CC BY
16
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
4, 2019-
mm
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-4-100-106 Поступила 05.09.2019
УДК 534.2 Received 05.09.2019
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛИТОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ В КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
Е. И. МАРУКОВИЧ, Институт технологии металлов НАНБеларуси, г. Могилев, Беларусь, ул. Бялыницкого-Бирули 11. E-mail: Maruko@46mail.ru
С. М. УШЕРЕНКО, ДЖАВАДЯЗДАНИ-ЧЕРАТИ, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр. Независимости, 65. E-mail: usherenko@gmail.com Ю. С. УШЕРЕНКО, Филиал БНТУ «Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики БНТУ», г.Минск, Беларусь. E-mail: osher_yu@mail.ru
Выполнены экспериментальные оценки прочностных свойств композиционного материала на базе углеродистой стали 45, созданного прошивкой матричной стали в режиме сверхглубокого проникания сгустками порошковых частиц. Импульсное динамическое воздействие сгустков порошковых частиц и последующая термическая обработка преобразуют сталь в волоконный композиционный материал.
Ключевые слова. Сверхглубокое проникание, композиционные материалы, легирующие элементы, изменение физических и механических свойств.
Для цитирования. Марукович, Е. И. Преобразование литой углеродистой стали в композиционный материал /Е. И. Ма-рукович, С. М. Ушеренко, Джавад Яздаини-Черати, Ю. С. Ушеренко //Литье и металлургия. 2019. № 4. С. 100-106. https: doi.org/10.21122/1683-6065-2019-4-100-106.
CONVERSION OF CAST CARBON STEEL INTO COMPOSITE MATERIAL
E. I. MARUKOVICH, Institute of Technology of Metals of National Academy of Sciences of Belarus, Mogilev, Belarus, 11, Bialynitskogo-Biruli Str. E-mail: Maruko@46mail.ru
S. M. USHERENKO, JAVAD YAZDANI-CHERATI, Belarusian National Technical University, 65, Nezavisimosti Ave., Minsk, Belarus. E-mail: usherenko@gmail.com
Yu. USHERENKO, Branch ofBNTU "Institute of Advanced Training and Retraining in new areas of technics, technology and economy of BNTU", Minsk, Belarus. E-mail: osher__yu@mail.ru
Experimental estimates of the strength properties of a composite material based on carbon steel 45, created by piercing matrix steel in the mode of superdeep penetration by streams of powder particles, have been performed. Pulsed dynamic action by streams of powder particles and subsequent heat treatment converts steel into a fiber composite material.
Keywords. Super-deep penetration, composites, alloying materials, change in physical and mechanical properties. For citation. Marukovich E. I., Usherenko S. M., Javad Yazdani-Cherati, Usherenko Yu.S. Conversion of cast carbon steel into composite material. Foundry production and metallurgy, 2019, no. 4, pp. 100-106. https: doi.org /10.21122/1683-60652019-4-100-106.
Введение. Интерес к физическим и химическим эффектам, которые проявляются в углеродистых сталях при динамическом воздействии, стимулируется потребностью современной техники в создании материалов со специальными свойствами. Непосредственным результатом действия высокого импульсного давления на стали является сжатие вещества. Полагают, что энергетически выгодно то направление физического процесса, которое ведет к сжатию взаимодействующих веществ [1]. В настоящее время известно, что повышение плотности фазы высокого давления не является общим правилом.
Изменение плотности влияет на физические и химические свойства стали. Например, при динамическом сжатии в пределах более чем 13 ГПа твердые материалы испытывают превращения с образованием новых кристаллических форм; наблюдаются переходы твердых диэлектриков и полупроводников
_гкгг^ к ктшргпп Iim
-а,2019/ IUI
в металлическое состояние и т. д. Полиморфные превращения в железных преградах характеризуются достаточно большими изменениями объема. В частности, скачок объема при a-s-превращении, протекающем в железе при нагружении волнами напряжений с амплитудой отах> 13 ГПа [2], достигает 6%. При давлениях на уровне 40 ГПа удельный вес железа увеличивается на 39% [3].
Для упрочнения по объему углеродистой стали требуется структурная перестройка, которая сопровождается повышением уровня механических свойств. Такой процесс потребует увеличения динамики нагружения, в том числе и времени воздействия. При этом энергетические затраты производственного процесса должны быть значительными. Основные аномалии, обнаруженные за последние 45 лет при исследовании процессов обработки металлов и сплавов, относятся к особенностям динамического взаимодействия.
