CC BY
10ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ОРИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ
В. Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск
Многие важные технологические процессы обработки готовых изделий из металлических материалов предполагают необходимость нагрева их до высоких температур, соответствующих температуре образования жидкой фазы. Если жидкая фаза присутствует в локальных микрообъемах. а время ее существования измеряется секундами и тем более долями се кунд, то в этом случае структур\, образующуюся из жидкого состояния, обычно считают приемлемой. В то же время следует признать, что даже кратковременное присутствие локальных объемов металла в виде расплава негативно отражается на комплексе важнейших свойств деталей машин и элементов конструкций. В результате первичной кристаллизации из расплава эти небольшие объемы материала приобретают характерную литую структуру с большим количеством дефектов. Количество дефектов, их размеры и форма определяют степень снижения механических и эксглуатационных свойств. Наибольшее влияние на степень снижения конструктивной прочности материала оказывают поры, грубая кристаллическая структура с наличием дендритов, неоднородность химического и фазового состава; микропоры и микротрещины, хрупкие фазы, дефекты кристаллического строения. Перечисленные дефекты условно могут быть разделены на дефекты различного масштабного уровня: макро-, мэзо-и микродефекты. С увеличением масштабного уровня дефектов возрастает степень их влияния на уровень снижения конструктивной прочности материала. В первую очередь, недопустимыми являются грубая кристаллическая структура с наличием пор, трещин, дендритов. Эти дефе^ы снижают конструктивную прочность материала практически в любых условиях эксплуатации.
Исследование особенностей формирования структуры металлических гетерогенных материалов, представляющих собой многофазные системы, при нагреве их локальных объемов источниками энеогии высокой концентрации актуально с позиций технологического обеспечения комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств. Задачу формирования структуры и свойств локальных объемов материала, подвергнутых высокоэнергетическому воздействию, можно рассматривать в двух аспектах (рис. 1). Первый аспект актуален для поверхностной закалки, процессов упрочнения покрытиями или модифицирования поверхностных слоев, второй - для процессов сварки, пайки, наплавки слоев металла, восстанавливающих геометрические размеры элементов деталей.
Задача изменения комплекса механических и улучшения эксплуатационных свойств локальных объемов
обрабатываемого или вновь формируемого материала при сохранении уровня конструктивной прочности исходного материала посредством нагрева источниками концентрированной энергии не может быть сведена только к оптимизации температурно-временных режимов. Так, например, при термической обработке углеродистых ста
Термическая обработке с использованием источников концентрированной энергии
Модиф ицировахие поверхностных сиоов
Наплавка защитных упрочняющих
покрытий
1. Изменение комплекса механических и досплуатационных свойств локальных объемов обрабатываемого или вновь формируемого материала при сохранении уровня конструктивной прочности исходного
Наплавка покрытий, восстанавливающих геометрию изделий
Сварка
2. Получ оние структуры и свойств материала в зоне расплава, полностью соответствующих исходным
Рис. 1. Технологии с испольгчпяянирм нагрева источниками энергии высокой концентрации и обобщенные задачи, которые необходимо решить при их использовании
лей существенное влияние на формируемые структуру и свойства оказывает их исходная структура. При закалке сталей с использованием нагрева электронным лучом, лазерным лучом или токами высокой частоты температуры в поверхностном слое могут составлять величины, близкие к температурам плавления. Время действия высоких температур измеряется секундами и долями секунд, а градиенты температур достигают сотен градусов на милиметр. Если в этих условиях за<аливается сталь с грубой исходной структурой, то высока вероятность охрупчивакия поверхностных слоев, подвергаемых термической обработке. В частности, в заэвтектоидных сталях наличие грубых цементитных пластин может язиться причиной возможности протекания эвтектических реакций с образованием локальных объемов жидкой фазы и лйдебури I ных колоний (рис. 2), так как время для растворения этих пластин оказывается недостаточным. При электронно-лучевой закалке эвтектоидных сталей могут подплавляться границы зерен поверхностного слоя (рис. 3) [1]. Эффективным способом исключения охрупчи-вания поверхностного слоя при закалке с электронно-лучевым или лазерным нагревом является микролегирование титаном и ниобием (в пределах 0,06...0,1 %) [1, 2].
9
¡ймшШМШЙФ.
