CC BY
53Решетнеескцие чтения. 2015
дом лезвии режущие кромки, размещенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротационного резца, образуют режущий многоугольник. Схема обработки многогранным ротационным резцом показана на рис. 1.
Качество обработанной поверхности определяется шероховатостью поверхности и состоянием материала поверхностного слоя. На рис. 2 изображен расчетный микропрофиль обрабатываемой цилиндрической поверхности ротационным точением многогранными резцами.
При точении высота расчетных неровностей определяется по формуле
Rzp = ^р2 • sin к2 + R.2
— R
dmin dmin >
(1)
где р - радиус-вектор контура режущей кромки; Кдтт - радиус обработанной заготовки, [мм]; к - угол между осью центров и точкой контакта режущей кромки и обрабатываемой поверхности; йз - диаметр заготовки, [мм].
Продольная подача на грань резца ^пргр = В/2. Продольная подача резца на оборот обрабатываемого вала рассчитывается по формуле ^прст= $пргрпр-Ы/ пз. Круговая подача на грань резца находится: £кргр =
: Pm
•SinKm
Число оборотов заготовки пз = ^кргр- пр -Ы/п -йз.
Число оборотов инструмента определяется пр =
= П-й-Щ /£*ргр-Ж.
Из анализа проведенных ранее исследований видно, что эксплуатационные свойства, а также многие характеристики качества поверхности зависят от технологических методов и условий механической обработки деталей машин. Применение ротационного точения многогранными резцами для изготовления деталей типа вал подтверждает эффективность использования предложенного метода обработки, который позволяет: уменьшить количество технологических переходов при изготовлении деталей типа вал; уменьшить влияние износа инструмента на точность и каче-
ство обрабатываемых поверхностей; снизить основное технологическое время. Кинематика процесса резания гарантированно обеспечивает дробление стружки и ее отвод из зоны резания.
Библиографические ссылки
1. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Исследование метода ротационного точения многогранными резцами // Станки и инструмент (СТИН). 2013. № 6. С. 21-24.
2. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Особенности ротационного точения многогранными резцами // Вестник машиностроения. 2013. № 10. С. 56-58.
3. Индаков Н. С., Бинчуров А. С. Особенности геометрии многогранных резцов для ротационного точения // Вестник машиностроения. 2013. № 11. С. 38-41.
4. А. с. СССР 1126375; МКИ3 В 23 В 1/00. Способ лезвийной обработки валов с профилем «равноосный контур» / Э. В. Рыжов, Н. С. Индаков, Э. А. Петровский, и др. Опубл. 30.11.1984.
5. Пат. 2463130 РФ, МПК В23В 27/12. Ротационный резец / Н. С. Индаков, Ю. И. Гордеев, А. С. Бинчуров. Опубл. 10.10.2012.
References
1. Indakov N. S. Binchurov, A. S. Research by rotational turning indexable cutters // Machine tools (STIN). 2013. № 6. Pp. 21-24.
2. Indakov N. S., Binchurov A. S. Features turning rotary cutters multifaceted // Vestnik engineering. 2013. № 10. pp. 56-58.
3. Indakov N., Binchurov A. Features polyhedral geometry of the rotary cutters for turning // Vestnik Engineering. 2013. № 11. pp. 38-41.
4. USSR Inventor's Certificate 1126375.
5. Russian patent 2463130.
© Индаков Н. С., Бинчуров А. С., Гордеев Ю. И.,
Киселев Д. И., 2015
УДК 669.017
АНАЛИЗ ПРИЧИН ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ОТЛИВКАХ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ЖС3ДК
А. В. Лекарев1, А. Е. Буркин1, В. П. Жереб2, А. А. Ковалева2
1АО «Красноярский машиностроительный завод» Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Рассмотрен металлографический, электронно-оптический, фактографический анализ отливок из жаропрочного сплава ЖС3ДК. Произведено сопоставление химического состава и структуры материала.
Ключевые слова: сплав, трещинообразование.
ANALISIS OF THE CAUSES OF CRACK FORMATION IN CASTINGS OF HEAT-RESISTANT ALLOY ZHsk3DK
A. V. Lekarev1, A. E. Burkin1, V. P. Zereb2, A. A. Kovaleva2
1JSC "Krasnoyarsk Machine Building Plant" 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
Considered metallographic, electron-optical, factual analysis of superalloys castings ZhS3DK. Produced comparison of the chemical composition and structure of the material.
Keywords: alloy, crack formation.