Взаимодействие сгустков микроударников с металлическими преградами в природных условиях реализуется в условиях околоземного пространства. Такие условия длительное время рассматривали как неперспективную область исследований. В условиях открытого космоса резко усложняется и удорожается эксперимент, так как требуется статистический анализ результатов. Соударение с потоком микрочастиц [4, 5] десятки лет изучали как процесс износа поверхности.
Качественным доказательством существования эффекта сверхглубокого проникания (СГП) является появление новых структурных элементов в металлических преградах. Обычно в материал высокоскоростного сгустка вводят химические элементы, которые отсутствовали в исходном материале преграды [6]. Например, в качестве примера таких исследований можно рассмотреть взаимодействие железных преград со сгустками свинцовых микрочастиц. Также бомбардировка сгустками микрочастиц стальных заготовок позволяет увеличить интервал времени динамического воздействия. Использование таких частиц удобно с позиции контроля, так как свинец, как правило, отсутствует в исходной стали 45.
Целью настоящего исследования является изучение особенностей изменения удельного веса и механических свойств обработанной стали 45.
Легирование стали 45 в режиме сверхглубокого проникания сгустками порошков карбида кремния и металла
Рассмотрим в качестве наиболее простого технологического варианта введение в образцы из стали 45 на глубину до 100 мм порошковых сгустков на основе карбида кремния. Карбид кремния - высокотвердый и легкий неметаллический материал для ударника. В качестве добавки в смеси с карбидом кремния используются металлические порошки никеля и олова.
Маркировка исследуемых образцов. Сталь 45: исходный образец - № 1, сталь 45 <г- SiC+Ni - № 2, сталь 45 <- SiC+Sn - № 3 (рис. 1).
' Юцт ' ' Юцт '
а б
Рис. 1. Структура исходной стали 45 (образец № 1): а -зона исходной стали без включения; б - зона исходной стали с включением
На рис. 2 показан анализ исходной стали, а на рис. 3 - качественный анализ исходной стали 45 с включением марганца.
На рис. 4 показано включение кремния в обработанной стали 45.
На рис. 5, 6 показан анализ образца стали 45 после его прошивки в режиме СГП сгустком микрочастиц 81С+№. Концентрация никеля и кремния после такой обработки не превышает 0,3 мас.%.
102/
ГГСГГШГГ ГП^ПГГГГГ^Г ГТГТ7 Г^|-(7Г-ГЯПГс^
Ч, 2019-
Рис. 2. Анализ химического состава исходной стали 45 (без динамической обработки)
10|дт 1 Юцт 1 1 Юцт 1
а б в
Рис. 3. Качественный анализ химического состава включения в исходной стали 45 (без динамической обработки): а - анализ структуры на железо; б - анализ на серу; в - анализ на марганец
51 Ка1
Юрт 1 1 Юцт
Рис. 4. Включение кремния в стали 45 после динамической обработки в режиме СГП: а - структура стали 45 после обработки; б - анализ включения кремния
пшс: гггсгтшрттгкг
4,2019 /103
Рис. 5. Анализ структуры стали 45 после СГП сгустком микрочастиц SiC+Ni
Концентрация никеля и кремния после динамической обработки не превышала 0,3 мас.%.
Дополнительно был проведен анализ структуры стали 45 после ее прошивки сгустком микрочастиц SiC+Sn. На рис. 7 показан анализ зоны, легированной оловом. Концентрация олова и кремния после такой обработки не превышает 0,3 мас.%.
Изменение твердости и износостойкости модифицированной стали 45
Измерение исходного твердости стали 45: образцы № 1-1, № 1-2.
Замеры исходной твердости. Исходная сталь 45 не была подвергнута динамической обработке в режиме СГП, а также не было последующей термической обработки.
Образец № 1-1. Результаты измерения твердости на глубине 10 мм - НВП = 116. Образец № 1-2. Результаты измерения твердости на глубине 40 мм - НВ12 = 110.
Тогда усредненная твердость этих образцов исходной стали 45: образец № 1 HBj =113.
Рассмотрим результаты изменения твердости после динамической прошивки стали 45 сгустком частиц SiC+Ni.
№ 2-1. Результаты измерения твердости на глубине 10 мм - HB2j = 121.
