CC BY
157
ностроительного факультета ГИУА в г. Ереване 12-17 октября 2009. г. Ереван: ГИУА. 2009. С. 140-143.
4. Кордонский Х.Б. Применение теории вероятностей в инженерном деле. М-Л.: Физматгиз, 1963. 435 с.
5. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с параметрическими отказами // Автоматизация и современные технологии, 2003, № 1. С. 9-15.
E.V. Davidova, I.B. Davidov, V.V. Preys
HOPPER FEEDING DEVICES CENTRIFUGAL TYPE FOR AUTOMATIC LOADING OF THE PRESSED PIECE FOODSTUFF
Designs of hopper feeding devices of centrifugal type for automatic feeding of the pressed piece foodstuff in packing cars-automatic machines are considered.
Key words: automatic loading, the centrifugal bunker loading device, piece foodstuff.
Получено 11.01.2012
УДК 621.785.796
И.В. Тихонова, канд. техн. наук, доц., (4872)35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.М. Гринберг, д-р. техн. наук, проф., (4872)35-05-81 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Маркова, асп., (4872)35-05-81, nbf62@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА КОЛИЧЕСТВО ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА И СКЛОННОСТЬ СТАЛИ КО ВТОРИЧНОЙ ЗАКАЛКЕ
Анализировали влияние химического состава и температуры нагрева под закалку на количество остаточного аустенита в конструкционных, инструментальных, а также коррозионностойких высокопрочных сталях.
Получены зависимости влияния легирующих элементов и температуры нагрева под закалку на количество аустенита остаточного в сталях.
Разработан алгоритм оценки склонности сталей ко вторичной закалке.
Ключевые слова: модель, фазовый состав, остаточный аустенит, распад аустенита, вторичная закалка.
Для термически упрочняемых сталей основной причиной фазовой метастабильности является наличие остаточного аустенита как наименее стабильной фазы. Превращение аустенита в мартенсит, а также распад
111
мартенсита при отпуске приводят к значительным объемным эффектам (в первом случае увеличение, а во втором уменьшение удельного объёма из-за большой разницы в удельных объемах и термических коэффициентах линейного расширения образующихся в ходе превращения фаз).
Количество остаточного аустенита зависит от разных факторов, основными из которых являются, химический состав стали и параметры её термической обработки (температура нагрева под закалку, скорость охлаждения и конечная температура, до которой проводят охлаждение).
Существуют стали, в которых распад остаточного аустенита происходит не в процессе нагрева при втором превращении при отпуске, а при охлаждении после высокотемпературной обработки. Это явление получило название «вторичной закалки». Для некоторых сталей (например, быстрорежущие) необходимо применить двукратный или трёхкратных отпуск для распада всего остаточного аустенита.
Представим ситуацию, когда мы пытаемся бороться с остаточным аустенитом в малоуглеродистой конструкционной стали, используемой для изготовления прецизионных изделий, надеясь, что он распадётся во время второго превращения при отпуске при 250-300 оС. Однако, для ряда ста-лейпоследовательность превращений при отпуске отличается от классической [3], поэтому повышенное количество остаточного аустенита, полученного после закалки, не испытает превращения. При этом структура стали будет метастабильна, а неконтролируемые фазовые превращения, связанные с возможным распадом сохранившегося остаточного аустенита, при эксплуатации могут привести к изменению размеров стального изделия (размерной нестабильности). Поэтому установление особенностей развития второй стадии отпуска представляет наиболее важную задачу для развития теории и практики термической обработки стали.
Первым этапом работы являлась разработка математической модели для оценки влияния химического состава и температуры нагрева под закалку на количество остаточного аустенита, полученного после закалки. С помощью ППП «StatgraphicsPlus» для её построения были выбрали 120 сталей, к которым относились быстрорежущие,корозионностойкие высокопрочные стали, высоколегированные штамповые, хромистые шарикоподшипниковые, а также углеродистые и низколегированные стали, содержащие хром, никель и марганец. Пределы изменений содержания легирующих элементов:углерод от 0,07 до 2,1 %, кремний до 1,4 %, марганец до 12'%, хром до 23 %, вольфрам до 18,2 %, ванадий до 4,7 %, никель до 16 %, молибден до 5,2 %, ниобий до 0,3%, алюминий до 3%, азот до
0,5%, медь до 2%, титан до 2%, кобальт до 5%.
