
Gran disolución de SC1, notoria reducción
de SC3; SC4 mantiene su distribución
En el horno
Iguales características que los anteriores
En agua
Completa disolución de los SC1 y SC3 y
notoria reducción en la cantidad de SC4
Al aire calmo
Completa disolución de los SC1 y SC3 y
notoria reducción en la cantidad de SC4
En el horno
Notoria reducción en la cantidad de SC4
con mayor desarrollo de SC3
Tabla 6. Condiciones y resultados de los ensayos de tratamiento térmico a escala de laboratorio.
Table 6. Conditions and results of the heat treatments at laboratory scale.
Las estructuras metalográficas obtenidas con los tratamientos térmicos a distintas temperaturas de austenización,
para la condición de enfriamiento en el horno, se muestran en las figuras 10 y 11.
Figura 10. Distribución de carburos en muestra austenizada a 1020ºC y enfriada en el horno (64X). Derecha: Detalle
de los carburos (640X).
Figure 10. Distribution of carbides in sample austenized at 1020ºC and cooled in the furnace (64X). Right: carbides
(640X).
Para simular condiciones más cercanas a las obtenibles industrialmente se hizo una simulación de laboratorio de dos
tratamientos térmicos con una temperatura de austenización de 1070 °C con doble y simple revenido (figuras 12 y
14). Sobre las muestras así tratadas se determinó la estructura metalográfica (figuras 13 y 15) y las propiedades
mecánicas (tabla 7).
629
Figura 11. Izquierda: Distribución de carburos tipo SC4 en muestra austenizada a 1120 ºC y enfriada en el horno
(64X). Derecha: Detalle de los carburos SC4 y SC3 (640X).
Figure 11. Left: Distribution of SC4 in sample austenized at 1120ºC and cooled in the furnace (64X). Right: SC4
and SC3 (640X).
Según rampa de FSC
1070ºC
900ºC
Según rampa de FSC
520ºC
500ºC
Aire calmo
350ºC
Figura 12. Rampas de temperaturas para el tratamiento térmico de doble revenido.
Figure 12. Double tempering.
Figura 13. Tratamiento térmico con doble revenido. Izquierda: distribución de los carburos SC4 (64X). Derecha:
detalle de los carburos SC4 y SC3 (640X).
Figure 13. Heat treatment with double tempering. Left: Distribution of SC4 (64X). Right: SC4 and SC3 (640X).
630
1070ºC
Rampa según FSC
500ºC
Aire calmo
350ºC
Figura 14. Rampas de temperaturas para el tratamiento térmico de simple revenido.
Figure 14. Simple tempering.
Figura 15. Tratamiento térmico con revenido simple. Izquierda: distribución de los carburos SC4 formando cuasired (64X). Derecha: detalle de los carburos SC4 , SC3 y SC1 (640X).
Figure 15. Simple tempering. Left: Distribution of SC4 forming networks (64X). Right: SC4, SC3 and SC1 carbides
(640X).
Muestra
Tensión Máxima
(Mpa)
Dureza
Rockwell C
Doble revenido
427,3
33,8
Simple revenido
370,2
44,8
Tabla 7. Comparación de los valores de tensión máxima y dureza.
Table 7. Values of ultimate tensile strength and hardness.
La muestra de simple revenido tiene mayor dureza pero menor tensión máxima de rotura. Esto es atribuible a la
cantidad y distribución de los carburos SC4.
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Diseño del acero. Es un hecho conocido que hay una influencia del contenido de C en la segregación de cromo
para las aleaciones Fe-C-Cr. Esto se ha estudiado ampliamente para los aceros del tipo 52100 utilizados en la
fabricación de bolillas y pistas para rodamientos [1].
631
Por ejemplo, en la figura 16 se presenta la relación de segregación del cromo en función del contenido de carbono,
en base a datos de diversos trabajos.
Figura 16. Relación de segregación del cromo en
función del contenido de carbono, en base a
datos obtenidos de diversos trabajos.
Figure 16. Cr segregation in function of carbon
content, on the base of data of several workers.
Tratamiento térmico. Los ensayos de tratamiento térmico a escala de laboratorio, con una temperatura de
homogeneización de 1020 °C mostraron que a esa temperatura se logra solubilizar gran parte de los carburos SC1 y
SC3 pero permanecen casi inalterables los carburos SC4.
Los tratamientos térmicos realizados a 1120ºC evidenciaron la completa disolución de los carburos SC1 y SC3 con
una notoria reducción en la cantidad de los carburos SC4, a excepción de cuando se hizo el enfriamiento en el horno,
en cuyo caso hubo un mayor desarrollo de los carburos SC3.
Comparando los resultados obtenidos de los tratamientos térmicos realizados a las dos temperaturas de
austenización 1020ºC y 1120ºC respectivamente, se puede sacar las siguientes conclusiones:
-con la mayor temperatura (1120ºC) se logró solubilizar totalmente los carburos tipo SC1 y SC3
-los carburos del tipo SC4 lograron ser solubilizados casi totalmente a la temperatura de 1120ºC. Esto permite
suponer que a una temperatura mayor, de por ejemplo 1150°C, se podrían obtener mejores resultados. Sin embargo,
a esa temperatura deberían extremarse las medidas orientadas a minimizar la decarburación superficial del rodillo.
La muestra de simple revenido tiene mayor dureza pero menor tensión máxima de rotura. Esto es atribuible a la
cantidad y distribución de los carburos SC4.
5. CONCLUSIONES
El estudio realizado permite concluir que desde el punto de vista del diseño del acero, es conveniente fijar un
contenido de C máximo de 1,4% para evitar el pico de segregación de Cr que existe para 1,5% C.
Para obtener una mejor distribución de los carburos en el tratamiento térmico; es necesaria una temperatura de
austenización de al menos 1120° C. Debe tenerse en cuenta que el enfriamiento en horno, a escala laboratorio, trajo
como efecto negativo un mayor desarrollo de los carburos SC3 y SC4.
También cabe mencionar que a escala laboratorio con el doble revenido se pudo lograr una mejor distribución de los
carburos SC4 y una mayor resistencia a la tracción, si bien se obtuvo una dureza menor que con el revenido simple.
REFERENCIAS
1. M.C. Flemings, D.R. Poirier, R.V. Barone, H.D. Brody. Journal of the Iron and Steel Institute April 1970 pp. 371381.
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