CC BY
16
УДК 669.715
Д-р техн. наук I. П. Волчок, д-р техн. наук О. А. М^яев, канд. техн. наук О. А. Глотка
Запор1зький нацюнальний техычний уыверситет, м. Запор1жжя
ПРИРОДА ЦИКЛ1ЧНОГО РУЙНУВАННЯ ВТОРИННОГО ПОРШНЕВОГО СИЛУМ1НУ АЛ 25
Розглянуто вплив модифкування i лазерной обробки на процеси ци^чного руйнування поршневого силумiну АЛ25 при температурах 20 i 300°С.
Ключовi слова: силумiн, модиф^вання, лазерна обробка, циклiчне руйнування.
Жаромщт силумши використовують для виготов-лення деталей, що працюють при температурах вщ 130 до 300 °С; до цих виробiв вiдносяться поршш, головки цилiндрiв, диски та лопатки компресорiв газотурбiнних двигунiв [1]. На даний момент найбшьш широке роз-повсюдження для виготовлення поршнiв отримав ли-варний сплав евтектичного складу АК12М2МгН (АЛ25). Перевагами цього сплаву е мала густина, високi мщшсть та теплопровiднiсть, низький температурний коефщент лiнiйного розширення та високий рiвень ли-варних властивостей [2].
За рахунок накопичення велико! кiлькостi вiдходiв виробництва (ливники, випори, брак деталей, стружка, переплав вiдходiв та сплесшв i вживанi деталi) постала нагальна задача у використант вказаного виду матерь алу. Однак повторне переплавлення виявило, що за рахунок попадання в шихту рiзних домiшкiв, в першу чер-гу залiза, можливе утворення комплексних штерме-талiдiв пластинчато! форми i великих розмiрiв, це значно знижуе рiвень механiчних i експлуатац1йних властивостей алюмiнiевих сплаив. Для усунення шкмпивого впли-ву iнтерметалiдiв !х форму i розмiри змiнюють за допо-могою модифiкуючих комплексiв [3].
Також перспективною поверхневою обробкою, з метою пiдвищення стшкосп деталей, е лазерна обробка. При використанш цього методу у матерiалi значно збiльшуються фiзичнi, хiмiчнi та механiчнi властивосп [4, 5].
Метою роботи е дослщження процеав руйнування пiд дiею циклiчних навантажень вторинного поршневого алюмшевого сплаву АК12М2МгН (АЛ25, що мо-дифжований та додатково оброблений лазером.
MaTepia™ та методика досл1джень
Для виготовлення сплаву АК12М2МгН (АЛ25) ви-користовувався 100 % зворот виробництва, який очи-щався ввд слщв корозй, тску та пригару. В електричнш печ1 опору з використанням чавунного тиглю, що футерований графиом, було виплавлено 8 плавок, що в подальшому проходили р1зш види оброблення (табл. 1). Ви плавки були оброблеш покривним флюсом (33 мас. % KCl и 67 мас. % NaCl) у юлькосп 2 % ввд маси металу. Перш1 4 плавки не оброблювались комп-лексним модиф1катором, плавки 5-8 були модифжо-ваш МК-1 [6] при температур! 710 °С. Х!м!чний склад вс!х плавок ввдповвдав ДСТУ 2839-94. Терм!чну оброб-ку виконували за режимом Т1 (стар!ння 210 °С), що також ввдповвдае вимогам ДСТУ 2839-94.
Зразки для випробування на втому мали пластин-часту форму з перер!зом 2 х6 мм. ПШсля стар!ння зразки плавок 4, 5, 7, 8 були оброблеш (по двом боковим по-верхням) !мпульсним лазером КВАНТ 12 в режим! оплавления (час до !мпульсу 4 мс, довжина хвил! 0,6943) з 30 % перекриттям дор!жок в атмосфер! навколишнього середовища ( обробку виконано п!д кер!вництвом д-ра ф!з.-мат. наук, проф. Пржона В.В.)
У подальшому зразки випробовували на втому на баз! 107 цикл!в на високочастогаому стенд! ИП-2 Бшоруського державного технолог!чного ун!верситету при частот! 18 кГц вщповщно до вимог ПОСТ25.502-79 (п!д керiвиицг-вом к.т.н., доц. Бельского О. С.). Зразки плавок 1, 3, 5, 7 вип-робовувались при юмнатнш температур!, плавок 2, 4, 6, 8 при температур! 300 °С. За результатами випробувань бу-дували крив! в иапiвлогарифмiчних координатах ст - lgN.
