CC BY
18
УДК 621.9
Повышение технологических характеристик различных деталей путем дисперсного упрочнения карбидом титана
И. В. Чуманов, А. Н. Аникеев, Т. Р. Абляз
Объектом исследования является дисперсное упрочнение различных деталей частицами карбида титана методом внедрения частиц в пенополистирольные модели. В качестве упрочняемых деталей были выбраны лопатки смесителей жестких бетонных смесей и коронки зуба экскаваторов. Оба вида деталей работают в условиях повышенного износа, что обусловливает необходимость увеличения их абразивной износостойкости. Проведены эксперименты по получению упрочненных деталей, представлено исследование макро- и микроструктуры, а также проведены работы по изучению абразивной изностойкости полученных образцов изделий как в лабораторных, так и в реальных производственных условиях.
Ключевые слова: карбид титана, дисперсное упрочнение, износостойкость, микроструктура, лопатка смесителя, коронка зуба.
Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер, и решением этой проблемы могут стать композиционные материалы [1].
Здесь рассматриваются композиционные материалы, основная матрица которых представляет собой металлический материал, а в качестве упрочняющей фазы выступают тугоплавкие частицы карбидов. Вводимые в расплав дисперсные частицы при кристаллизации измельчают зерно металла, тем самым увеличивая абразивную стойкость [2, 3]. Однако введение в кристаллизующийся расплав дисперсных частиц связано с проблемой неравномерного распределения вводимых частиц по объему металла, что приводит к неравномерности химического состава и неравномерному распределению свойств [4-6].
В статье приведены результаты экспериментов по увеличению абразивной изностойкости различных деталей путем введения в их рабочие поверхности дисперсного карбида титана. Введение частиц в конкретные части деталей обусловлено тем, что именно от них зависит продолжительность работы самой детали и оборудования, на котором она установлена.
Упрочнение лопатки смесителя жестких бетонных смесей СГ-750
В качестве упрочняемой модели выбрали лопатку смесителя СГ-750 [7]. Из пенополисти-рола были изготовлены модели лопаток, в которых на расстоянии 1 см от режущей кромки лопатки, во всю длину, были прорезаны каналы-углубления (рис. 1). В каналы засыпали дисперсный карбид титана, после чего они были запечатаны. В процессе подготовки восьми различных моделей было внедрено 90 г [1 % (мас.)] и 180 г [2 % (мас.)]. После внедрения карбидов все модели были покрашены антипригарной литейной краской и высушены. В качестве упрочняющей фазы использовали
Рис. 1. Общий вид газифицируемых моделей:
1 — порошок TiC в канале-углублении в теле пенополи-стирольной модели
карбид титана плотностью 4,92 г/см3, дисперсностью 0,02—0,35 мкм.
Полученные модели с внедренным карбидом титана соединяли с литниковой системой и укладывали «куст» из восьми моделей в опоку. Модели лопаток располагали таким образом, чтобы дисперсные частицы после расплавления полистирола из-за разницы плотностей карбида и металла всплывали на рабочую кромку лопатки. Для засыпания моделей в опоке использовали сухой кварцевый песок, утрамбованный с помощью вибростола. Чугун заливали сверху в течение 30 с. После заливки продолжительность выдержки опоки составляла 3 ч, этого достаточно, чтобы избежать растрескивания полученных деталей вследствие быстрого охлаждения.
Для вырезки крупных образцов из полученного материала по представленным схемам используется ленточнопильный станок Ergonomie 320.250 DGH [8]. Образцы для исследования макро- и микроструктур полученного материала были запрессованы в смолу с помощью автоматического за-прессовочного пресса Simplimet 1000 фирмы BUEHLER [9], затем отшлифованы и отполированы на шлифовально-полировальном станке EcoMet 250 / 300, оборудованном полуавтоматической насадкой AutoMet 250 / 300
[10]. Макроструктура полученного материала исследуется на наличие раковин, рыхлостей, газовых пузырей, расслоений, трещин и т. д. невооруженным глазом или с помощью лупы, макроструктура — с помощью инвертированного микроскопа С. Zeizz Observer.Dlm
[11], оснащенного комплексом анализатора изображений Thixsomet.PRO. Для определения степени распределения введенной упроч-
няющей фазы по сечению заготовок, состава введенных дисперсных частиц, состава иных структурных составляющих на внешнем и внутреннем крае, а также в середине заготовки применяется электронный микроскоп ^ОЪ ^М-6460 ЪУ [12].
