Разработка оптимального режима термической обработки литых заготовок прошивных оправок из сплавов на основе Ni3Al Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016 ISSN 2410-6070_

УДК 621.785

М. С. Коновалов

Магистрант 2 года обучения направления «МиТОМД» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» Научный руководитель: В. П. Шеногин д.т.н., профессор кафедры «МиТОМД» ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» г. Ижевск, Российская Федерация

РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ПРОШИВНЫХ ОПРАВОК ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ni3Äl

Аннотация

Разработан оптимальный способ термообработки литых заготовок прошивных оправок из сплавов на основе №зА1 с химическим составом группы А и группы Б, заключающийся в прогреве заготовок при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 37,5 ± 1 секунды, выдержке при этой температуре в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 15 ± 1 секунд, охлаждении в печи до температуры 250 ± 10 °С с дальнейшим охлаждением до температуры 20 ± 10 °C на воздухе.

Ключевые слова Термообработка, прошивная оправка, слиток, твердость, Ni3Al

В работе [1] упоминается, что особый интерес по использованию в качестве материала прошивных оправок вызывают никелевые сплавы. Это обусловлено тем, что в силу термической прочности интерметаллидов никеля (особенно №зА1) возможно достижение жаропрочности сплавов, позволяющей многократно повысить стойкость оправок из них по сравнению со стойкостью оправок из конструкционных легированных марок сталей при более низкой стоимости, чем у оправок из молибденовых сплавов. Кроме того, экономически выгодно получать прошивные оправки или заготовки под них методом литья. Полученные отливки необходимо подвергать термообработке для снятия литейных напряжений [2], но информацию об оптимальных режимах термообработки сплавов на основе Ni3Al, вызывающих интерес в использовании их в качестве материала прошивных оправок (химический состав сплавов группы А приведен в Таблице 1, сплавов группы Б - в Таблице 2), в доступных литературных источниках найти не удалось.

Таблица 1

Химический состав группы А.

Содержание Химический состав группы А; мас. %

Al Mo W Ti Cr Zr C | S | P Ni

Мин. 7,50 8,50 1,20 1,00 4,50 0,15 Не более Осн.

Макс. 8,50 9,50 1,70 1,50 5,50 0,35 0,02 | 0,005 | 0,005

Таблица 2

Химический состав группы Б.

Содержание Химический состав группы Б; мас. %

Al Mo W Ti Cr Zr C S | P Ni

Мин. 9,00 2,00 2,00 1,70 4,00 0,15 0,06 Не более Осн.

Макс. 10,00 5,00 5,00 2,20 6,00 0,35 0,09 0,005 | 0,005

Таким образом, в настоящей работе была поставлена задача, заключающаяся в разработке способа термообработки литых заготовок прошивных оправок из сплавов с химическим составом группы А и группы Б.

С учетом того, что в состав сплава с никелевой базой входит достаточное количество таких элементов как хром, алюминий и титан, которые способны образовывать прочную оксидную пленку на поверхности

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016 ISSN 2410-6070_

заготовки, придавая ей тем самым повышенную жаростойкость [2, 3, 4, 5]; а также принимая во внимание необходимость минимизации затрат на термообработку, было решено проводить ее в воздушной среде в электропечи.

Температура нагрева выбиралась из расчета, что с одной стороны она должна быть не выше температуры начала нарастающего растворения структуры №зА1, соответствующей 1200 °C [6], а с другой стороны с целью наиболее полного снятия внутренних напряжений температура термообработки должна быть как можно большей. При этом учитывалось, что скорость нагрева стальных заготовок и заготовок из сплавов с преобладанием в их составе никеля и (или) кобальта значительно снижается после нагрева до температуры 650 700 °C [2]. Таким образом, с целью обеспечения максимально полного снятия литейных напряжений за минимальное время, а также для минимизации затрат на термообработку выбранная температура нагрева составила 710 ± 10 °С.

Для расчета времени нагрева заготовки в электропечи использовались следующие исходные данные и допущения:

- заготовка имела цилиндрическую форму с известными диаметром D и длинной L;

- температура заготовки до начала нагрева Т составляла 20 °С;

- температура по печи (создающая перегрев) Тв составляла 720 °С;

- температура, до которой необходимо нагреть заготовку Т2, составляла 710 °С;

- теплоемкость сплава (материала заготовки) при средней температуре Тс (365 °С) рассчитывалась в соответствии со свойством аддитивности по выражению

k

C = £CWi, (1)

i=1

где i - порядковый номер компонента в сплаве; k - число учитываемых компонентов в сплаве; Ci -теплоемкость i-ого компонента сплава, Дж/(кг-К); Wi - массовая доля i-ого компонента в сплаве, %;

- плотность сплава при средней температуре Тс (365 °С) рассчитывалась в соответствии со свойством аддитивности по выражению

k

P = , (2)

i=1

где i - порядковый номер компонента в сплаве; k - число учитываемых компонентов в сплаве; pi -плотность i-ого компонента сплава, кг/м3; Wi - массовая доля i-ого компонента в сплаве, %;