Таблиця 1 - Характеристики експериментальних плавок
Номер плавки Обробка розплаву МК-1, мас. % Обробка поверхш лазером Температура випробувань, °С
1 0 Ввдсутня 20
2 0 Ввдсутня 300
3 0 Оброблено лазером 20
4 0 Оброблено лазером 300
5 0,15 Ввдсутня 20
6 0,15 Ввдсутня 300
7 0,15 Оброблено лазером 20
8 0,15 Оброблено лазером 300
© I. П. Волчок, О. А. Мп-яев, О. А. Глотка, 2016
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2016
47
Фрактографiчнi дослщження проводили на зруйно-ваних тсля випробування на втому зразках з викорис-танням растрового електронного мiкроскопу РЕМ-1061 у вторинних електронах у режимi прискорювально! на-пруги 30 кВ.
Рух трiщини аналiзували на зразках, що не до шнця зруйнувались та в яких при випробуваннях на втому почала розвиватися трiщина. Для цього на торцю проводили шлiфування до виявлення мiкротрiщини, тсля чого полiрували та травили реактивом Крефельда (12,5мл HCL, 25мл HNO3, 50мл HCL, 12,5мл H2O). Вияв-лення структурних складових та рентгеноспектральний мiкроаналiз (РСМА) проводили на РЕМ-1061 у вторинних електронах у режим прискорювально! напруги 20кВ.
Результата дослщжень та ix анал1з
На зруйнованих зразках вторинного поршневого алюмшевого евтектичного сплаву спостерiгалась ти-пова картина поверхнi руйнування в умовах циктчних навантажень, що закожтрно змiнювалась у залежносп вiд температури випробувань та змiни структури i по-верхневого стану зразк1в.
Так порiвняння фрактограм при випробуваннi на втому при шмнатнш температурi 300 °С виявляе збiльшення в розмiрах фасеток, що змiнюють свою ор-iентацiю вiд зерна до зерна (рис.1 а, б). У середин кожного зерна траекторiя руйнування нагадуе площини сколу. Внаслвдок рiзницi в орiенгуваннi зерен частина фронту трiщини розповсюджуеться по в'язкому механiзму, що призводить до утворення терас, як1 чергуються та яш мають в'язк1 та крихк борозенки.
Серй' плавок 5 та 6 модифiкували МК-1 [6] та випро-бовували на втому при шмнатнш та при температурi 300 °С. Типовi фрактограми поверхонь руйнування для цих серш зразк1в наведет на рисунку 1 в, г. Яшсне по-рiвняння дае змогу стверджувати, що руйнування при вищих температурах вщбулося за умов зниження його енергоемностi, про що сввдчить збiльшення розмiру структурних складових зламу.
Досл1дження руху трщини по структурним складо-вим на незруйнованих зразках, що не модифшувались, виявило схильнiсть розвитку руйнування по фазах, що мають пластинчасту будову з гострими краями (рис. 2).
в г
Рис. 1. Фрактограми поверхонь руйнування вторинного силумшу АЛ25:
а - сплав не модифжований, температура випробування 20 С; б - сплав не модифжований, температура випробування 300 °С; в - сплав модифжований, температура випробування 20 °С; г - сплав модифжований, температура випробування 300 °С
а б
Рис. 2. Характер розповсюдження трщини в немодифжованих зразках сплаву АЛ25: а - х 600; б - х 1500
Проведення РСМА включень по яким пройшло руй-нування (рис. 3) вказуе на те, що несприятливу плас-тинчасту форму мали включення фаз Л115(Ее, Мп, №,Си)3Б12, Л13Си№, Л115(Ее, Мп)3812 (табл. 2). Також на вказаних включениях дуже часто спостертаеться на-явнiсть вторинних трiщин, що також знижують характеристики втоми (рис. 4).
б
Рис. 3. Типов1 точки проведення РСМА (див. табл. 2) Таблиця 2 - Хiмiчний склад (ат.%) типових точок в
У статп [7] доведено, що збiльшения витривалосп силумiнiв можливе в разi використання модиф1куючо-го комплексу МК-1, що змiнюе морфологш вторинних iнтерметалiдних фаз, та шдвищуе енергоемнiсть проце-су руйнування.
Розгляд руху трiщини в модифiкованих зразках не виявив проходжения руйнуваиия по структурним скла-довим, що мали пластинчасту форму. У бiльшостi ви-падк1в руйиування проходило по компактним включениям, як1 класифiкуються як р - твердий розчин на ос-новi кремиш та штерметалвди типу Л115(Ее,Мп,№,Си)3812 що мають форму iероглiфiв або наближаються до шестигранно! форми (рис. 5) (табл. 3).