Таблица 1
Влияние различных факторов на количество остаточного аустенита
Зависимая переменная: остаточный аустенит (Аост)*
Параметр Значение Стандартная ошибка t - статистики Параметр значимости
Константа -130,512 14,2497 -0,979412 0,0000
А1 -1,1201 4,67348 2,16882 0,0128
С 22,1866 6,70874 1,77935 0,0008
Со 2,13687 2,27009 1,82233 0,0767
Сг -1,2512 0,548904 -1,23066 0,0015
Си 0,9051 0,23472 0,279876 0,1212
Мп 6,1539 0,81024 6,8483 0,0000
Мо -0,61244 1,07584 -0,244141 0,0025
N 0,2864 1,3824 3,25097 0,0025
№ -6,95413 0,28271 0,954882 0,0346
№ 5,4812 0,334228 1,06926 0,0000
Si 1,6412 1,99756 0,608463 0,5467
Т 0,132706 0,0194079 1,14339 0,0000
Ті -2,3351 5,64735 0,59066 0,0584
Va -6,5951 1,14738 -0,775172 0,0023
W -1,1281 0,368079 -1,21565 0,0012
СгС 1,9911 0,39325 3,86421 0,0010
* Аост - количество остаточного аустенита в стали после закалки в %. Коэффициент детерминации равен 91,5589 %. Сумма квадратов остатков равна 6,80799.
Модель обладает высоким коэффициентом детерминации, имеет низкую сумму квадратов остатков, хорошую прогнозирующую способность (рисунок 1,а), распределение остатков максимально близко к нормальному распределению (рисунок 1,б). Модель имеет вид:
Аост = -130,512 + 22,1866*С + 1,6412*3і + 6,1539*Мп + 1,99*Сг*С -
- 1,2512*Сг- U281*W-6,5951*Vа+5,4812 *№-0,61244*Мо + 0,132706*Т -- 1,1201 *А1 + 2,13687*Со + 0,9051*Си + 0,2864*N - 6,95413*№> -
- 2,3351*Ті, (1)
где С, Si, Мп, Сг, W, V, Ni, Мо, А1, №, Со, N, Си, Ті - содержание соответствующего элемента в %; Т - температура, на которую нагревался образец под закалку. Другие характеристики модели (1) приведенены в таблице 1.
а
б
Рис.1. График прогнозирующей способности для модели влияния различных факторов на количество остаточного аустенита(а);
график распределения остатков для модели влияния различных факторов на количество остаточного аустенита (б)
Данная модель позволяет рассчитать количество остаточного ау-стенита после закалки, но не отвечает на вопрос о его устойчивости при отпуске (или серии отпусков). Все дальнейшие исследования направлены на решение поставленного вопроса.
При помощи модели (1) построены зависимости, иллюстрирующие влияние химического состава на количество остаточного аустенита. Для анализа взяты стали с постоянным содержанием углерода - 0,6; 1,2 %, в них поочерёдно "добавляли" определённый легирующий элемент в пределах, используемых для легирования стали (рис. 2).
Видно, что в значительной степени повышают количество остаточного аустенита после закалки никель и марганец, имеющие ГЦК решётку и стабилизирующие решётку аустенита. Увеличение содержания углерода приводит к тому же эффекту (видно из сравнения данных, представленных на рис. 2). Карбидообразующие элементы молибден, вольфрам, ванадий и хром имеют ОЦК решётку, стабилизируют решётку а - железа, сужают у - область и уменьшают количество остаточного аустенита. Однако влияние карбидообразующих элементов на количество остаточного аустенита нельзя объяснить только исходя из особенностей их кристаллического строения.
Известно, что карбидообразующие элементы препятствуют распаду переохлаждённого (и остаточного) аустенита через их влияние на диффузионную подвижность углерода. Из-за их сильного сродства с углеродом они понижают диффузионную подвижность его атомов в у -решётке, существенно влияют на равномерность распределения углерода.
Поэтому появилась необходимость учесть совместное влияние карбидообразующих элементов и углерода. Однако выявлено значимое влияние только парного взаимодействия хрома с углеродом. Коэффициенты перед членами, учитывающими парное взаимодействие молибдена, ниобия, вольфрама, ванадия и титана с углеродом, оказались незначимыми и в
114
окончательную модель (1) не включены. Хром, растворяясь в большом количестве, при нагреве под закалку (до 12,5 %), сильнее других карбидообразующих элементов понижает диффузионную подвижность углерода [1] в решётке аустенита, сильнее других карбидообразующих элементов обособляет области перлитного и бейнитного превращений: повышает температуру минимальной устойчивости перлитного превращения и понижает температуру минимальной устойчивости бейнитного превращения, в результате образуется обширная область устойчивого аустенита. Таким образом, парное взаимодействие углерода с хромом и может быть причислено к факторам, увеличивающим количество остаточного аустенита.