IШк\ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 2. Ледебуритные колонии, образовавшиеся на месте грубых цементитных пластин при электронно-лучевой обработке (сталь У8, дополнительно насыщенная углеродом в твердом карбюризаторе в течение 8 часов при 1100' С)
Рис. 3. Камневидный излом по границам аустенитного зерна после электронно-лучевой обработки стали У8
Наплавка защитных упрочняющих покрытий, направленная на улучшение физико-механических и эксплуатационных характеристик поверхностного слоя, позволяет сочетать свойства основы со свойствами материала упрочняющего покрытия. Это сочетание тем эффективнее, чем более разви~а и бездефектна переходная зона между ними. Управляя химико-термическими и диффузионными процессами, имеющими место при наплавке, можно управлять толщиной и свойствами переходной зоны. Так, например, при формировании покрытий на поверхности стальных изделий оплавлением порошковых вольфрамокобальтовых смесей управление толщиной и структурой переходней зоны обеспечивается предварительной химико-термической обработкой поверхностного слоя упрочняемого стального изделия. Наиболее эффективным является борирование, режимы которого в сочетании с режимами оплавления определяют толщину переходной зоны. При этом в структуре переходной зоны исключаются дефекты в виде сложных карбидов \М3Ре3С, обладающие низкой пластичностью (рис. 4 а). Высокие плотности энергии и малые времена нагрева предъявляют особые фебованин к исходной ырумурц как наплавляемого материала, так и основы. Неравномерность химического состава поверхностного слоя упрочняемой основы л наличие структурных дефектов в нем могут привести к образованию проплавов (рис. 4 б, в). Чаще всего проплавы образуются в местах скопления дефектов основного метала: по межзеренным границам и неметаллическим включениям [3].
Сталь У8 + ВК8 б
Рис. 4. Сложные хрупкие карбиды (а) и проплавы (б, в) по дефектам структуры основного металла после оплавления твердосплавной порошковой смеси
www.betro.ru
ШТАМПОВКА
Оказываем услуги по штампозке листового металла: РАСКРОЙ; ГИБКА; ВЫТЯЖКА
Специальное предложение!!! Перфорация листового металла мелкими партиями
Производство
в Бердске, тел. (38341) 3-04-08 тел./факс: (38341) 3-11 -Об, 4-45-85 E-mail: apushkarev@rambler.ru
10 № 4 (33) 2006
ТЕХНОЛОГИЯ
©БРАБОТКАНЕТАЛЛОВ
Рис. 5. Общая схема структурных изменений в сварном соединении, полученном лазерной сваркой низкоуглеродистой стали
Процессы сварки и наплавки слоев металла, восстанавливающих геометрические размеры элементов деталей, предусматривают обязательное расплавление локальных объемов материала изделия. При этом желательно, чтобы свойства вновь сформированных локальных объемов материала не уступали свойствам исходного. Материал изделия, как правило, имеет уже окончательно сформированную структуру. После сварки или наплавки в результате расплавления и последующей первичной кристаллизации локальных объемов материала изделия формируется структ/ра, прочностные и эксплуатационные свойства которой хуже, чем у основного материала. Разница между свойствами основного металла и оплавленного увеличивается при использовании на'рева источниками энергии высокой концентрации. Например, электронно-лучевая и лазерная сварка, с одной стороны, обеспечивают высокую локализацию зоны расплава вплоть до формирования «кинжального шва», что должни положительно сказываться на прочностных характеристиках полученного соединения. С другой стороны, эта локализация связана с высокой плотностью энергии и перегревом отдельных зон расплава, высокими градиентами температуры в зоне расплава. В результате интенсифицируются конвекционные процессы, химико-термические взаимодейстзия,
Рис. 6. Образование в сварном шве стали 12Х18Н10Т после лазерной сварки хрупких фаз, содержащих Т1 (до 85 %) и N1
диффузионные процессы и процессы ликвации. Степень влияния высокой плотности энергии на дефектность формируемой при сварке структуры тем вьше, чем ниже температура плавления металлического сплава и чем больше разница в физических свойствах его компонентов. Так, например, при лазерной сварке встык листовой низкоуглеродистой стали, кроме сформированной из расплава зоны, наблюдается широкая зона термического влияния с ярко выраженными зонами (рис. 5) [4], имеющими как зоны, улучшающие свойства и структуру исходного материала, так и зоны дефектной структуры, приводящие к возникновению трещин еще на стадии охлаждения без приложения внешней нагрузки.
Использование инокуляторов в виде наноразмерных порошков тугоплавких соединений, вводимых в зону расплава, позволяет обеспечить мелкозернистую структуру в зоне шва, а дополнительная термомеханическая обработка сварных швов и зон термического влияния дает возможность сформировать структуру, обеспечивающую высокий уровень конструктивной прочности.
При сварке титановых сплавов и нержавеющих хромо-никелевых сталей зона термического влияния выражена слабо [5]. Дефектность структуры, сформированной из расплава, приводит к снижению ударной вязкости материала. Отдельные режимы сварки могут приводить к появлению хрупких фаз. Например, несмотря на то, что после лазерной сварки встык листов из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н10Т предел прочности шва на разрыв находится на уровне основного материала (540...560 МПа), уровень ударной вязкости снижается до 12,82 Дж/см2, что составляет менее 40 % от ударной вязкости исходного материала. Это объясняется повышенной концентрацией легирующих элементов в зоне сварного шва (рис. 6) и образованием хрупких фаз, содержащих до 85 % титана. Снижение активности процессов ликвации и исключение образо-
ВЦ| ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
вания таких дефектов может быть обеспечено введением инокуляторов и дополнительным энергетическим воздействием на расплав.
