CC BY
37
УДК 669.1
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ ЗАГОТОВОК, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ*
А.Н. Аникеев, В.И. Чуманов, И.В. Чуманов
ANALYSIS OF STRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF DISPERSION-STRENGTHENED BILLETS OBTAINED BY CENTRIFUGAL CASTING
A.N. Anikeev, V.l. Chumanov, I.V. Chumanov
Одним из перспективных направлений упрочнения металлических материалов является дисперсное упрочнение. В рукописи приведены результаты исследований макроструктуры и химического состава заготовок, дисперсно-упрочнённых карбидами вольфрама и кремния, полученных методом центробежного литья.
Ключевые слова: центробежное литьё, дисперсное упрочнение, структура, химический состав.
One of perspective directions of strengthening metallic materials is dispersion strengthening. The paper describes results of studies of macrostructure and chemical composition of dispersion strengthened billets containing tungsten and silicon carbides obtained by centrifugal casting.
Keywords: centrifugal casting, dispersion strengthening, structure, chemical composition.
Общеизвестно, что наличие в структуре металлических материалов твёрдых тугоплавких мелкодисперсных частиц является одним из наиболее перспективных путей увеличения эксплуатационных характеристик современных материалов [1]. Исследования показывают, что стали и сплавы, в структуре которых присутствуют тугоплавкие мелкодисперсные частицы (например, карбиды), придают материалам более высокие механические свойства, чем те же материалы, не имеющие в своей структуре фаз внедрения. Так, по данным работы [2] присутствие твёрдофазных частиц приводит к увеличению износостойкости на 14 % по сравнению с неупрочнённой сталью. Несмотря на то, что введение мелкодисперсных карбидов в жидкий металлический расплав представляется достаточно сложной задачей (из-за разности плотностей вводимых частиц и упрочняемого материала), изучение влияния вводимых частиц на структуру и химический состав материала, подвергаемого дисперсному упрочнению, весьма интересно.
В настоящей работе приводятся результаты анализа структуры и химического состава заготовок, полученных способом центробежного литья, упрочнённых полидисперсными синтетическими карбидами.
Для введения в упрочняемый материал твёрдофазных частиц разработана и реализована технология, представляющая собой подачу двух видов карбидов (вольфрама и кремния) с различной плотностью на струю металла при разливке на машине центробежного литья. Результатами применения такой технологии является получение полой трубной заготовки с различным содержанием карбидов по сечению заготовки, а именно: карбиды вольфрама, имея плотность большую, чем плотность металла, под действием центробежных сил формируют карбидный слой у внешней поверхности заготовки; карбиды кремния, имеющие плотность меныоую, чем у металла, формируют карбидный слой на внутренней поверхности заготовки [3]. В результате эксперимента были получены четыре цилиндрические заготовки следующих размеров: наружный диаметр - 135 мм, внутренний - 105 мм, длина - 137 мм. Из полученных заготовок были вырезаны продольные и поперечные темплеты для исследования макроструктуры и химического состава.
Анализ макроструктуры образца заготовки без присадки упрочняющей фазы показал, что литая структура в пределах шлифа не везде одинаковая, довольно грубая, отдельные кристаллиты дос-
* НИР проведена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гт.) (гос. контракт № П1416 от 3.09.09), а также поддержана АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.) № 2.1.27687.
Аникеев А.Н., Чуманов В.И., Чуманов И.В.________________
Анализ структуры и химического состава ______дисперсно-упрочненных заготовок...
тигают значительной протяжённости. На протяжении 3/5 толщины образца макроструктура металла имеет дендритное строение, чётко просматриваются оси 1-го порядка с плотным расположением тонких осей 2-го порядка у внешней поверхности с постепенным их утолщением и большим расстоянием между ними в направлении к внутренней поверхности. Преимущественное развитие дендритных кристаллитов в направлении к внешней поверхности образца позволяет отнести их к столбчатым.
Со стороны внутренней поверхности образца 2/5 толщины имеют структуру равноосных кристаллитов, однако, непосредственно у внутренней поверхности местами можно видеть развитие столбчатых кристаллитов (рис. 1).
Таким образом, следует предположить, что на протяжении 3/5 толщины стенки втулки, где ещё развиты столбчатые кристаллиты, были одни условия кристаллизации - в направлении отвода тепла к внешней поверхности втулки. Затем условия кристаллизации изменились - столбчатые кристаллиты сменились на равноосные. Возможно, кристаллиты и в этой части образца имели какую-то протяжённость под влиянием наносимых слоёв -в направлении формирования слоя металла, то есть в направлении вращения кокиля, а в плоскости шлифа мы получили поперечное сечение этих кристаллитов. Исследование структуры образца показало, что по мере приближения к внутренней поверхности заготовки наблюдается измельчение кристаллитов, что является результатом увеличе-
ния скорости кристаллизации вследствие окончания заливки металла, являющегося источником тепла. Наличие тёмных точек можно объяснить выкрашиванием в процессе порезки и полировки шлифа каких-либо примесей.