В процессе визуального осмотра полученных лопаток (рис. 2) было выявлено, что все лопатки с содержанием карбида 1 % (мас.) имеют удовлетворительное качество поверхности. В то же время из четырех лопаток с содержанием карбида 2 % (мас.) без признаков внешних дефектов только две (расположенные ближе к питателю). Лопатки с содержанием карбида 2 % (мас.), расположенные дальше от питателя, имеют раковины и рыхлости. Также присутствуют локальные области, в которых располагается нераство-ренный карбид титана.
Из полученных лопаток были выбраны по одной лопатке с предварительной закладкой 1 и 2 % карбида титана (от массы отливки), не имеющих дефектов. Из них были вырезаны образцы для исследования микроструктуры. Образцы вырезали из рабочих кромок (образцы 1.1 и 2.1 соответственно), противоположных (нерабочих) кромок (образцы 1.2 и 2.2 соответственно), а также из участков литниковой системы, прилегающих к лопатке (образцы 1.3 и 2.3 соответственно) для получения данных о распределении карбида титана. Все полученные образцы были отшлифованы и отполированы. Также из центральной части лопаток были вырезаны образцы для исследования абразивной износостойкости — образцы 1.4 и 2.4 соответственно.
При анализе микроструктуры образца 1.1 лопатки с содержанием карбида 1 % (мас.) были обнаружены включения, которые явля-
Рис. 2. Общий вид полученных деталей лопаток с введенными частицами ТЮ
материаловедение и технологии материалов
Й|ЯБРА0ТК1
Рис. 3. Микроструктура образца 1.1 (х 175) Рис. 4. Микроструктура образца 1.1 (х 75)
ются нитридами и карбонитридами титана. Введенный карбид в процессе взаимодействия с кристаллизующимся расплавом трансформировался в карбонитрид (рис. 3).
Наблюдается расположение карбонитри-дов титана россыпью с образованием сплошной линии на плоскости рабочей (режущей) кромки лопатки (рис. 4). Это вызвано тем, что в процессе заполнения формы металлом карбид титана, как и предполагалось, был вынесен на рабочую кромку благодаря более низкой плотности в сравнении с металлом.
В процессе анализа образца с нерабочей кромки лопатки 1.2 были обнаружены кар-бонитриды титана по краям отливки, но не сплошной линией, как в образце 1.1, а отдельными группами (рис. 5). Видимо, это связано
с тем, что в начале заливки в полистирольную модель металл заполняет форму по краям, что вызывает вымывание карбида титана из заранее подготовленного канала-углубления. При исследовании образца, взятого с литниковой системы 1.3, карбонитридов титана не обнаружено. Ни на одном из трех образцов, взятых с лопатки с закладкой карбида 1 % (мас.), не выявлено наличия карбонитрида по площади образца. Отсюда вывод, что введенные частицы не распространились в объеме отливки.
Анализ образца 2.1 показал, что на рабочей кромке отливки карбонитриды не образуют сплошной линии, а расположены небольшими группами (рис. 6).
В то же время при изучении микроструктуры образца 2.2 обнаружены карбонитриды,
\1т
50 100 150 Н| 200 250
300 4
К
350 С^ г 4 }
400 ^^ 450 т ^
50 100 150 200 250 300 350 400 450
[1т
50 100 150 200 250 300 350
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Рис. 5. Микроструктура образца 1.2 (х 250)
400
Рис. 6. Микроструктура образца 2.1 (х 250)
№ 5 (95)/2016
33Д
300 400 500 600 700 800 900
\im
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
50 100 150 200 250 300
350 400 450 500 550
600
-J
Рис. 7. Микроструктура образца 2.2 (х250)
ч*' ^ ^L
Рис. 8. Микроструктура образца 2.3 (х250)
образующие сплошную линию (рис. 7), однако выраженную слабее, чем ту, которая наблюдалась на образце 1.2.
Исследование образца, взятого из литниковой системы, показало наличие в ней кар-бонитридов титана, а также частиц шлака (рис. 8). По данным микроанализа образцов второй лопатки можно предположить, что при закладке 2 % карбида от массы лопатки струя металла «отражается» от заложенного карбидного слоя (частично подмывая его и ассимилируя некоторый процент карбида) и выносит в нижнюю часть лопатки (образец 2.2) и даже частично в литниковую систему.
Таблица 2
Из лопаток, не имеющих дефектов, были вырезаны образцы (1.4 и 2.4 соответственно) для исследования абразивной износостойкости. Износостойкость исследовали способом абразивного истирания вращающимся абразивным кругом, на который ставился образец под нагрузкой. Износостойкость на абразивном круге оценивали в три итерации, по 2 мин каждая. Результаты исследования представлены в табл. 1.