- коэффициент теплопроводности сплава X при средней температуре Тс (365 °С) учитывался приближенно в соответствии с известными коэффициентами теплопроводности имеющихся аналогов [7] и принимался равным 24 Вт/(м-К);

- значения параметров воздуха при температуре Тв = 720 °C были взяты в соответствии с [8]: коэффициент теплопроводности Хв = 6,71-10"2 Вт/(м-К), кинематическая вязкость Vв = 115,4-10"6 м2/с, число Прандтля Ргв = 0,706, ßв = 1/993 = 10,0705-10"4 1/К;

- значения параметров воздуха при температуре Тс = 365 °C были взяты в соответствии с [8]: число Прандтля Pro = 0,678.

Первоначально определялось можно ли считать рассматриваемую заготовку термически тонким телом. Для этого определялось значение числа Био:

Bi = ^, (3)

21

где а - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К), который определяется по следующему выражению

а = ак + ая, (4)

где ак - коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции, Вт/(м2-К); ал - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2-К)

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции ак определялся из уравнения подобия:

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016 ISSN 2410-6070

Nu -Л

aK = , (5)

Значение Nue из (5) определялось по следующей формуле:

Вт.

Nus = 0,5-(Grв Pre)0 25-(PrJPrc)0 25 , (6)

где Ргв и Pre - числа Прандтля, Огв - число Грасгофа, определяемое по следующему выражению:

Gr -- g--T)D' , (7)

П

где g - ускорение свободного падения (9,80665 м/с2); Vb - кинематическая вязкость, м2/с. Коэффициент теплоотдачи излучением ал определялся из уравнения

=---, (8)

Л (T -T)-F

где F - площадь излучающей поверхности, м2; Q - лучистый тепловой поток с поверхности заготовки, Значение F находилось по формуле

F = ж- D■ [х + D ], (9)

где п = 3,14.

Значение Q определялось в соответствии с законом Стефана - Больцмана

Q = 8 ■Со \т: -Т4)■ ¥ , (10)

где е - коэффициент излучения (0,8); Со - постоянная Стефана - Больцмана (5,67-10-8 Вт/(м2-К4)).

Таким образом, в результате проведенных расчетов было установлено, что В/ = 0,093 (В/ < 0,1), следовательно, можно считать, что рассматриваемая заготовка является термически тонким телом. Данное заключение означает, что в каждый момент времени температура внутри заготовки при нагреве или охлаждении успевает выровняться за счет интенсивного переноса теплоты теплопроводностью. Таким образом, значение температуры зависит только от времени.

В процессе нагрева каждая точка рассматриваемой заготовки нагревается за счет теплоотдачи с одинаковой скоростью dT/dт. За время dт тело усваивает количество теплоты, равное

да=с v■{йТ)^ёт, (11)

где С - теплоемкость сплава при средней температуре, Дж/(кг-К); р - плотность сплава при средней температуре, кг/м3; V - объем заготовки, м3.

Одновременно эта теплота передается путем теплоотдачи к поверхности заготовки ¥, имеющей температуру Т от окружающей среды (воздуха) с температурой Те

32 = а ■(Тв -т) ■ ¥йт, (12)

По закону сохранения энергии:

Ср^ V ■йТ = а\Тв -Т) ■ ¥ ■йт, (13)

В результате решения дифференциального уравнения (13), было установлено, что время нагрева заготовки в воздушной среде электропечи может быть найдено по следующему выражению:

С-р-V , (T -т =---ln

a-F

vT - T

У1 в 11 у

(14)

Таким образом, было установлено, что для нагрева заготовки сплава под оправку от температуры Т1 = 20 °С, до температуры Т2 = 710 °С, ее необходимо выдержать при температуре по печи Тв = 720 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения заготовки в течение 37,5 секунд.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016 ISSN 2410-6070_

Для обеспечения полноты снятия литейных напряжений было выбрано время дополнительной выдержки после нагрева на заданную температуру, соответствующее прогреву 1 мм поперечного сечения заготовки в течение 15 секунд. Было решено, что этого времени вполне достаточно, так как анализ литературы, в том числе, диаграмм состояния систем Ni с другими компонентами, входящими в состав исследуемых сплавов, показал, что при выдержке в течение более длительного экономически оправданного времени никаких фазовых превращений при рассматриваемой температуре не происходит.

Охлаждение до 250 °C было решено проводить в печи, а после достижения 250 °C - на воздухе.

