CC BY
60
УДК 669.188
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОТВЁРДОСТИ МНОГОСЛОЙНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА
И.В. Чуманов, М.А. Матвеева, И.А. Тараканова
Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте, г. Златоуст
Применение электрошлаковой технологии для получения металлических материалов весьма вариативно и позволяет различными способами воздействовать на структуру получаемой отливки. Один из способов - получение многослойной заготовки. По предлагаемой нами технологии формирования слоёв нового состава осуществлялось дачей, с заданной периодичностью в жидкометаллическую ванну угле-родосодержащего материала конкретной массы. С целью определения изменений, вызванных введением добавок, проведён ряд механических испытаний, в частности - определение микротвёрдости полученного материала. Измерение микротвердости при металлографических исследованиях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях. Например, выявить картину изменения значения твёрдости в многослойной металлической композиции.
Определение микротвёрдости многослойной металлической композиции проводилось на платформе ООО «Тиксомет» (Санкт-Петербург). На микротвердомере ВиеЫег Micromet 6040 с моторизацией и оснащённый программным обеспечением ТЫхоте^ с использованием четырёхгранной алмазной пирамидки при нагрузке 200 гс. Исследование проводилось в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1:2007.
Анализ полученных данных позволяет констатировать: микротвёрдость материала, с большим количеством присадки выше, чем с меньшей массой присадки-науглероживателя; на поперечных образцах микротвёрдость выше, чем на продольных; образцы, подвергнутые более глубокой степени деформации и термической обработке по режиму «отжиг» и «отжиг + закалка», показывают значения микротвёрдости почти в 2 раза выше. Также, стоит отметить, что глубокая степень деформации приводит к размытию в структуре материала слоёв и обозначает максимальную степень деформации материала, при котором сохраняется многослойная структура.
Ключевые слова: электрошлаковый переплав, слоистая структура, микроструктура, микротвёрдость.
Электрошлаковый переплав весьма вариативен и позволяет решить задачу получения многослойных заготовок с высокой сплошностью соединения слоёв для последующего передела на листовую продукцию [1].
По предлагаемой в работе [2] технологии, формирование слоёв нового состава осуществлялось подачей с заданной периодичностью в жидкометаллическую ванну углеродосодержащего материала конкретной массы. С целью определения изменений, вызванных введением добавок, проведён ряд механических испытаний, исследования микро- и макроструктуры [3, 4]. Для более полного выявления динамики изменения свойств материала был проведён ряд испытаний по определению микротвёрдости полученного материала.
Метод измерения микротвердости при металлографических исследованиях во многих случаях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях, например, выявить картину изменения значения твёрдости в многослойной металлической композиции. Благодаря малым размерам отпечатка можно измерять микротвёрдость отдельных фаз или даже отдельных зёрен. Измерение микротвёрдости относится к микромеханическим испытаниям, ко-
торые были разработаны для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов.
Измерение микротвёрдости осуществлялось традиционно, путём вдавливания алмазной пирамидки под нагрузкой менее 2 Н (200 гс) [5]. Выбор участка для испытания микротвёрдости и определение размеров отпечатка производится под микроскопом, затем по специальным таблицам пере-считывается на так называемое число твёрдости -отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Прибор для определения микротвёрдости обеспечивает возможность выбора участка микроструктуры, где будет произведено вдавливание.
Испытаниям на микротвёрдость подвергался материал, полученный при электрошлаковом переплаве стали марки 30Х13 с введением в плавильное пространство по ходу переплава присадки-науглераживателя. Усреднённый химический состав полученной многослойной композиции: С - 0,6...1,3 %, Si - 0,5 %, Сг - 10,54 %, Мп - 0,25 %, S - 0,024 %, Р - 0, 039 % (мас.). Данные по технологии получения, маркировке образцов и полученным механическим свойствам многослойного металлического материала приведены в табл. 1.