Содержание легирующего элемента, % 0 2 4 6 8
Содержание легирующего элемента, %
а б
Рис.2. Влияние различных элементов на количество остаточного аустенита при содержании углерода 0,6 %С (Тзак= 900 °С)(а); влияние различных элементов на количество остаточного аустенита при содержании углерода 1,2 %С(Тзак= 1000 °С)(б)
Увеличение температуры аустенизации способствует повышению количества остаточного аустенита.
В математической модели (1) значимые факторы можно разделить на две группы. К факторам, способствующим увеличению количества остаточного аустенита, относятся элементы, стабилизирующие у - фазу (С, Мп, №), а также кремний и парное взаимодействие хрома с углеродом (вероятнее всего, через его влияние на активность, диффузионную подвижность и равномерность распределения углерода). Уменьшают количество остаточного аустенита карбидообразующие элементы (V, W, Мо, Сг). Однако, карбидообразующие элементы также оказывают влияние на равномерность распределения углерода при аустенизации стали и на диффузионную подвижность как атомов углерода в у- и а-решётках, так и атомов самого железа при последующем распаде остаточного аустенита, что обя-
зательно должно сказаться на особенностях превращения остаточного аустенита при отпуске.
В связи с этим первоначально для выделения сталей, склонных ко вторичной закалке, предпринята попытка рассчитать по химическому составу, указанному в марке стали, два эквивалента: во - первых, параметр, учитывающий элементы, способствующие увеличению количества остаточного аустенита (условно назван EY), во-вторых, параметр, учитывающий наличие карбидообразующих элементов (условно назван Екар).
С учётом значений коэффициентов перед перечисленными выше переменными в модели (1) получены формулы для расчёта указанных эквивалентов: Екар (2) иЕу (3).
Екар = 1,31005*Сг+ 1,28826* W + 7,86613*V + 0,709327*Мо, (2)
Ey = 23,1155*С + l,54892*Si + 6,35797*Mn + 2,03818*Cr*C +
+5,37861*Ni. (3)
Для всех сталей, для которых была построена модель, рассчитывали Екар и Ет.Зная диапазоны изменения параметров, выбрали масштаб по координатным осям Екар и Еу. Затем на поле графика откладывали координаты каждой изучаемой стали. После завершения этой процедуры на графике с осями координат, отражающими значения двух эквивалентов, при определённом сочетании последних выделяются несколько областей. Стали, имеющие эквивалент по карбидообразующим элементам Екар более 7, обладают устойчивым остаточным аустенитом, распадающимся при охлаждении только после высокого отпуска или после многократных высокотемпературных отпусков. В сталях, имеющих эквивалент по карбидообразующим элементам Екар = 3^7, остаточный аустенит частично распадается в интервале температур до 350 °С, а частично - при охлаждении после высокого отпуска. Кроме того, для указанной группы сталей значенияЕу не превышают 68. У сталей с Екар менее 3 (ХВГ, 9ХС, У10, ШХ15, 60ХН) остаточный аустенит распадается при отпуске в интервале температур 200^350 °С, т.е. во время второго (классического) превращения при отпуске. Очень большой эквивалент Екар = 32 и выше имеют быстрорежущие стали (Р12, Р18, Р6М5), для них необходим двух - или трёхкратный отпуск. У штамповых сталей Екар=10^30 (4Х5МФС, Х12М, Х12Ф, 6Х6ВЗМФС), для них необходим одно- или двукратный отпуск.
Стали, имеющие эквивалентЕт больше 68, содержат в своём составе не менее 80 % остаточного аустенита. В данную группу входят стали ау-стенитно-мартенситного (16Н16, 60ХН11, 20Г12) и аустенитного классов (20Г12Н4, 12Х18Н9Т).
Для экспериментального расчёта эквивалентов по химическому составу была разработана программа, которая была использована в настоящей работе.
Однако для некоторой группысплавов, например, ЗХ2В8, 4Х2В12, ЗХ2В8С, эффект вторичной закалки отсутствует. С учетом же границ, представленных на диаграмме эквивалентов, указанные стали на попали в область сталей, склонных ко вторичной закалке. По нашему мнению, это может быть связано со следующим обстоятельством. Процессы распада пересыщенных твердых растворов определяются не общим содержанием легирующих элементов в стали, а только темих количеством, которое удалось перевести в твердый раствор при аустенизации.
Предельные растворимости карбидообразующих элементов в ау-стените при температурах нагрева под закалку известны [2]. Максимальная растворимость легирующих элементов в аустените составляет:
V (ванадий) 1,3 % при 1150 °С;
W (вольфрам) 4,0 % при 1150 °С;
Сг (хром) до 12,5 % при 1000 °С; до 7,8 % при 800 °С;
Si (кремний) до 2,0 % при 1150 °С;
Мо (молибден) до 3,9 % при 1060 °С;
Мп (марганец) до 70 %;
№ (никель) и Со (кобальт) имеют неограниченную растворимость.
