Влияние температуры заливки на распределение свинцовых включений в многокомпонентной свинцовооловянистой бронзе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74.041:669.35

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЛИВКИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СВИНЦОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СВИНЦОВООЛОВЯНИСТОЙ БРОНЗЕ

А.В. Корчмит, Ю.П. Егоров

Томский политехнический университет E-mail: antonvk@mail2000.ru

Рассмотрены вопросы структурообразования свинцовооловянистой бронзы в зависимости от условий кристаллизации отливки, полученной центробежным способом. Обнаружена связь между дисперсностью свинцовых включений и размером зерен матрицы. Установлены зависимости количества и среднего размера свинцовых включений от температуры заливки в различных сечениях отливки.

Многокомпонентные свинцовооловянистые бронзы (МСОБ) применяют для изготовления ответственных деталей компрессоров сжатия этилена (сегментных уплотнений, поршневых колец и др.). Заготовки для них можно изготавливать различными способами литейного производства: литьем в металлические, земляные, оболочковые, песчаные формы, методом центробежного (ЦБ) литья. Для получения плотных отливок с высокими механическими характеристиками наиболее целесообразно применение метода центробежного литья [1].

МСОБ характеризуются широким интервалом кристаллизации, большой разницей в удельных весах компонентов, а главное, отсутствием смешиваемости меди и свинца в твердом виде и ограниченной растворимостью Си и РЬ в жидком состоянии, в связи с чем данные бронзы склонны к ликвации свинца. На образование структуры и свойств отливок из МСОБ, полученных ЦБ литьем, одновременно оказывают влияние ряд технологических факторов, таких как температура заливки (теплосодержание расплава), теплоаккумулирующая способность формы (скорость охлаждения), скорость вращения изложницы, скорость заливки расплава в изложницу, температура изложницы и некоторые другие. Результаты исследований [2-5] показывают, что формирование свойств МСОБ во многом зависит от температуры заливаемого расплава. Однако в предшествующих работах мало внимания уделялось изучению влияния температуры заливки на формирование структурных составляющих МСОБ, которые в конечном итоге определяют их свойства. Особенно противоречивы результаты исследований ряда авторов [6, 7] по влиянию ЦБ литья на распределение в структуре свинцовой составляющей.

Таблица. Химический состав бронзы БрОСЦНЮ-13-2-2, % мас.

Sn Pb Zn Ni Cu Раскислитель

9,5...10,0 13,0 2,0 2,0 остальное 0,5

Нами изучалось влияние температуры заливки на размер и распределение свинцовой составляющей в отливках из МСОБ, полученных ЦБ способом. МСОБ получали плавкой в графитовом тигле из технически чистых компонентов. Химический состав бронзы приведен в таблице. Температуру заливки меняли от 950 до 1250 °С с интервалом 50 °С

и контролировали быстродействующим оптическим пирометром ТПТ90 с лазерным наведением. Перегретый на 50...80 °С расплав раскисляли фосфористой медью, а затем подстуживали до требуемой температуры и заливали во вращающиеся металлические формы с вертикальной осью вращения при частоте вращения 1000 об/мин. Наружный диаметр получаемых кольцевых отливок - 108 мм; внутренний - 36 мм; высота - 14 мм. Металлографические исследования проводили с применением оптического микроскопа МИМ-8М, цифрового фотоаппарата МDС-1500, и, разработанной на кафедре материаловедения и технологии металлов ТПУ, компьютерной программы обработки изображений "КОИ" [8] для расчета объемной доли и среднего размера частиц структуры. Шлифы вырезали из отлитых колец вдоль оси вращения. Шлифы изучали в двух направлениях: вдоль оси отливки (от периферии к центру) и поперек (от низа отливки до верха), рис. 1. Таким образом, осуществлялось исследование всей площади поперечного сечения отливки, позволяющее выявить закономерности распределения структурных составляющих в разных точках поверхности шлифа.