Изностойкость в условиях производства исследовали на оборудовании предприятия ООО «Завод „Стройтехника"». График работы оборудования — 16 ч в сутки без перерыва на выходные дни. Перед установкой на оборудование лопатки взвесили. После 2 месяцев работы детали снимали с установок и очищали от остатков бетонных смесей пескоструйным методом, затем их повторно взвешивали. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Упрочнение коронки зуба 1U-3352
В качестве упрочняемой детали были выбраны коронка зуба 1U-3352 (расчетная масса 5,8 кг) для экскаватора Caterpillar 313, адаптер Cat J350.
Модели были изготовлены из пенополи-стирола (рис. 9), покрашены антипригарной литейной краской и высушены. В качестве упрочняющей фазы был выбран карбид титана. В изготовленных моделях были прорезаны цилиндрические отверстия, в которые засыпали дисперсный карбид, после чего отверстия запечатывали пенополистиролом (рис. 10).
Номер детали Масса до эксплуатации, кг Масса после эксплуатации, кг Износ, кг (%)
Детали ООО «Завод „Стройтехника"» (эталонные образцы)
Э1 9,015 8,565 0,45 (4,99)
Э2 8,990 8,370 0,62 (6,89)
Детали, полученные в ходе экспериментальных работ
1.1 9,015 8,645 0,370 (4,10)
1.2 9,000 8,610 0,390 (4,33)
Таблица 1
Параметр Эталонный образец Образец 1.1 Образец 1.2
mисх, г 35,35 52,90 69,65
m-1, г 35,25 52,22 69,47
т2, г 35,17 52,12 69,35
mз, г 35,01 52,06 69,21
Средняя потеря массы, г (%) 0,34 (0,96) 0,84 (1,58) 0,44 (0,63)
Полученные модели с внедренным карбидом титана соединяли с литниковой системой и укладывали в опоку под наклоном 45°. Такое расположение отливки в опоке необходимо для того, чтобы дисперсные частицы после расплавления полистирола вследствие разницы плотностей карбида и металла всплывали на одну из рабочих поверхностей коронки экскаватора. В исследовании примем обозначение внешней и внутренней рабочей поверхности коронок. При засыпании моделей в опоке использовался сухой кварцевый песок, форма упрочнялась с помощью вакуума.
Модели были заформованы в песчаные формы, разливку вели в штатном режиме. Газы, выделяющиеся в процессе взаимодействия
расплавленного металла и материала выплавляемых моделей, откачивали с помощью шланга, который устанавливали в отверстие в нижней части литейной опоки. Металл заливали сверху на протяжении 35 с. После заливки опоку выдерживали в течение 3 ч, чтобы избежать растрескивания полученных деталей вследствие быстрого охлаждения, после чего из опоки извлекали отлитые коронки и отделяли их от литниковой системы (рис. 11).
Содержание ТЮ в моделях составило: образец 0 — 0 г [0 % (мас.)], образец 1 — 29 г [0,5 % (мас.)], образец 2 — 43,5 г [0,75 % (мас.)], образец 3 — 58 г [1 % (мас.)]. Все образцы были изготовлены в двух экземплярах: половина предназначалась для исследования макро- и
Рис. 11. Внешний вид полученных деталей коронок, упрочненных карбидом титана
№ 5(95)/2016
эбИ
цт 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400
300
600
900
1200
1500
1800
Рис. 12. Микроструктура образца № 0 (х65)
микроструктуры, а также испытаний в лабораторных условиях, вторая половина — для испытаний в условиях рабочего процесса.
Исследование микроструктур показало, что все коронки имеют аустенитно-перлит-ную структуру с избыточными карбидами (Мп, Ге)зС (рис. 12, 13). В результате исследования было выявлено, что в образцах 1, 2 и 3 (с внедренными частицами карбида титана) наблюдается измельчение структуры в областях рабочей поверхности детали по сравнению с образцом 0 (эталонный образец) (рис. 13).
Стоит отметить, что по всему объему коронок (помимо рабочих поверхностей) наблюдаются локальные области со структурой неоднородности (измельчение структуры на 1-3 балла), что, вероятно, объясняется неравномерным распределением внедренного карбида.
500
400
300
200
100
цт
100
200
300
400
Исследование методом электронной микроскопии показало, что карбид титана распределился по объему образцов неравномерно: наибольшее количество наблюдается на рабочих поверхностях деталей 1, 2, 3, однако по объему образцов встречаются локальные области с россыпью карбидов.