№ 2-2. Результаты измерения твердости на глубине 40 мм - НВ22 = 110.
Рис. 6. Анализ структуры стали 45 после динамической обработки сгустком микрочастиц №
104/¡^.^гпг:пгггтгг:гг17
123456789 кэВ
Рис. 7. Анализ структуры стали 45 после прошивки в режиме СГП сгустками микрочастиц ЗЮ+Бп
Итого усредненная твердость образца стали 45 для № 2 НВ2= 117,5.
Тогда разница в твердости упрочненной стали по сравнению с исходной составляет 3,98%. Рассмотрим результаты изменения твердости после прошивки стали 45 сгустком частиц 81С+8п. Образцы № 3-1, № 3-2.
3-1. Результаты измерения твердости на глубине 10 мм - НВ31 = 121. 3-2. Результаты измерения твердости на глубине 40 мм - НВ32 = 129,5. Итого усредненная твердость образца стали 45 для образца № 3 НВ2= 125,5. Разница в твердости по сравнению с исходной сталью составляет 10,8%.
Рассмотрим изменения твердости в исходной стали 45 после термической обработки. Режим термической обработки постоянен. Закалка - 840 °С и охлаждение в воде. НВ1зак = 640. № 1-1. Результаты измерения твердости на глубине 10 мм - НВц = 640. № 1-2. Результаты измерения твердости на глубине 40 мм - НВ12 = 640.
Итого среднее значение твердости после термообработки исходной стали 45 для № 1 НВ1зак = 640. Образец № 2 после термической обработки № 2-1. НВ2.1зак = 667,5; № 2-2. НВ2.2зак = 640.
Итого среднее значение твердости после термообработки исходной стали 45 для № 2 НВ2 зак = 653,7. Достигнуто повышение твердости упрочненной стали в зависимости от условий обработки - 2,14%. Образец № 3 после закалки. № 3-1 НВ3.1зак = 653; № 3-2 НВ3.2зак = 653, т. е. в этом варианте обработки достигнуто повышение твердости от исходных условий обработки - 2,04%. Итого средняя твердость образца стали 45 для № 3 НВзак = 653 (табл. 1).
Таблица 1. Изменение твердости образцов на основе стали 45 после закалки
Номер образца НШЗ среднее значение НЯС среднее значение НВ до закалки НВ после закалки ^упр
1 65,0 63,0 113,0 640,0 1
2 67,0 62,0 117,5 653,7 1,02
3 72,5 63,5 125,3 653,0 1,02
Проведение дополнительного высокого отпуска 600 °С приводит к существенному снижению твердости (табл. 2).
Обычно изменение износа оценивается по потере массы во время испытания. Результаты такого вида испытаний приведены в табл. 3.
Образец № 1 = (0,5655% + 0,55%)/2 = 0,5578%. Было: 31,8990 г, потеря массы за 2 ч- 0,1778 г. Образец № 2 = (0,5511% + 0,4188%)/2 = 0,4850%. Было: 31,8959 г, потеря массы за 2 ч - 0,1547 г. Образец № 3 = (0,29% + 0,4490%)/2 = 0,3695%. Было: 31,5235 г, потеря массы за2 ч- 0,1166 г. Потери при износе: № 1 - 100%; № 2 - 87%; № 3 - 66%.
_А кгге К Г^ТШ ^ГГГКГ] /1ПЧ
-4, 2019/ 1ии
Таблица 2. Изменение твердости образцов стали 45 после высокого отпуска (600 °С)
Номер образца Твердость HRC после отпуска - 600 °С
1 2 3 среднее значение
1.1 35,0 37,5 33,0 35,0
1.2 35.0 34,0 36,0 35,0
2.1 33.0 36,0 36,0 35,0
2.2 29.0 30,5 33,0 30,0
3.1 32,0 33,5 36,0 34,0
3.2 34,0 38,0 38,0 36,5
Таблица 3. Потеря массы стальных образцов во время испытаний на износ
Номер образца Исходная масса, г 30 мин, уменьшение массы, г 60 мин, уменьшение массы, г 90 мин, уменьшение массы, г 120 мин, уменьшение массы, г
1-1 32,0720 0,0611 0,0941 0,1336 0,1815
1-2 31,7259 0,0483 0,0820 0,1340 0,1741
2-1 31,9368 0,0562 0,0977 0,1379 0,1760
2-2 31,8550 0,0405 0,0848 0,1061 0,1334
3-1 31,5690 0,0352 0,0469 0,0694 0,0915
3-2 31,4780 0,0504 0,0905 0,1169 0,1416
Изменение удельного веса образцов из стали 45 как результат обработки в режиме СГП
Удельный вес стали 45 изменяется из-за дополнительной динамической обработки. Определение удельного веса стали проводится методом гидростатического взвешивания. Результаты определения удельного веса приведены в табл. 4.