Таблица 1
Маркировка, режимы деформации и термической обработки образцов многослойной металлической композиции
№ плавки Порция присадки,г № образца Режим деформации Режим термической обработки ^0,2, МПа МПа ШТ НВ
1 150 1 Продольный Ковка на размер 35x35 Отпуск 250 °С 521 762 50 495
2 Поперечный
5 Продольный Ковка с квадрата 35x35 на 15x15 Отжиг 950 °С 738 836 53 524
6 Поперечный
7 Продольный Ковка с квадрата 35x35 на 15x15 Отжиг 950 °С, охлаждение с печью; закалка 1050 °С, охлаждение в масле, отпуск при 400 °С 1011 1043 62 625
8 Поперечный
2 200 3 Продольный Ковка на размер 35x35 Отпуск 250 °С 1259 1287 65 677
4 Поперечный
в) г)
Рис. 1. Макроструктура: а - образец 1, б - образец 3, в - образец 5, г - образец 7
Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
Определение микротвёрдости многослойной металлической композиции проводилось на платформе ООО «Тиксомет» (Санкт-Петербург). Структурные составляющие металлического композиционного материала вытравливались 5%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Макроструктура исследуемых образцов приведена на рис. 1. В макроструктуре образцов видна выраженная структурная неоднородность в виде полосчатости. Для проведения испытаний использовался микротвердомер БиеЫег Micromet 6040, оснащённый моторизацией и программным обеспечением ТЫхоте! В качестве индентора применялась четырёхгранная алмазная пирамидка, нагрузка 200 гс. Исследование проводилось в соответствии с ГОСТ Р ИСО 6507-1:2007. Отпечатки микро-
твёрдости приведены на рис. 2. Также измерена микротвёрдость карбидной фазы - карбида хрома при нагрузке 20 гс, она составляет 1278 HV. Данные о результатах испытания микротвёрдости представлены в табл. 2, из которых можно сделать следующие выводы.
Микротвёрдость материала с большим количеством присадки выше, чем с меньшей массой при-садки-науглероживателя, что логично объясняется большим количеством карбидной фазы. На поперечных образцах микротвёрдость выше, чем на продольных. Причина этого в особенностях режима деформации - происходила осадка слитка по высоте и, соответственно, большее уплотнение происходило в этом направлении. Образцы, подвергнутые более глубокой степени деформации и тер-
а)
б) в)
Рис. 2. Отпечатки микротвёрдости: а - образец 4, б - образец 8, в - карбид хрома
Таблица 2
Микротвёрдость многослойного металлического материала
HV (200 гс)
№ отпечатка 1 2 3 4 5 6 7 8
1 352 375 357 361 693 751 746 757
2 357 375 362 365 741 745 739 726
3 361 376 357 365 703 727 733 746
4 357 375 359 356 706 722 749 732
5 366 365 355 357 738 745 753 743
6 374 368 354 377 722 729 727 744
7 363 370 371 372 737 756 570 746
8 383 370 363 374 731 730 767 736
9 373 384 355 374 732 692 729 743
10 375 407 352 375 717 726 722 749
11 383 403 360 363 714 737 725 739
12 374 396 354 374 738 749 727 731
13 376 409 341 375 728 727 734 728
14 376 409 344 374 718 731 751 735
15 376 372 346 368 721 741 739 741
16 378 376 351 366 - - - -
17 364 385 347 366 - - - -
18 379 371 358 368 - - - -
19 375 377 355 374 - - - -
20 370 377 349 402 - - - -
21 371 378 354 394 - - - -
22 368 385 345 399 - - - -
23 385 373 348 403 - - - -
24 378 377 365 398 - - - -
25 385 388 350 391 - - - -
26 394 384 363 362 - - - -
27 385 390 356 363 - - - -
28 397 393 364 363 - - - -
29 410 403 361 362 - - - -
30 397 381 367 369 - - - -
31 395 381 370 368 - - - -
32 374 387 359 369 - - - -
33 381 379 357 365 - - - -
34 379 377 357 368 - - - -
35 381 374 363 366 - - - -
Среднее значение 377 383 356 373 723 734 724 739
Стандартное отклонение 12,4 12 7,37 12,7 16,1 17,4 52,8 7,55
Доверительный интервал (95 %) 4,19 4,05 2,49 4,31 9,27 10,1 31,8 4,55
Относительная точность (%) 1,11 1,06 0,7 1,16 1,28 1,37 4,4 0,62
мической обработке по режиму «отжиг» и «отжиг + закалка», показывают результаты значения микротвёрдости почти в 2 раза выше. Более глубокая степень деформации (квадрат 15x15) приводит к размытию в структуре материала слоёв. Перепады значений твёрдости в образцах 5-8 (~7 %), а в образцах 1-4 (~15 %). А это значит, степень деформации на образцах 5-8, приводит к размытию многослойной структуры и является уже нежелательной.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования № 11.1470.2014/К, а также поддержана Минобрнауки по соглашению № 14.574.21.0122.
Литература
1. Производство металлических слоистых композиционных материалов / А.Г. Кобелев, В.И. Лы-сак, В.Н. Чернышев и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 496 с.
Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
2. Пат. № 2163269. Способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом / В.И. Чуманов, В.Е. Рощин, И.В. Чуманов, Ю.Г. Кадочников. - 2001, Бюл. № 8.
