ОАО «Уралмашзавод», Екатеринбург, Россия

А. В. Белоносов, заведующий лабораторией неразрушающих методов контроля Дирекции по качеству, эл. почта: A.Belonosov@uralmash.ru

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия
О. А. Чикова, профессор кафедры физики Института фундаментального образования, докт. физ.-мат. наук, доцент, эл. почта: O.A.Chikova@urfu.ru
Н. А. Зайцева, доцент кафедры физики Института фундаментального образования, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: n.a.zaitceva@urfu.ru

Контроль качества рабочих валков стана холодной прокатки из стали марки 8Х3СМФ направлен на выявление дефектов металлургического происхождения, его проводят ультразвуковым и металлографическим методами. Представлены результаты сравнительного изучения микроструктуры и кристаллического строения образцов, отобранных от рабочих валков реверсивного прокатного стана из стали 8Х3СМФ из дефектной и бездефектной областей по данным ультразвукового контроля (УЗК) до закалки. Дефекты идентифицированы УЗК как несплошности с отражающей способностью, эквивалентной диаметру 5,0–7,5 мм. В результате металлографического исследования средствами сканирующей электронной микроскопии (EDS- и EBSD-анализ) обнаружены неметаллические включения размером ~5-30 мкм четырех типов: MnS; (MnS + Al₂O₃ + CaO); (MnS + V + Ti) и (MnS + Ti). Металл, отобранный из дефектной области бочки валка, имел неметаллические включения (MnS + V + Ti) и (MnS + Ti), что свидетельствует о неусвоении легирующих присадок титана и ванадия. Металл, отобранный из дефектной области бочки валка, также имел более крупное зерно, меньшее число малоугловых границ, большую текстурированность материала и неоднородность упругих характеристик. Следовательно, наличие дефектов, которые идентифицируются УЗК как несплошности с отражающей способностью, эквивалентной диаметру 5,0–7,5 мм, способствует возникновению внутренних трещин в металле при закалке и не допустимо при заключении о соответствии требованиям качества.
Исследования проведены на базе ЛНМК ОАО «Уралмашзавод» и Центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.

Работа выполнена с использованием оборудования УЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕНиМ УрФУ.

1. Costae Silva A. L. V. da. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8, Iss. 2. P. 2408–2422. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.01.009
2. Min Wang, Yan Ping Bao, Quan Yang et al. The ultrasonic detection of macro-inclusions in steel // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 572. P. 334–337. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.572.334
3. Kim Y., Kim J., Ahn J. et al. Detection of micro inclusions in steel sheets using high-frequency ultrasound speckle analysis // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, Iss. 1. 20416. DOI: 10.1038/s41598-021-99907-4
4. Wackenrohr S., Herbst S., Wöbbeking P., Gerstein G., Nürnberger F. Correlating ultrasonic velocity in DC04 with microstructure for quantification of ductile damage // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. Vol. 7, Iss. 4. 142. DOI: 10.3390/jmmp7040142
5. Juan R., Wang M., Lian J., Gu C., Li L., Bao Y. Quantifying the comprehensive characteristics of inclusion-induced defects using an integrated destructive and non-destructive method // Materials. 2021. Vol.14, Iss. 6. 1475. DOI: 10.3390/ma14061475
6. Чикова О. А., Белоносов А. В., Истомина З. А. Изучение структуры поковок из стали 75Х3МФ ультразвуковым методом с целью контроля их качества // Дефектоскопия. 2012. № 9. С. 36–41.
7. Белоносов А. В., Чикова О. А., Юровских В. В., Чезганов Д. С. Изучение структуры металла прокатных валков из стали 9Х2МФ и 8Х3СГФ ультразвуковым методом с целью контроля их качества // Дефектоскопия. 2013. № 4. С. 17–28.
8. Белоносов А. В., Чикова О. А., Зайцева Н. А. Изучение микроструктуры металла прокатных валков с лазерной наплавкой с целью контроля их качества // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 7. С. 510–519.
9. Monnot J., Heritier B., Cogne J. Y. Relationship of melting practice, inclusion type, and size with fatigue resistance of bearing steels // Effect of Steel Manufacturing Processes on the Quality of Bearing Steels (ASTM STP 987). — ASTM International, 1988. — 409 p.
10. Spriestersbach D., Grad P., Kerscher E. Influence of different non-metallic inclusion types on the crack initiation in high-strength steels in the VHCF regime // International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 64. P. 114–120. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.03.003
11. Fu H., Rydel J. J., Gola A. M., Yu F., Geng K., Lau C. et al. The relationship between 100Cr6 steelmaking, inclusion microstructure and rolling contact fatigue performance // International Journal of Fatigue. 2018. Vol. 129. 104899. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.11.011
12. Соколов Р. А., Новиков В. Ф., Ковенский И. М., Муратов К. Р. и др. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2022. Т. 24, № 4. С. 113–126. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-113-126
13. Ahmad H., Zhao B., Lyu S., Huang Z. et al. Formation of complex inclusions in gear steels for modification of manganese sulphide // Metals. 2021. Vol. 11. 2051. DOI: 10.3390/met111220
14. Ånmark N., Karasev A., Jönsson P. G. the effect of different non-metallic inclusions on the machinability of steels // Materials. 2015. Vol. 8. P. 751-783. DOI: 10.3390/ma8020751,6–10
15. Wang Y., Sridhar S., Valdez M. Formation of CaS on Al2O3-CaO inclusions during solidification of steels // Metallurgical and Materials Transactions B. 2002. Vol. 33. P. 625–632. DOI: 10.1007/s11663-002-0042-1
16. Katsunari O., Kiyohito I., Taiji N. Effect of titanium addition on the formation and distribution of MnS inclusions in steel during solidification // ISIJ International. 1997. Vol. 37. P. 332–338. DOI: 10.2355/isijinternational.37.332
17. Liu C-s., Liu X-q., Ni H-w. et al. Effect of vanadium on modification of inclusions in Mn- and Si-deoxidized steel during heat treatment at 1473 K // J. Iron Steel Res. Int. 2017. Vol. 24. P. 520–528. DOI: 10.1016/S1006-706X(17)30079-1
18. Murakami Y. Metal fatigue: effects of small defects and nonmetallic inclusions. - Kidlington, England : Elsevier Science, 2002. 149 p.
19. Tetsuro O., Takeshi H., Hiromu F., Yoshio N., Koichi A. Effect of oxides on the nucleation behavior in supercooled iron // Tetsu-To-Hagane. Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 1976. Vol. 62. No. 6. P. 614–623. DOI: 10.2355/tetsutohagane1955.62.6_614
20. Bramfitt B. L. The effect of carbide and nitride additions on the heterogeneous nucleation behavior of liquid iron // Metallurgical Transactions. 1970. Vol. 1, Iss. 7. P. 1987–1995. DOI: 10.1007/BF02642799
21. Xu M., Ge X., Yao W., Tang S. et al. Atomic distance tuning effect for nucleation in liquid iron // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2018. Vol. 49, Iss. 10. P. 4419–4423. DOI: 10.1007/s11661-018-4807-9
22. Xu M., Wang L., Lu W., Zeng L. et al. The nucleation potency of in situformed oxides in liquid iron // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2018. Vol. 49, Iss. 5. P. 1762–1769. DOI: 10.1007/s11661-018-4528-0