Более серьезные проблемы возникают в случае лазерной сварки сплавов из легкоплавких металлов. Помимо формирования дендритной структуры и образования широкой зоны термического влияния имеет место переход отдельных компонентов сплава в газообразное состояние с образованием мелких и крупных пор [6]. Высокая химическая активность химических элементов, входящих в эти сплавы, требует особьх технологических мероприятий не только по исключению контакта расплавленного металла с воздушной атмосферой, но и исключению окисных пленок и адсорбированных молекул влаги на поверхности исходного материала. Оптимизация структуры и свойств материала сварных шеов при лазерной сварке алюминиевых сплавов может быть достигнута при использовании флюсов и дополнительного энергетического воздействия ультразвуковыми колебаниями, обеспечивающими облегчение выхода газовых Пузырьков.
Выводы
1. При разработке технологий поверхностного упрочнения слоев с использованием источников энергии высокой концентрации необходимо учитывать исходную структуру обрабатываемого материала как важнейший фактор, определяющий структуру и свойства формируемого поверхностного слоя. Недопустимой является грубая крупнозернистая структура с неравномерным распределением фаз и повышенно? концентрацией неметаллических включений в отдельных микрообъемах.
2. Использование источников энергии высокой концентрации в технологиях сварки гетерогенных металлических материалов или наплавке покрытий, восстанавливающих геометрию изделий приводит к появлению макродефектов в структуре материала после кристаллизации. Обе-
ТЕХНОЛОГИЯ
спечение структуры и свойств этих локальных объемов материала, соответствующих структуре и свойствам исходного, может быть достигнуто за счет дополнительного энергетического воздействия на материал в процессе кристаллизации в сочетании с дополнительной термомеханической обработкой.
Список литературы
1. Тушинский Л.И., Батаева Е.А. Влияние высокоскоростного нагрева на однородность CTpvKTypb« поверхностных слоев углеродистых сталей// Обработка металлов. - 2005. - № 4 (29). -с. 29-31.
2. Батаева Е.А., Кручинин A.M., Буров В.Г., Батаев A.A., Веселое C.B. Влияние микролегирования на структуру поверхностного слоя стали при высокоэнергетическом воздействии. Обработка металлов// Обработка металлов. - 2005. - No 3 (23). - С. 20.
3. Буров В.Г., Батаев A.A., Тюрин А.Г., Буров C.B., Веселое C.B., Батаев И.А. Влияние режимов предварительной хи-мико-термической обработки на свойства стали, упрочненной покрытием на основе порошковой смеси WC-Co// Ползунсв-ский вестник. - 2005. - № 2. - С. 4-9.
4. Оришич A.M., Головин Е.Д., Буров В.Г., Батаев A.A., Афонин Ю В, Огнев А.Ю. Особенности формирования сварных швов при лазерной сварке углеродистых сталей// ОЬраЬотка металлов. - 2005. - № 4 (29). - с. 13-14.
5. Огнев А.Ю, Буров В.Г., Черепанов А.Н. Лазерная сварка хромоникелевых сталей. Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 23 марта 2006 г.). - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - С. 207-209.
6. Оришич A.M., Батаев И.A., Bvpoe В.Г., Батаев A.A., Афонин Ю ВШихалев Э.Г. Причины охрупчивания сварных швов при лазерной сварке алюминиевых сплавов// Обработка металлов. -2005. - №4(29). -с.8 -10.
РАСЧЕТ СКОРОСТИ РОСТА АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКПН НАГРЕПА
В. В. ИВАНЦИВСКИЙ, доцент, канд. техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск
При использовании концентрированных источников нагрева для поверхностной закалки сталей особая роль в области назначения режимов обработки отводится решению вопроса прогнозирования глубины упоочненного слоя. При этом определяющим с точки зрения выбора режима нагрева является процесс образования аустени-та, состав и размер зерен которого определяют последующую в процессе охлаждения структуру маотенсита. В этом случае режим нагрева должен быть подобран таким образом, чтобы длительность нагрева была достаточной для завершения процесса аустенитизации на необходимой глубине материала. Осуществление данного подхода
в настоящее время происходит путем последовательного моделирования сначала тепловых процессов, а затем процессов аустенитизации сталей.
Одна<о в отличие от решения тепловой задачи, численное решение которой не вызывает больших затруднений, моделирование процесса аустенитизации стали, встречающееся в технической литературе, осуществляется по разным методикам. Это связано, прежде всего, с выбором механизма образования и роста аустенита. Наибольшее распространение при моделировании процесса аустенитизации стали в условиях скоростного нагрева получил так называемый диффузионный механизм.
12 1 №4(33)2005
