CC BY
23
-------------------□ □----------------------
Представлені результати досліджень газодинамічного впливу на струк-
туроутворення та фізико-механічні властивості металу виливків із вуглецевої, інструментальної штампової, швидкорізальної сталей та алюмінієвого сплаву. Виливки різної конфігурації виготовляли в кокілях та в оболонкових багатошарових формах лиття по витоплюваним моделям. Показана доцільність використання газодинамічного впливу для поліпшення якості литого металу
Ключові слова: газодинамічний вплив, м і кроструктура, металографі чні
дослідження, механічні властивості
□---------------------------------------□
Представлены результаты исследований газодинамического воздействия на структу-рообразование и физико-механические свойства металла отливок из углеродистой, инструментальной штамповой, быстрорежущей сталей и алюминиевого сплава. Отливки различной конфигурации изготавливали в кокилях и в оболочковых многослойных формах литья по выплавляемым моделям. Показана целесообразность использования газодинамического воздействия для улучшения качества литого металла
Ключевые слова: газодинамическое воздействие, микроструктура, металлографические исследования, механические свойства -------------------□ □---------------------
УДК 620.18:621.746
ДОСЛІДЖЕННЯ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ВПЛИВУ НА ЯКІСТЬ ВИЛИВКІВ ПРИ ДИВЕРСИФІКАЦІЇ УМОВ ЗАТВЕРДІННЯ
В.Ю. Селівьорстов
Доктор технічних наук, професор Кафедра ливарного виробництва Національна металургійна академія України пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600 Контактний тел.: (056) 374-83-67 Е-mail: [email protected]
Вступ
По мірі загострення проблем, пов’язаних з необхідністю глобального енергозбереження, на тлі поступового вичерпування первинних ресурсів, а також зростаючої номенклатури і об’єму товарної продукції машинобудування, все більшу важливість набувають питання підвищення якості литих заготовок при одночасному зниженні метало- і енергоспоживання на їх виробництво. Одним із шляхів підвищення якості литого металу є використання тиску в процесі кристалізації. Відомо, що найбільш ефективною є передача наростаючого тиску в двофазну зону, особливо наприкінці періоду твердіння [1, 2]. Цим вимогам відповідає розроблена на кафедрі ливарного виробництва НМетАУ технологія газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі.
Аналіз попередніх публікацій та постановка задачі
Технологія газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі реалізується при використанні газо-
вого тиску в діапазоні, переважно, 0,1 - 20 МПа без застосування складного спеціального устаткування, і може бути легко вбудована в діючий технологічний процес [3 - 7]. Окрім того, розроблена технологія може бути реалізованою для всіх найбільш вживаних способів лиття, таких як: лиття в об’ємну піщану форму, лиття в кокіль, лиття по витоплюваним моделям та при виробництві злитків [3, 8 - 10]. Проте, для визначення ефективності газодинамічного впливу на розплав, що твердіє, потрібне дослідження значної кількості фізи-ко-технологічних параметрів литого металу, до числа найбільш значущих з яких можна віднести структуру і фазовий склад. Тому проведення експериментальних досліджень структуроутворення та фізико - механічних властивостей металу виливків, отриманих безпосередньо в промислових умовах із застосуванням традиційної та розробленої технологій, є актуальним завданням.
Метою досліджень є порівняльний аналіз структури та фізико - механічних властивостей металу виливків із вуглецевої, інструментальної штампової сталей та алюмінієвого сплаву, що виготовлені в кокілях, а
також швидкорізальної сталі, що виготовлені в формах лиття по витоплюваним моделям (ЛВМ), за традиційною технологією та з використанням газодинамічного впливу (ГДВ).
Результати досліджень
Металографічні дослідження зразків сталі 35Л виливків циліндричної форми діаметром 250 мм, одержаної з використанням ГДВ до 3 МПа показали, що ферито-перлітна структура сталі стає більш наближеною до рівноважної (рис. 1), відповідає 3 - 4 балам в порівнянні з металом, одержаним за традиційною технологією лиття в кокіль (5 - 6 бал).