ПОЛЯ 3 зения \ верх

//// \

-> главное направление кристаллизации низ

Рис. 1. Схема исследования образца

Микроструктура отливок состоит из матрицы а-твердого раствора олова, цинка и никеля в меди, эвтектоида (механической смеси кристаллов химического соединения Си318п8 + а-твердого раствора) и включений свинца (рис. 2).

Количественная оценка объемной доли и размеров свинцовой составляющей проводили на нетравленых шлифах. Свинец представлен в виде темных включений различной дисперсности, имеющих преимущественно округлую либо зубчатую форму. Рассчитывали свинцовую составляющую по трем полям зрения в каждой точке образца.

И -

уменьшается от края к середине. 20

тш

Рис. 2. Микроструктура пятикомпонентной бронзы

Проведенный металлографический анализ микроструктур образцов показал заметное различие в их строении в зависимости от температуры заливаемого расплава. При повышении температуры заливки (рис. 3, а,б) идет измельчение свинцовой составляющей.

г

г':

■г

&

Г

>

70 мкм

:_, I

• * > г* ' .

* 16

т

о

о 12 т

¡3

о

—в—внуг —к—серед

нар^ж

4

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 Температура, град.С

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 б Температура, град.С

Рис. 4. Влияние температуры заливки на: а) количество и

б) размер включений свинца

^ 20 Я

? 17

т

о о т ь

о

II)

14 11 8 5

— 950°С

^таи —1050 — 1150

—1250 ^„.-^¿ь

0 6 12 18 24 30 36 Расстояние от внешней поверхности, мм

70 мкм

I-1

Рис. 3. Влияние температуры заливки на распределение свинца в ЦБ-литой отливке из МСОБ. Низ формы, заливка при: а) 1000, б) 1250 °С

Наибольшее количество включений свинца и более крупные частицы наблюдаются во внутренней части отливки при низких (1000 °С) температурах литья (рис. 4, а,б).

На рис. 5, а,б представлены зависимости объемной доли и среднего размера зерен свинца от температуры заливки, в направлении от внутреннего диаметра отливки к наружному. Практически на всех графиках количество и средний размер свинца

Рис. 5. Влияние температуры заливки на: а) количество и б) размер включений свинца в различных сечениях отливки

Уменьшение объемной доли включений свинца в серединной части отливки можно объяснить явлением обратной ликвации, характерной для МСОБ. В начальный момент заливки кристаллизуется наружный слой отливки (корочка). Этот слой кристаллизуется очень быстро, и в нем ликвации свинца практически не наблюдается. Исключение составляет заливка при предельно низкой температуре 950 °С, когда идет расслоение жидкости. Затем, в процессе заполнения формы, количество

8

а

а

а

свинца уменьшается в середине и доходит до максимума по мере приближения и внутреннему диаметру отливки. Такое перемещение легкоплавкого свинца, имеющего более высокий удельный вес, в направлении, противоположном действию центробежных сил, можно объяснить действием кристаллизационных сил [9]. Кристаллизационные силы развиваются растущими кристаллами а-твердого раствора олова, никеля, цинка в меди, которые по мере роста оттесняют легкоплавкий свинец во внутреннюю поверхность отливки.

'V \V $ V д.-. . 4

- '