Таблица 4. Удельный вес стали 45 до и после обработки в режимах СГП
Номер образца Исходная масса г Масса в воде с креплением ^ + г Масса в воде без крепления ДО^ г Удельный вес, г/см3
1-1 31,60330 27,81515 27,56145 7,8181
1-2 31,22110 27,52230 27,26860 7,8990
2-1 31,44265 27,68810 27,43440 7,8444
2-2 31,45440 27,68200 27,42830 7,8126
3-1 31,14310 27,40755 27,15385 7,8067
3-2 31,04410 27,34350 27,08980 7,8507
Масса скрепки - 0,2537 г. Удельный вес образцов: р1 = 7,8586 г/см3; = 7,8285; рз=7,8287 г/см3.
На основе полученных экспериментальных результатов установлено, что при использовании в качестве матрицы образцов углеродистой стали 45 (исходный состав - № 1) за счет прошивки смесью микропорошков SiC+Ni и термообработки был получен материал № 2. Если в качестве сгустка микроударников использовать SiC+Sn и термообработку, то получают композиционный материал № 3. Базовым отличием этих материалов между собой является изменение удельного веса. Если удельный вес исходного материала (№1) принимаем за 100%, то удельный вес образцов № 2 и 3 будет ниже на 0,6152%. Уменьшение удельного веса (плотности) достигается за счет увеличения дефектности (напряженного состояния).
При прочих равных условиях испытаний на износ это меняет потери массы композита на основе стали 45 для образца № 2 на 13%, а для образца № 3 - на 34%.
Выводы
Комплексная обработка углеродистой стали 45: исходной - (№ 1), в режиме прошивки сгустками микропорошков SiC+Ni - (№ 2) и SiC+Sn - (№ 3) и последующей термической обработки позволяет изменять состав, физические и механические свойства:
1) твердость стали после динамической обработки повышается для образца № 2 на 3,9%, а для образца № 3 - на 10,8%;
2) если удельный вес исходного материала (№1) принимаем за 100%, тогда удельный вес образцов № 2 и 3 снижается на 0,6152%;
106/ mO.^'Y ^
3) в случае сочетания динамической и термической обработки повышение среднего значения твердости стали 45 для образца № 2 достигло 2,14%, а для образца № 3 - 2,04%;
4) при прочих равных условиях испытаний на износ потеря массы композита на основе стали 45 за счет материала микрочастиц, используемых для легирования в режиме сверхглубокого проникания, составляет для образца № 2 13%, а образца № 3 - 34% от массы износа образца № 1 -100%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Owsik J., Jach K., Usherenko S., Usherenko Y., Figovsky O., Sobolev V. The Physics of Superdeep Penetration Phenomenon // Journal of Technical Physics. 2008. Vol. 49. № 1. Р. 3-25.
2. Marukovich E., Usherenko S., Usherenko Yu., Belous A., Petlisky A. Formation of new materials based on cast aluminum alloy // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2011. № 5. Р. 1183-1187.
3. Попова С. В., Бражкин В. В., Дюжева Т. И. Структурные фазовые переходы в сильно сжатом веществе и синтез фаз высокого давления // Успехи физических наук. Конференции и симпозиумы. 2008. № 178. С. 1104-1106.
4. Belous A., Saladukha V., Shvedau S. High Velocity Microparticles in Space: Influence Mechanisms and Mitigating Effects of Electromagnetic Irradiation. Springer.
5. Bernhard, Ronald P., Eric L. Christiansen, James Hyde and Jeanne L. Crews. Hypervelocity Impact Damage into Space Shuttle Surfaces // International Journal of Impact Engineering. 1995. № 17. Р. 57-68.
6. Sobolev V. V., Usherenko S. M. Shock-wave initiation of nuclear transmutation of chemical elements // J. Phys, IY France. 2006. Vol. 134. P. 977-982.