Особое место в современной технике занимают жаропрочные коррозионно-стойкие сплавы. Как правило, они применяются для изделий, работающих в коррозионных средах и подвергающихся воздействию растягивающих напряжений от 28 до 56 кгс/мм2, а также высокотемпературному нагреванию до 1 370 °С.
Важным требованием к материалу при использовании его в таких условиях является стойкость к коррозии, вызываемой горячими газами, так как агрессивное действие горячих газов проявляется в большей степени, вследствие чего сплавы, не обладающие высокой стойкостью к коррозии, могут привести к быстрому выходу изделия из строя. Кроме основных требований, материал таких изделий должен быть структурно стабилен, чтобы обеспечить постоянство механических свойств в течение длительной работы [1].
В литейных сплавах на основе никеля одновременно содержится три фазы, которые позволяют достичь высокого упрочняющего эффекта. В зависимости от химического состава чаще всего в сплавах на основе никеля наблюдаются следующие фазы:
1. Упрочняемая фаза. Никель и хром образуют диаграмму состояния эвтектического равновесия 1 345 °С (рис. 1), но вследствие неизоморфности решеток (Сг - ОЦК, Ni - ГЦК) образуются твердые рас-
творы у-твердый раствор на основе № и а-твердый раствор на основе Сг.
2. Интерметаллидная фаза. Система №-Т1 (рис. 2, а) характеризуется наличием двух соединений: №3Т1 и №Т1, плавящихся конгруэнтно при 1 379 и 1 240 °С, а также №Т12, образующаяся при 1 015 °С по перетек-тической реакции. Фаза п №3Т1 имеет ГПУ решетку с а = 0,510 10 нм и с = 0,830 67 нм и является упрочняющим выделением в никелевых сплавах.
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Ni-Cr
Рис. 2. Температурная зависимость растворимости п-фазы в сплавах системы №-Т1 (а) и у'-фазы в сплавах системы №-А1 (б)
Решетнееские чтения. 2015
Система Ni-Al (рис. 2, б) характеризуется наличием соединений типа Ni3Al, NiAl, Ni2Al3, NiAl3. Соединение NiAl плавится конгруэнтно при 1 638 °С, Ni3Al, Ni2Al3, NiAl3 образуются при 1 395, 1 133 и 854 °С по перетектическим реакциям. Фаза у' Ni3Al имеет ГЦК решетку с а = 0,356 нм и также является упрочняющим выделением.
Ti и Al имеют ограниченную растворимость в Ni при всех температурах, что позволяет создавать дис-персионно-упрочняемые сплавы со структурой, состоящей из у-фазы и выделений n-Ni3Ti, y'-Ni3Al или y'-Ni3 (Al, Ti).
3. Карбидная фаза. Углерод добавляется в жаропрочные никелевые сплавы, как правило, в количестве до 0,2 %. Он взаимодействует с присутствующими в сплавах химически активными тугоплавкими элементами с образованием труднорастворимых карбидов TiC или карбонитридов Ti(C,N) а также хромистых карбидов Cr23C6, Cr7C3. А при значительном присутствии Мо и W наблюдаются карбиды типа Ме6С [3].
Во время термической обработки и в процессе эксплуатации они распадаются на карбиды с пониженным содержанием углерода Ме23С6 и Ме6С, которые выделяются по границам зерен.
Отливки из сплава ЖС3ДК получены методом вакуумного литья по выплавляемым моделям с температурой заливки 1 550 оС и последующей гомогенизацией в вакууме при температуре 1 220 оС.
Исследования трещинообразования проводили с помощью оптической (микроскоп Axio Observer А 1m) и растровой электронной микроскопии (РЭМ EVO 50), а также локального рентгеноспектрального анализа на образцах из сплава ЖС3 ДК, вырезанных из литого изделия, на поверхности которого обнаружены несплошности - трещины размерами от 4 до 16 мм (рис. 3).
Рис. 3. Расположение дефектов на отливках
Для более полного понимания процесса трещинообразования были проведены фрактографические исследования излома трещины. На поверхности излома по раскрытой трещины наблюдаются гребни, излом макрохрупкий, транскристаллитный (рис. 4), что свидетельствует об усталостном разрушении вследствие высоких внутренних напряжений.
Металлографический анализ показал, что в структуре имеются включения карбидов и интерметалли-дов. Интерметаллидные фазы располагаются точечно по всему сечению зерен, в то время как карбиды расположенны в виде сетки по границам зерен и имеют вытянутую призматическую форму размерами до 10 мкм (рис. 5, а).