Традиційна технологія ГДВ
х100 1 х 500 х100 х 500
Р: f 11
Рис. 1. Мікроструктура сталі 35Л х 0,13
Мікротвердість структурних складових зразків сталі майже не змінюється після ГДВ для феритної складової, і дещо збільшується для перлітної складової: з 1400 - 2000 МПа для перліту і 1500 - 1600 МПа для фериту, до 1500 - 2000 МПа для перліту та 1500 - 1800 МПа для фериту.
Після ГДВ тимчасовий опір сталі підвищується з 600 - 700 МПа до 710 - 750 МПа, твердість підвищується з 207 - 217 НВ до 219 - 247 НВ, відносне подовження литого металу збільшується з 8,5 - 11 % до 13 - 15 %, щільність з 7778 - 7780 кг/м3 до 7820 - 7826 кг/м3.
При проведенні статистичного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків темплетів виливків із сталі 35Л, одержаної за традиційною технологією лиття в кокіль і при різних режимах ГДВ (середній швидкості нарощування тиску в системі виливок-пристрій для введення газу ^р) та максимальному тиску (Р) аргону), зображення умовно розділили на зони відповідно до кінетики твердіння виливка (рис. 2) та обробляли за допомогою спеціально розробленої комп’ютерної програми «АЗІтргі^з» [11]. Аналіз показав, що зі збільшенням тиску до 3 МПа кількість сульфідних включень зростає, а середній розмір включення зменшується: у вісьовій зоні виливка в ~ 6,5 разів, в радіальній - в ~ 20,6 разів, в периферійній - в ~ 1,2 рази (рис. 3).
Основними структурними складовими інструментальної штампової сталі Х18Ф1Л після газодинамічного впливу є ферит і карбіди (рис. 4).
Після ГДВ дендрити первинного фериту більш розгалужуються і збільшується диференціювання евтектики Ф + ^е,Сг)7С3. Мінімальна величина перетину дендритних вісей фериту спостерігається на зразках, що вирізані як із периферійної частини темплету, так і з середньої частини.
Зменшується міжпластинчаста відстань.
З підвищенням тиску до 4 МПа кількість хрому і легуючих елементів в карбідній евтектиці росте, а
ступінь ліквації зменшується, за винятком ванадію і кремнію. При підвищенні тиску до 6 МПа вміст хрому в фериті та в карбідній евтектиці зменшується, а заліза збільшується, що призводить до формування карбідної евтектики на базі карбідів Сг23С6 і легованого (Сг^е)7С3.
1 /
1
] .Радіальна
іона^/'
/’fy Периферійна їона
0 100 200 300 400 500 600 700 Т,с
Рис. 2. Кінетика твердіння виливка із сталі 35Л та схема розташування досліджуваних зон
B сталі у вихідному стані окрім фериту і карбіду Cr7C3 присутні оксидні фази (Fe2O3), що відсутні після ГДB. твердість сплаву з підвищенням тиску при ГДB до 4 МПа росте, а при подальшому підвищенні тиску до 6 МПа - повертається до початкових значень. Після ^B і термообробки тимчасовий опір сталі збільшується з 120 - 125 МПа до 151 - 158 МПа, ударна в’язкість - з 20 -22 Дж/см2 до 31 - 36 Дж/см2. Щільність сталі після ГДB підвищується з 7216 - 7360 кг/м3 до 7698 - 7711 кг/м3.
Результати механічних випробувань зразків сталі Р18Л виливків циліндричної форми діаметром 25 мм та висотою 200 мм, що твердіє в формі ЛBМ при ^3,B і диверсифікації режимів здійснення технології, показали підвищення механічних властивостей металу при використанні діапазону тиску від низького (0,1 - 0,3 МПа) до більш високого (0,1 - 3 МПа): тимчасовий опір збільшується з 1697 - 1750 МПа до 1926 - 2040 МПа, твердість після гартування та відпуску - з 52 - 54 HRC до 57 - 61 HRC, відносне подовження - з 2,47 - 2,49% до 3,13 - 3,15% , а також збільшується щільність з 8743 -8750 кг/м3 до 8777 - 8901 кг/м3. У мікроструктурі литої швидкорізальної сталі в результаті газодинамічного впливу структурна неоднорідність має вид тоншої сітки евтектики по границях зерен, на відміну від грубої сітки евтектичних і вторинних карбідів по границях зерен металевої основи зразків литого сплаву, одержаного за традиційною технологією.