3. Чуманов, И. В. Особенности жидкофазного получения слоистого материала / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, М.А. Матвеева // Металлургия машиностроения. - 2012. - № 2. - С. 11-14.
4. Чуманов, И.В. Исследование структуры и механических свойств многослойного металлического материала, полученного методом электрошлакового переплава / И.В. Чуманов, В.И. Чуманов, М.А. Матвеева // Электрометаллургия. -2014. - № 3. - С. 29-33.
5. ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. Металлы и сплавы. Измерение твёрдости по Виккерсу.
Чуманов Илья Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте, г. Златоуст; chiv71@susu.ac.ru.
Матвеева Мария Андреевна, аспирант кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте, г. Златоуст; 26mist26@mail.ru.
Тараканова Ирина Андреевна, магистрант кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте, г. Златоуст; tarak-irina@yandex.ru.
Поступила в редакцию 23 января 2015 г.
MEASUREMENT OF MICROHARDNESS OF MULTILAYER METAL MATERIAL OBTAINED BY ELECTROSLAG REMELTING
I.V. Chumanov, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Russian Federation, chiv71@susu.ac.ru,
M.A. Matveeva, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Russian Federation, 26mist26@mail.ru,
I.A. Tarakanova, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Russian Federation, tarak-irina@yandex.ru
Application of electroslag technology for metallic materials is highly variable and allows to influence the structure of the resulting casting in a variety of ways. One of such methods is obtaining a multilayer preform. According to our proposed technology formation of layers of new composition was carried out by supplying of carbonaceous material of given weight to the liquid metal bath at specified intervals. In order to determine the changes caused by the introduction of additives, a series of mechanical tests were carried out, and in particular, the microhardness of the resulting material was determined. Microhardness measurement in metallographic studies yields results that are not possible to achieve with macroscopic mechanical tests. For example, the pattern of change of hardness values in a multi-layer metal composition can be identified.
Determination of microhardness of multilayer metal composition was performed with a "Thixomet" platform (St. Petersburg). Hardness was measured with Buehler Micromet 6040 microhardness tester equipped with motorization and Thixomet software, using a four-sided diamond pyramid under a load of 200 gf. The study was conducted in accordance with ISO 6507-1 : 2007.
Analysis of the data allows to conclude that microhardness of the material with a great amount of additives is higher than of those with a smaller amount of carburizers; microhardness is higher on transverse specimens than longitudinal ones; samples subjected to a deeper degree of deformation and to heat treatment (annealing or annealing + tempering) have microhardness almost two times higher. It is also worth mentioning that great degree of deformation leads to a smearing of the material layers in the structure, and defines the maximum degree of deformation of the material that preserves the multilayer structure.
Keywords: electroslag remelting; layered structure; microstructure; microhardness.
References
1. Kobelev A.G., Lysak V.I., Chernyshev V.N., Bykov A.A. Proizvodstvo metallicheskikh sloistykh kompozit-sionnykh materialov [Production of Metal Laminated Composite Materials]. Moscow, Intermet Engineering Publ., 2002.
2. Chumanov V.I., Roshchin V.E., Chumanov I.V., Kadochnikov Yu.G. Sposob polucheniya mnogosloynykh slitkov elektroshlakovym pereplavom [Method for Producing a Multilayer Electroslag Remelting Ingots]. Pat. RF no. 2163269, 2001.
3. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Matveeva M.A. [Features of the Liquid-Phase Production of a Laminated Material]. Metallurgiya mashinostroeniya, 2012, no. 2, pp. 11-14. (in Russ.)
4. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Matveeva M.A. [Investigation of the Structure and Mechanical Properties of the Multilayer Metal Material Obtained by Electroslag Remelting]. Elektrometallurgiya, 2014, no. 3, pp. 29-33. (in Russ.)
5. GOSTR ISO 6507-1-2007. Metally i splavy. Izmerenie tverdosti po Vikkersu. [State Standard 6507-1-2007. Metals and Alloys. Measurement of Vickers Hardness.]
Received 23 January 2015
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
Чуманов, И.В. Измерение микротвёрдости многослойного металлического материала, полученного методом электрошлакового переплава / И.В. Чуманов, М.А. Матвеева, И.А. Тараканова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2015. - Т. 15, № 3. - С. 84-89.
Chumanov I.V., Matveeva M.A., Tarakanova I.A. Measurement of Microhardness of Multilayer Metal Material Obtained by Electroslag Remelting. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2015, vol. 15, no. 3, pp. 84-89. (in Russ.)