Рис. 4. Фотография излома сплава ЖС3ДК по раскрытой трещине (х 16)
а
- .о-
о
б
Рис. 5. Микроструктура сплава ЖС3ДК: а - карбидная сетка по границам зерен; б - трещина, протекающая по границе зерна
Скопление карбидов является концентраторами напряжений, вследствие чего около границ зерен наблюдается повышенная твердость по сравнению с металлом зерна, что приводит к возникновению напряжений по границам зерен и образованию трещин (рис. 5, б).
С помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ, локальный рентгеноспектральный анализ выполнен С. В. Пономаревой) на поверхности шлифа проведено локальное измерение химического состава (рис. 6). Из полученных результатов следует, что по границам зерен наблюдаются выделения карбидов, карбонитридов, интерметаллидов (см. таблицу).
Анализ полученной информации с помощью фрактографии, оптической и электронной микроскопии позволяет утверждать, что разрушение изделия происходит вследствие выделения вторичных фаз по границам зерен [2; 4-6].
Локальный химический состав сплава ЖС3ДК в некоторых зонах, в весовых %
Спектр Al Si Ti Cr Co Ni Mo W
Спектр 1 9,81 2,00 3,43 15,28 6,22 60,56 2,70
Спектр 2 70,83 21,16 8,00
Спектр 3 2,42 8,04 24,23 22,34 37,13 5,84
Спектр 4 59,37 2,59 11,16 18,25 8,63
Спектр 5 3,42 28,70 8,74 43,37 15,78
Спектр 6 13,75 5,64 7,70 67,52 5,39
Макс. 13,75 2,00 70,83 28,70 7,70 67,52 43,37 15,78
Мин. 2,42 2,00 3,42 2,59 6,22 8,74 2,70 5,84
Карбиды не смачиваются расплавом, поэтому межу ними и у-твердым раствором существует очень слабая связь. Имея меньший коэффициент линейного расширения, чем твердый раствор, карбиды являются интенсивными концентраторами напряжений и источниками зарождения микротрещин.
Г 50МИГП 1 ЭПАКТРС»»*» HJOÎpï^ÎmÎ 1
Рис. 6. РЭМ-фотография шлифа с указанием мест локального химического анализа
Также при термической обработке происходит дестабилизация структуры, которая заключается в том, что во время термической обработки или в процессе эксплуатации сплава карбиды претерпевают сложные превращения: один тип карбидов превращается в другой с изменением морфологии и доли объемной фазы. Ряд легирующих элементов матрицы связывается в карбиды, и тем самым происходит обеднение твердого раствора.
Библиографические ссылки
1. Дубровский В. А. Жаропрочные сплавы // ПНИПУ. 2013.
2. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progr. in Mater Sci. 2006. Vol. 46.
3. Конструкционные материалы ядерной техники / Б. А. Калинин, П. А. Платонов, И. И. Чернов, Я. И. Штромбах. М. : МИФИ, 2008. Т. 6, ч. 1. 672 с.
4. Benjamin J. S. In New Materials by Mechanical Alloying, ed. by E. Artz and L. Schultz. Deutsche Geshellschaft Metallkunde, 1988. S. 3.
5. El-Eskandarany M. S., Mahday A. A., Ahmed H. A., Amer A. H. Synthesis and characterizations of ball-millednanocrystalline WC and nanocomposite WC-Co powders and subsequent consolidations // J. All. Comp. 2000. Vol. 312. Р. 315.
6. Nersisyan H. H., Won H. I., Won C. W., Lee J. H. Study of the combustion synthesis process of nanostructured WC and WC-Co // Mater. Chem. Phys. 2005. Vol. 94. Р. 153.
References
1. Dubrovnoy V. А. HRSA// PNIPY 2013.
2. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progr. in Mater Sci., 2006. Vol. 46.
3. Tom 6. Section 1. Structural materials of nuclear engineering / B. А. Kalinin, P. А. Platonov, I. I. Chernov, Ia. I. Shtrombah. М. : MIFI, 2008. 672p.
4. Benjamin J. S. In New Materials by Mechanical Alloying, ed. by E. Artz and L. Schultz. Deutsche Geshellschaft Metallkunde, 1988. Р. 3.
5. El-Eskandarany M. S., Mahday A. A., Ahmed H. A., Amer A. H. Synthesis and characterizations of ball-millednanocrystalline WC and nanocomposite WC-Co powders and subsequent consolidations // J. All. Comp., 2000. Vol. 312. Р. 315.
6. Nersisyan H. H., Won H. I., Won C. W., Lee J. H. Study of the combustion synthesis process of nanostructured WC and WC-Co // Mater. Chem. Phys., 2005. Vol. 94. Р. 153.
© Лекарев А. В., Буркин А. Е., Жереб В. П., Ковалева А. А., 2015