Таблиця 1
Механічні властивості виливків із сплаву АК5М
№ зразка °в, МП а HB s, %
тт ^B тт raB тт ^B
1 162,2 185,2 70 73 1,0 1,27
2 161,8 184,8 68 72 0,9 1,26
3 162,1 185,3 68 73 0,9 1,27
З
Зони перетину виливка
радіальна периферійна
«З 5 ^ 95
8 ср = 0,065325 мм2
8 ср = 0,055961 мм2
8 ср = 0,002339 мм2
а
„г Е
% в
а
р
>
8 ср = 0,049886 мм2
8 ср = 0,014878 мм2
8 ср = 0,001559 мм2
8 ср = 0,018884 мм2 8 ср = 0,011727 мм2 8 ср = 0,000747 мм2
З
к
в3
ч »
с а
р
>
8 ср = 0,010001 мм2
8 ср = 0,002716 мм2
8 ср = 0,001930 мм2
Рис. 3. Фрагменти сірчаних відбитків темплетів виливків із сталі 35Л плавок
№№ 1 - 4 х 1,8
г
Рис. 4. Мікроструктура сталі Х18Ф1Л, що тверділа в кокілі при атмосферному тиску (а) та при ГДВ за різними режимами: б — Vp = 0,002 МПа/с,
Р = 2 МПа; в - Vp = 0,0045 МПа/с,
Р = 4 МПа; г - Vp = 0,007 МПа/с,
Р = 6 МПа; х 100 х 0,13
Встановлено підвищення механічних властивостей фасонного виливка «Опорний наконечник стійки конвеєра» масою 1,1 кг із сплаву АК5М, що твердіє в кокілі при газодинамічному впливі, у порівнянні з традиційною технологією (ТТ) (табл. 1).
Впровадження розробленої технології в умовах ЗАТ «Горизонт» (м. Дніпропетровськ) дозволило скоротити кількість браку по шпаристості та газовим раковинам на 28 %.
Висновки
Встановлено підвищення якості металу виливків в результаті використання розробленої технології в порівнянні з традиційними.
1. Ферито-перлітна структура сталі 35Л, одержаної
з використанням газодинамічного впливу до 3 МПа стає одноріднішою, відповідає 3 - 4 балу, в порівнянні з традиційною технологією лиття в кокіль (5 - 6 бал), тимчасовий опір сталі збільшується на 10 - 12 %, твердість -на 5 - 12 %, відносне подовження - на 30 - 40 %.
Е
2. В результаті газодинамічного впливу в діапазоні тиску 1 - 6 МПа при твердінні в кокілі сталі Х18Ф1Л, з підвищенням тиску до 4 МПа, перетин дендритних вісей фериту зменшується, в середньому, на 7%, що свідчить про формування щільнішої, м ікрокристалічної та однорідної структури. Після газодинамічного впливу та термообробки тимчасовий оп ір сталі збільшується більш ніж на 20 %, на 30 - 36 % збільшується ударна в’язкість, на 3 - 5 % - твердість.
3. Результати механічних випробувань зразків сталі Р18Л, що твердіє в формі ЛВМ при різних режимах газодинамічного впливу, показали, що зі збільшенням тиску від 0,1 МПа до 3 МПа механічні властивості металу збільшуються: тимчасовий опір - на 11 - 14 %,
твердість - на 9 - 12 %, відносне подовження - на 19 -21 %.
4. Механічні властивості алюмінієвого сплаву АК5М фасонного виливка, що твердіє в кокілі, також підвищуються в результаті газодинамічного впливу: тимчасовий опір - на 11 - 12 %, твердість - на 4 - 6 %, відносне подовження - на 26 - 27 %. Кількість браку виливків по шпаристості та газовим раковинам знизилася на 28 %.