Таким образом, по результатам проведенных теоретических расчетов были определены температурно-временные условия проведения термической обработки. Оптимальность данных условий проверялась по средствам проведения опытных термообработок слитков (слиток с клеймом «3» с химическим составом группы А, слиток с клеймом «6» с химическим составом группы Б). Проведение термообработок проходило по следующим режимам:

- № 1 (прогрев при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 37,5 ± 1 секунды ^ охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С ^ охлаждение до температуры 20 ± 10 °C на воздухе);

- № 2 (прогрев при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 52,5 ± 1 секунды ^ охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С ^ охлаждение до температуры 20 ± 10 °C на воздухе);

- № 3 (прогрев при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 90 ± 1 секунд ^ охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С ^ охлаждение до температуры 20 ± 10 °C на воздухе);

- № 4 (прогрев при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 180 ± 1 секунд ^ охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С ^ охлаждение до температуры 20 ± 10 °C на воздухе);

- № 5 (прогрев при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 270 ± 1 секунд ^ охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С ^ охлаждение до температуры 20 ± 10 °C на воздухе).

Образцы от слитка с клеймом «3» были промаркированы следующими клеймами: 3.1 (при термообработке по режиму № 1), 3.2 (при термообработке по режиму № 2), 3.3 (при термообработке по режиму № 3), 3.4 (при термообработке по режиму № 4); 3.5 (при термообработке по режиму № 5).

Образцы от слитка с клеймом «6» были промаркированы следующими клеймами: 6.1 (при термообработке по режиму № 1), 6.2 (при термообработке по режиму № 2), 6.3 (при термообработке по режиму № 3), 6.4 (при термообработке по режиму № 4); 6.5 (при термообработке по режиму № 5).

В результате испытания твердости (по методу Роквелла при помощи прибора ТК-2М) образцов после проведения термообработок было установлено, что образцы 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 имеют твердость 31 -32 HRC, а образцы 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 - 32 - 33 HRC.

Таким образом, было установлено, что прогрев образцов исследуемых сплавов при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения от 37,5 ± 1 до 270 ± 1 секунд не приводит к изменению твердости, что, в свою очередь указывает на отсутствие каких-либо структурных, фазовых превращений изменяющих прочность исследуемых материалов. Следовательно, рассчитанный режим термообработки (прогрев заготовок под оправки из разработанных сплавов при температуре 710 ± 10 °С в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 37,5 ± 1 секунды, выдержка при этой температуре в течение времени, соответствующего прогреву 1 мм поперечного сечения за 15 ± 1 секунд, охлаждение в печи до температуры 250 ± 10 °С с дальнейшим охлаждением до температуры 20 ± 10 °C на воздухе) был определен как оптимальный способ термообработки литых заготовок прошивных оправок из сплавов с химическим составом группы А и группы Б.

Список использованной литературы: 1. Коновалов М. С., Шеногин В. П. Исследование стойкости прошивных оправок малого диаметра из сплава на основе M3AI // Электронное научное издание : сборник трудов IV Всероссийской научно-технической

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12-2/2016 ISSN 2410-6070_

конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием. Ижевск : ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, 2016. С. 44-50. URL: http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf (дата обращения 20.04.2016).

2. Гуляев А. П., Щербинина Э. М., Жегин Г. А., Кулакова Э. А., Михайлова В. В., Шефтель Н. И., Королева Ю. И. Металловедение. 5-е изд. переработанное. М. : Металлургия, 1977. 648 с.

3. Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. 2-е изд. переработанное. М. : Металлургия, 1969. 749 с.

4. Гольштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. М. : Металлургия, 1985. 408 с.

5. Ульянин Е. А. Коррозионностойкие стали и сплавы. 2-е изд. переработанное и дополненное. Справочник. М. : Металлургия, 1991. 256 с.

6. Морозова Г. И. Феномен у'-фазы в жаропрочных никелевых сплавах // Доклады Академии наук. 1992. Т. 325, № 6. С. 1193-1197.

7. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Базылева О. А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей // Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. «Машиностроение», 2011. С. 13-19.

8. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М. : Энергоиздат, 1981. 416 с.

© Коновалов М.С., 2016

УДК 678.53

Кононенко А.С.

д.т.н., профессор, кафедры «Технологии обработки материалов»

МГТУ им. Н.Э. Баумана Алешин В.Ф.

к.т.н., доцент, кафедры «Технологии обработки материалов»

МГТУ им. Н.Э. Баумана Бугаев А.М.

к.т.н., доцент, кафедры «Технологии обработки материалов»

МГТУ им. Н.Э. Баумана г. Москва, Российская Федерация

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВТОМОБИЛЕЙ

Аннотация

Изучена проблема герметизации неподвижных фланцевых соединений. Представлены результаты исследований механических свойств герметиков и наномодификаций на их основе.

Ключевые слова

Неподвижные фланцевые соединения, герметики, уплотнители, полимерные композиции, наноматериалы.

Для герметизации рабочих сред в автомобилях используются фланцевые соединения, примерами которых являются масляный картер двигателя, крышка газораспределительного механизма, элементы корпусов коробок передач. Большинство таких соединений эксплуатируются в среде нефтяных и синтетических жидкостей, при воздействии которых происходит набухание или растворение уплотнителя. Тепловое, электрическое и механическое воздействия также приводят к ускорению процессов старения материалов уплотнителей, а, следовательно, к снижению их долговечности.