Внаслщок лазерно! обробки в режимi оплавлення зразюв плавок 3,4 та 7,8 рiзко зросла шорсттасть !х поверхиi за рахуиок формуваиня кратерiв глибиною 6...7 мкм. Попршення якосп поверхиi зразк1в, а також виникиення
Рис. 4. Вторинш трщини в немодифжованому сплав1 АЛ25 (х 1200)
I АЛ25
Точка Мв А1 81 Т1 Мп Ее N1 Си Фаза
1 0,22 68,86 4,14 - 1,2 3,13 18,99 3,44 Л115(Ее,Мп,№,Си)3812
2 0,22 68,93 7,25 0,08 13,47 8,6 0,74 0,69 Л115(Ее,Мп)3812
3 0,02 53,49 0,42 0,15 0,05 0,197 27,97 17,7 Л13Си№
Таблиця 3 - Результата РСМА (ат.%) в типових мюцях зруйнованих зразшв
Точка Мв Л1 Б1 Т1 Мп Ее N1 Си Фаза
1 - 2,4 97,60 - - - - -
2 0,3 67,79 3,48 0,01 1,09 3,67 19,57 4,08 Л115(Ее,Мп,№,Си)3812
на нш розтягувальних напружень внаслiдок швидкого охолодження поверхневого шару розплавленого мета-лу сприяло прискореному, при перших циклах наванта-жень, зародженню мiкротрiщин на оплавленш поверхнi зразк1в (рис. 6). Для зменшення впливу геометричного фактору поверхня зразюв пiсля оплавлення була вгдтттофо-вана до шорсткосп Ка 032 з видаленням шару оплавлено-го металу товщиною 30.. .50 мкм з обох сторiн зразк1в.
Типовi фрактограми поверхнi руйнування оброб-леного лазером шару зразшв, що пройшли модиф^-вання та без модифiкування, наведеш на рисунку 7. Порiвняння отриманих фрактограм не виявило знач-них вщмшностей мiж серiями зразк1в, незначно також впливають i випробування при тдвищених температурах. Так1 незначш вiдмiнностi обумовленi утворенням однорiдного гомогенного твердого розчину пiсля ла-зерно! обробки, що не змiнюе свого стану навиъ при нагрiваннi до 300 °С.
Оск1льки зародження трщини та руйнування зраз-ка при циктчних випробуваннях починаються з по-верхнi, то першим опираеться розповсюдженню втомно!' трiщини саме шар оброблений лазером. Як i для вах циклiчних руйнувань для нього е характерним початковий рух трщини шд кутом 45 ° до поверхш, що
Рис. 6. Типова поверхня обробленого лазером зразка з трщиною тсля перших циктв навантажень( х 500)
добре видно на рис. 7 а, б. Розвиток трщини втоми характеризуеться змшою орiентацi! головно! площини руйнування в кожному зерт вiд одте! або двох площин зсуву до багатьох паралельних терас, що роздiленi по-здовжтми гребенями. Цi тераси перпендикулярнi на-прямку максимального напруження. Також чiтко видш деталi в'язких втомних борозенок, що мають волокнис-тий характер з чггким фронтом розповсюдження (рис. 8).
Порiвняння фрактограм основного, не обробленого лазером матерiалу, не виявило значних ввдшнностей мiж зразками плавок 5, 6. Характер руйнування зали-шаеться типовим для циктчних випробувань, рiзниця м1ж зруйнованими при шмнатнш та при 300 °С зразках характеризуеться збiльшенням розмiру структурних складових зламу.
Порiвняння результатiв випробувань втомно! мщносп всiх плавок, засвiдчило, що найвищi характеристики втоми мали зразки 5 плавки, лише оброблеш модифiкуючим комплексом (рис. 9). Це викликано змшою морфологи штерметалщних включень (вщбу-лась змiна в1д пластинчасто! та голчасто! форми до типу китайських iероглiфiв або шестигранно!) (рис. 10), що зб№шуе енергоемнiсть руху трщин у матерiалi.
Типовою структурою для плавок 1-4 е наявшсть великих пластинчастих та голчастих включень, що ма-ють незначний перерiз по товщинi (рис. 10 а). Середнш параметр форми для них склав 58,4, що сввдчить про велику протяжнiсть даних включень. Крiм того кiнцi пластин мають невеликий радiус заокруглення, який може слугувати центром зародження трiщини. Це при-зводить до того, що немодифшэваш зразки мають при-близно на 15-20 МПа занижеш показники втомно! мiцностi в порiвняннi з модифiкуванням.