Из коронок были вырезаны образцы для исследования абразивной износостойкости. Износостойкость оценивали способом абразивного истирания вращающимся абразивным кругом, на который ставился образец под нагрузкой. Износостойкость на абразивном круге исследовали в три итерации, по 2 мин каждая. Результаты исследования представлены в табл. 3.
Необходимость измерения изменения массы до тысячных связана с тем, что коронки изготовлены из стали 110Г13, которая обладает повышенными значениями износостойкости, и потеря массы значительно меньше, чем у лопаток смесителей из чугуна ЧХ16Н2.
Изностойкость в условиях производства исследовали путем установки коронок экскаватора на ковш. График работы оборудования — 6 ч в сутки без перерыва в течение 14 дней. Перед установкой на оборудование и после работы коронки взвешивали. Результаты испытаний представлены в табл. 4.
Таблица 3
Параметр Образец 0 Образец 1 Образец 2 Образец 3
тисх, г 15,330 15,923 16,015 15,201
т-1, г 15,324 15,917 16,011 15,198
т2, г 15,320 15,912 16,007 15,196
^ г 15,316 15,908 16,006 15,195
Средняя потеря массы, г (%) 0,015 (0,098) 0,014 (0,088) 0,010 (0,062) 0,008 (0,053)
Таблица 4
Рис. 13. Микроструктура образца № 1 (х 150)
Номер детали Масса до эксплуатации, кг Масса после эксплуатации, кг Износ, кг (%)
0 5,822 5,489 0,333 (5,72)
1 5,812 5,501 0,311 (5,35)
2 5,831 5,600 0,231 (3,96)
3 5,793 5,619 0,174 (3,00)
Цб
№ 5(95)/2016
материаловедение и технологии материалов
Заключение
Таким образом, можно констатировать, что упрочнение различных изделий дисперсным карбидом титана с предварительным размещением в полистирольных моделях упрочняющих частиц позволяет увеличить изностой-кость получаемых деталей. Это было подтверждено как в лабораторных условиях, так и в условиях реального технологического процесса.
По результатам исследований выявлено, что образцы лопаток смесителя жестких бетонных смесей с содержанием карбида 1 % от массы обладают абразивной износостойкостью в 1,6 раза ниже по сравнению с образцом лопатки без карбидов. Образцы лопаток с содержанием карбида 2 % от массы обладают абразивной износостойкостью в 1,5 раза выше по сравнению с образцом лопатки без карбидов.
При исследовании упрочненных дисперсным карбидом титана коронок зуба было установлено, что при увеличении содержания введенных частиц в детали ее изностойкость увеличивается. При максимальном содержании ТЮ, представленном в статье [58 г или 1 % (мас.)], изностойкость коронок увеличивается в 1,9 раза.
Работа выполнена в рамках ГЗ № 11.1470.2014/К, а также поддержана Минобрнауки по договору 14^56.15.7690-ИК.
Литература
1. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение. СПб.: Химиздат, 2GG7. 7S4 с.
2. Singla S., Grewal J. S., Kang A. S. Wear behavior of weld overlays on excavator bucket teeth // Procedia Materials Science. 2G14. Vol. 5. P. 256-266.
3. Повышение износостойкости стали путем ввода карбида титана при кристаллизации слитка / И. В. Чу-манов, В. И. Чуманов, Д. А. Пятыгин, Е. Е. Тельянова // Электрометаллургия. 2GGS. № 2. С. З2-З5.
4. Гасик М. И., Пройдак Ю. С., Исмаилов Ч. Д. Влияние перегрева и модифицирования жидкой углеродистой стали на переохлаждение и структурообра-зование металла // Проблемы специальной электрометаллургии. 199G. № 2. С. ^-Ю4.
5. Исследование и анализ структурных составляющих дисперсно-упрочненных центробежнолитых заготовок / И. В. Чуманов, H. Т. Карева, В. И. Чума-нов, А. H. Аникеев // Электрометаллургия, 2G11. № S. С. З4-З7.
6. Мальцев М. В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1964. 216 с.
7. [Электронный ресурс] URL: http://стройтех74.рф
S. [Электронный ресурс] URL: http://bomar-rus.ru/
catalog/7/51/
9. [Электронный ресурс] URL: http://www.spectrots. ru/ru/catalogue/metallographic_laboratory/hot_fill/ ?id_4=37
Ю. [Электронный ресурс] URL: http://radocon.com/ item/ecomet-250300.html
11. [Электронный ресурс] URL: http://www.novatest. ru/equipment/119G/cifrovie_mikroskopi/invertirovanniy _metallograficheskiy_mikroskop_axio_observer/
12. [Электронный ресурс] URL: http://iac. microanalysis.ru/JEOL%2GSEM.htm
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.
Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