Поэтому было принято решение в эквивалент по карбидообразующим элементам подставлять именно пределы растворимости соответствующих легирующих элементов в аустените, а не все количество последнего, присутствующего в стали, в тех случаях, когда содержание элемента превышает его предел растворимости. Если такого соотношения не наблюдается, то подставляется все количество легирующего элемента, присутствующего в стали. Такой подход привел к изменению границ областей для сталей разных групп на диаграмме эквивалентов. Диаграмма эквивалентов с уточненными границами приведена на рисунке 3.
Стали, имеющие эквивалент по карбидообразующим элементам Екар более 14, обладают устойчивым остаточным аустенитом, распадающимся при охлаждении только после высокого отпуска или после многократных высокотемпературных отпусков. В сталях, имеющих эквивалент по карбидообразующим элементам Екар = 3^4, остаточный аустенит частично распадается в интервале температур до 350 °С, а частично - при охлаждении после высокого отпуска (условно склонны ко вторичной закалке). Для этих сталей значенияЕтне должны превышать 64. У сталей с Екар менее 3 (ХВГ, 9ХС, У10, ШХ15, 60ХН) остаточный аустенит распадается при отпуске в
интервале температур 200+350 °С. Для сталей ЗХ2В8, 4Х2В12, ЗХ2В8С значения эквивалентов по карбидообразующим элементам не превышают 14, т. стали попадают в область материалов, условно склонных ко вторичной закалке, что не противоречит литературным данным.
Рис. 3. Диаграмма эквивалентов для оценки склонности сталей
ко вторичной закалке
Стали, имеющие эквивалент Еу больше 64, содержат в своём составе не менее 80 % остаточного аустенита и образуют группу аустенитно-мартенситного (16Н16, 60XH11, 20Г12) и аустенитного классов (20Г12Н4, 12X18^^. Поведение аустенита в этой группе сталей не анализировали.
На основании проведенных исследований получен алгоритм, который позволяет оценить склонность стали ко вторичной закалке (рис. 4).
Рис. 4. Алгоритм оценки склонности стали ко вторичной закалке
Выводы по работе
1. Разработана математическая модель описывающая влияние химического состава и температуры аустенизации на количество остаточного аустенита в закаленной стали.
2. Для прогнозирования склонности стали ко вторичной закалке предложены эквиваленты химического состава стали, учитывающие количество карбидообразующих элементов и содержание элементов, способствующих увеличению количества остаточного аустенита.
3. Предложен алгоритм оценки склонности сталей ко вторичной закалке.
Список литературы
1.Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые ста-ли.М.:Металлургия, 1976.514 с.
2.Садовский В.Д., Фокина Е.А. Остаточный аустенит в закаленной стали.М.: Наука, 1986. 157 с.
3. Гуляев А.П., Гуляев А.А. Металловедение: учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. М.: ИД «Альянс», 2011. 644 с.
I. V. Tixonova, E.M. Grinberg, E. V. Markova
THE INFLUENCE OF CHEMICAL COMPOSITION ON THE QUANTITY OF RESIDUAL AUSTENITE AND THE TENDENCY TO SECONDARY HARDENING STEEL
The influence of chemical composition and temperature of heating for hardening on the quantity of residual austenite in constructional, instrumental and corrosion-resistant high-strength steels were analyzed. The dependences of the influence of alloying elements and temperature of heating for hardening on the quantity of residual austenite in steels were obtained. The algorithm for evaluation of tendency of steels to the secondary hardening were developed.
Key words: model, phase composition, residual austenite, decomposition of austenite, secondary hardening.
Получено 14.01.12
УДК 621.829:[53:54]
А.В. Головников, асп., (0852) 46-26-74, vam@future.vstu.var.ru (Россия, Ярославль, ЯрГТУ),
О.П. Филиппова, д-р техн. наук, проф., (0852) 44-68-13, bonifak@vandex.ru (Россия, Ярославль, ЯрГТУ),
Н.С. Яманина, канд. техн. наук, доц., (0852) 44-68-13 vam@future.vstu.var.ru (Россия, Ярославль, ЯрГТУ),
А.Б. Копылов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-22-74, toolart@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ
Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение структуры, свойств и физико-химических характеристик компонентов консервационной смазки, а именно для достижения поставленной цели впервые был проведён подробный анализ отработанных масел и изучена возможность использования данных отходов для синтеза консервационных смазок.
Ключевые слова: отработанные масла, токсичность, класс опасности, кон-сервационная смазка.
Постоянный рост автопарка в последние годы приводит к увеличению количества различных видов отработанных нефтепродуктов и в первую очередь моторных масел (отработанные масла составляют 60 % от об-
120