Анализ структуры образца втулки с присадкой при разливке упрочняющей фазы позволил констатировать: поверхностный слой втулки чётко дифференцирован, по-видимому, в силу неодновременного поступления жидкого металла и упрочняющей фазы; основная структура и поверхностный слой образца имеют различную травимость, что обусловлено их разным химическим составом. Корковый слой имеет в своей структуре мелкое равноосное зерно, дендриты которого направлены под углом друг к другу. В структуре образца втулки хорошо различимы так называемые пакеты дендритных кристаллитов одинаковых размеров и направленности, расположенные под разными углами друг к другу. Структура с чётким рисунком дендритов занимает примерно 1/2 ширины образца, далее следует структура без явно выраженных кристаллитов и только в краевой области внутренней поверхности образца снова встречаются пакеты дендритных кристаллитов, различно ориентированных по отношению к внутренней поверхности втулки (рис. 2).
Анализ структуры показал: образец с присадкой упрочняющей фазы имеет тонкое строение с плотным расположением составляющих её элементов по сравнению со структурой образца без присадки упрочняющей фазы, что объяеняет-
Рис. 1. Макроструктура образца без присадки упрочняющей фазы, *12,4
Рис. 2. Макроструктура образца с присадкой упрочняющей фазы, *12,4
Серия «Металлургия», выпуск 14
51
Рис. 3. Изменение содержания элементов по ширине образца втулки: 1 - внешний край, 2 - середина, 3 - внутренний край образца
ся наличием вводимых карбидов, частицы которых явились многочисленными центрами кристаллизации.
Исследование химического состава полученных образцов проводили по всей поверхности продольных шлифов. Полученные данные показали неоднородность химического состава по сечению образца с присадкой упрочняющей фазы. Максимальное отклонение против состава исходной плавки имеют углерод, кремний, вольфрам и железо (рис. 3).
Углерод имеет более широкие пределы содержания в краевой зоне поверхности образца, несколько большее содержание и более узкие пределы в центре заготовки, меньшее содержание и меньший разброс в краевой зоне внутренней поверхности заготовки.
Содержание кремния увеличивается в направлении от внешней поверхности образца к внутренней, при этом увеличиваются и пределы его содержания.
Среднее содержание вольфрама по сечению образца имеет примерно один уровень, однако в краевой зоне внешней поверхности содержание его меняется в более широких пределах от 1,069 до 1,400%.
Содержание железа увеличивается к центру заготовки и довольно значительно снижается в краевой зоне внутренней поверхности - 85,17 % против 87,97 % в центре и 87,68 в краевой зоне внешней поверхности заготовки.
Содержание остальных элементов в металлической основе заготовки также имеет некоторые отклонения, однако, эти отклонения не столь значительны (от десятитысячных до стотысячных) и находятся в пределах допуска. Вследствие летуче-
сти марганца как химического элемента содержание его уменьшилось; несколько подросло содержание хрома, титана, ванадия, алюминия, фосфора; отклонение по содержанию как в сторону уменьшения, так и увеличения имеют никель, молибден, медь, ниобий, сера.
Выводы
1. Показано, что структура металла в образцах с присадкой упрочняющей фазы бездефектная и более плотная по всему сечению в сравнении со структурой образца без упрочняющей фазы.
2. Установлено, что химический состав образца втулки с упрочняющей фазой неоднороден по сечению.
3. Наибольшее изменение содержания элементов по ширине образца втулки имеют элементы, составляющие вводимую упрочняющую фазу, что подтверждает наличие данной фазы на внешней и внутренней поверхностях заготовки.
Литература
1. Гольдшмидт, ХД. Ставы внедрения: пер. с англ. / ХД . Гольдшмидт. - М.: Мир, 1971. -Вып. 1. - 464 с.
2. Повышение износостойкости стали путем ввода карбида титан при кристаллизации слитка / В.И. Чуманов, И.В. Чуманов, ДА. Пятыгин, Е.Е. Тельянова // Электрометаллургия. — 2008. -М 2.- С 32-35.
3. О возможности введения твёрдых тугоплавких частиц при получении трубной заготовки методом центробежного литья / А.Н. Аникеев, А.В. Бигеев, Е.Н. Гордеев и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2009. - Вып. 13. -№ 36(169). - С. 24-27.
Поступила в редакцию 1 марта 2010 г.