Рис. 7. Типов1 фрактограми поверхн1 руйнування шару обробленого лазером для зразюв, що пройшли модифжування та без нього: а, б -без модифжування; в, г - з модифжуванням; а, в - випробування при 20 °С; б, г - випробування при 300 °С
Рис. 8. Типова поверхня руйнування шару, обробленого лазером зразка 3i сплаву АЛ25
циклов
б
Рис. 9. Крив1 втоми вторинного поршневого силумшу АЛ25: а - випробування при 20°С; б - випробування при 300 °С
Збiльшения температури випробування до 300 °С (рис. 10, б) дещо знижуе втомну мщшсть зразк1в, що може бути пояснено зростанням дифузшних процеав та збшьшенням рухомосп атомiв, що зменшуе енер-гоемнiсть процесу руйнувания. Також кут нахилу кри-вих втоми також зменшуеться майже вдв1ч1, а вплив модифiкування виражаеться значно бшьше. Так р1зни-ця м1ж модифжованими та не модифiкованими зразка-ми зростае до 20-25 МПа.
Уа зразки, що обробленi лазером, показали нижчу циктчну мщшсть, шж необроблеш Така поведiнка може бути обумовлена значною крихк1стю та шорстш-стю поверхш зразк1в, що значно покращуе умови за-роджения трщини. Таким чином, при обробш лазером необхщно придмти увагу саме поверхш, що об-робляеться, оск1льки збшьшення крихкосп та шорсткосп суттево знижуе показники витривалостi матерiалу.
б
Рис. 10. Мжроструктура сплаву АЛ25 (Ч500): а - без
модифжування (плавка 1); б - обробка 0,15 % МК-1 (плавка 5)
Висновки
1. Проведено якюне пор1вняння фрактограм повер-хонь руйнування зразшв вторинного поршневого си-лушну АЛ25 шсля випробування на циктчну втому. Виявлено збшьшення розм1ру структурних складових злашв з тдвищенням температури та зменшення з введениям модиф1кувального комплексу.
2. Встановлено, що в зразках без модиф1кування трщина рухаеться по штерметалщах пластинчасто! або голчасто! форми, в1д яких можливе утворення вторин-них трщин, додатково знижуючи властивосп матер1алу.
3. Введення модиф1куючого комплексу значно щдвишуе цищпчну мштсть зразк1в та змшюе шляхи руху трщини по бшьш енергоемним структурним складо-вим.
4. Оброблення лазером знижуе втомну мщшсть зразюв за рахунок наявност1 розвинено! поверхш.
Список лтератури
1. Повышение ресурса работы поршней двигателей внутреннего сгорания / [Б. М. Немененок, В. А. Калиничен-ко, М. А. Садоха и др.] //Литье и металлургия. - 2005. -№ 2. - С. 175-178.
2. Панфилов А. В. Современные тенденциии перспективы применения алюмоматричных композиционных материалов для поршнем ДВС, получаемых литьем с кристаллизацией под давлением / А. В Панфилов, А. А. Панфилов, В. В. Ликсно // Процессы литья. - 2004. - № 4. -С. 14-19.
3. Мтев О. А. Науково-технолопчш основи формуван-ня структури, фiзико-мехаиiчиих i службових власти-востей вторинних силушшв : дис. ... доктора техн. наук: 05.02.01 / Мгаев Олександр Анатолшович. - Запорiж-жя, 2008. - 285 с.
4. Volchok I. P. Increasing of microhardness of Al-Si alloys by laser treatment / I. P. Volchok, V. V. Girzhon, I. V. Tantsiura// Металлофизика и новейшие технологии. - 2011. - Т. 33, № 8. - С. 1111-1118.
а
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2016
51
5. Широкобокова Н. В. Поверхневе змщнення вторинних 7. силумтв методом лазерно'1 обробки : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.01 / Широкобокова Наталя Вiкторiвна. -Запорiжжя, 2013. - 158 с.
6. Пат. 46094 Украша, МПК (2009) С22С1/00. Модифку-вальний комплекс для алюмтевих сплавiв / Лоза К. М., Мiтяeв О. А., Волчок I. П. ; заявник та патентоутриму-вач Запорiзький нац. техн. ун-т. - № u200905914 ; за-явл. 09.06.2009 ; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 23.
Волчок И.П., Митяев А.А., Глотка А.А. Природа циклического разрушения вторичного поршневого силумина АЛ25
Рассмотрено влияние модифицирования и лазерной обработки на процессы циклического разрушения поршневого силумина АЛ25 при температурах 20 и 300°С.
Ключевые слова: силумин, модифицирование, лазерная обработка, циклическое разрушение.
Volchok I., Mityayev A., Glotka A. The nature of cyclic fracture secondary piston silumin АЛ25
The influence of modification and laser treatment on the processes of the cyclic destruction of the piston silumin АЛ25 at temperatures of 20 and 300°С are studied.
Key words: silumin, modification, laser treatment, cyclic destruction.
Increasing of intermetallic fhases on fracture resistance of silumins / O. A. Mityayev, I. P. Volchok, O. V. Gnatenko and etc. // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. науч. трудов. Вып. 73, Дн-вск, ПГАСА, 2014. - С. 159-164.
Одержано 26.04.2016