5. Результати проведених досліджень дозволяють проводити оптимізацію режимів газодинамічного впливу в залежності від вимог до рівня властивостей металу виливків.
Література
1. Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами /Г.П.Борисов. - Киев.: изд. Наук. Думка, 1988. - 272 с.
2. Ефимов В.А. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов /В.А. Ефимов, А.С. Эльдарханов. - М.: Металлургия. - 1995. - 272 с.
3. Селиверстов В.Ю. Технология газодинамического воздействия на расплав в литейной форме - один из перспективных способов повышения качества металла отливок // Сучасні проблеми металургії. Наукові праці. 2007. - Том 10. - С. 25 - 35.
4. Пат. 28858 Україна, МПК (2006) В22D 18/00. Спосіб отримання виливків / Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В. - № 200708968; заявл.03.08.2007; опубл. 25.12.2007, Бюл.№21.
5. Пат. 28859 Україна, МПК (2006) В22D 18/00. Пристрій для отримання виливків / Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В. - № 200708969; заявл.03.08.2007; опубл. 25.12.2007, Бюл.№21.
6. Спосіб отримання виливків [Текст]: Деклараційний патент, Україна МПК (2006) В22D 18/00 / Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В. Заявник та патентовласник Національна металургійна академія України - № 200808859; заявл.07.07.2008; опубл. 10.12.2008, Бюл. №23.
7. Пристрій для отримання виливків [Текст]: Деклараційний патент, Україна МПК (2006) В22D 18/00 / Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В. Заявник та патентовласник Національна металургійна академія України - № 200808858; за-явл. 07.07.2008; опубл. 10.12.2008, Бюл. №23.
8. Селівьорстов В.Ю. Особливості розрахунку газодинамічного впливу на метал, що твердіє в кокілі [Текст]// Теорія і практика металургії. - 2009. - № 1-2. - С. 41 - 45.
9. Селівьорстов В.Ю. Використання технології газодинамічного впливу на розплав при литті по витоплюваним моделям [Текст]/В.Ю. Селівьорстов, П.Д. Кущ. //Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. - Харків: НТУ «ХПІ» - 2010. - № 4 - С. 89 - 94.
10. Пат. 55301 Україна, МПК (2009) В22D 18/00. Спосіб для отримання виливків [Текст]/ Селівьорстов В.Ю., Хричиков В.Є., Доценко Ю.В., Кущ П.Д., Савега Д.О. № и201006702; заявл. 31.05.2010, опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23.
11. Комп’ютерна програма «А8Ітргі^8 - Аналіз сірчаних відбитків» [Текст]/Селівьорстов В.Ю., Михайловська Т.В. -№ 28879; дата реєстрації 25.05.2009.
Abstract
The technology of the gas-dynamic influence on the melt in the mold, developed at the Department of foundry of the National metallurgical academy of Ukraine, can transmit the growing gas pressure inside of the cast through the two-phase zone to the solidification front up to the complete solidification of the metal. It is implemented without the complicated special equipment and can be easily integrated into the current technological process. However, the definition of effective impact on solidifying melt study suggests a research of significant amount of physical and technological parameters of cast metal, one of the most significant of which includes the structure and phase composition. This article provides a comparative quantitative analysis of the structural components and mechanical properties of metal castings from carbonaceous, die and fast-cutting steel, aluminum, which are made in metal molds, as well as in the forms of casting according to traditional techniques and using the gas-dynamic effects in different modes. An increase of the mechanical properties of cast metal in all cases and the reasonability of using gas-dynamic effects, in order to improve the quality of cast metal, was indicated. The research results concerning the distribution of sulfide inclusions in castings from carbonaceous steel, were obtained directly in an industrial environment with the use of traditional and developed technology. The possibility of optimization of the modes of gas-dynamic effects, depending on the requirements for the properties of the cast metal was indicated Key words: gas-dynamic effect, microstructure, metallographic research, mechanical properties
3