■ . - -¿.*

а ,

i

* У

35 мкм

I-1 .,

чаемых в результате кристаллизации. Перегрев сказывается на кристаллизации зерен матрицы только в присутствии взвешенных в жидкости частиц малорастворимых примесей. Эти частицы служат центрами кристаллизации, т.к. для образования устойчивых кристаллических зародышей на таких "активных" частицах требуется меньшее переохлаждение, чем для самозарождения. В результате перегрева расплава выше температуры дезактивации частицы примесей растворяются или утрачивают свою активность, т.е. теряют способность быть центрами кристаллизации [10]. При низкой температуре заливки частицы свинца выталкиваются растущими дендритами, сталкиваются друг с другом и образуют многозвенные скопления. После затвердевания получается мелкозернистая матрица с крупными, расположенными преимущественно по границам зерен, частицами свинцовой фазы (рис. 6, а). При высокой температуре заливки дендриты первичной а-фазы крупнее и разветв-леннее. Поэтому, часть жидкости, обогащенной свинцом, не выталкивается, а захватывается по мере роста дендритов, оказывается "зажатой" в межосевых пространствах (рис. 7, а, б). Структура после кристаллизации - крупные зерна а-фазы и равномерно распределенные внутри зерна матрицы свинцовые включения (рис. 6, б). Этим можно объяснить снижение ликвации свинца по сечению отливки при высоких температурах заливки (рис. 4, а). Равномерное распределение свинцовой фазы в виде компактных частиц при высоких температурах заливки должно благоприятно сказаться на механических свойствах МСОБ.

Рис. 6. Укрупнение зерна матрицы при повышении температуры заливки от: а) 1000 до б) 1250 °С

Характерной особенностью МСОБ является их склонность к дендритной кристаллизации из-за наличия широкого интервала затвердевания. Кристаллизация многокомпонентных бронз, содержащих свинец, начинается с образования зародышей а-твердого раствора, формирования первичных зерен а-твердого раствора и заканчивается кристаллизацией свинцовой фазы. Поэтому формирование свинцовой фазы при кристаллизации зависит, прежде всего, от формирования зерен а-твердого раствора. Для выявления границ зерен а-фазы шлифы травили 10 %-м раствором FeCl3 в HCl. Как видно из рис. 6, а,б, повышение температуры заливки ведет к заметному укрупнению зерен матрицы.

Влияние температуры перегрева на кристаллизацию МСОБ выражается, главным образом, в уменьшении скорости образования центров кристаллизации и укрупнении зерен-кристаллов, полу-

зерна матрицы

свинцовые включения

свинцовые включения

Рис. 7. Структура, образующаяся при: а) низкой и б) высокой температуре заливки

a

а

Выводы

1. Формирование свинцовой фазы в МСОБ зависит от условий кристаллизации зерен а-фазы: измельчение зерна матрицы приводит к укрупнению свинцовых включений.

2. При повышении температуры заливки от 950 до 1250 °С укрупняются зерна матрицы до трех раз; свинцовые включения измельчаются в 1,5.. .2,2 раза.

3. Ликвация свинца снижается с увеличением температуры заливки МСОБ в указанном интервале температур при ЦБ литье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сучков Д.И. Медь и ее сплавы. —М.: Металлургия, 1967. —248 с.

2. Чурсин В.М., Коган Л.Б. Температуры заливки оловянных бронз при изготовлении герметичных отливок // Литейное производство. —1961. — № 4. — С. 1 4.

3. Чурсин В.М. Условия получения равнопрочных отливок из медных сплавов // Литейное производство. —1963. —№ 9. —С. 6—10.

4. Медведев А.И. Особенности получения герметичных отливок из оловянных бронз типа БрОЦ и БрОЦС: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М.: МВМИ, 1971. —26 с.

5. Медведев А.И., Чурсин В.М. Получение герметичных отливок из оловянных бронз // Литейное производство. —1970. — № 8. — С. 14—16.

6. Юдин С.Б., Розенфельд С.Е. О некоторых особенностях кристаллизации центробежных отливок // Литейное производство. — 1959. — № 6. —С. 40—41.

7. Лошкарев Б.И. К вопросу о теории и практике центробежного способа литья // Литейное производство. —1957. —№ 8. —С. 1-6.

8. Свидетельство на ПО 2004610217 РФ. Система компьютерной обработки изображений (система КОИ) / Ю.П. Егоров, Н.В. Мартюшев / Заявлено 24.11.2003; Опубл. 19.01.2004.

9. Лошкарев Б.И. Исследование процесса заливки свинцовистых бронз центробежным способом: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М., 1954. —22 с.

10. Флемингс М. Процессы затвердевания. — М.: Мир, 1977. — 396 с.

УДК 539.3

ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

С.А. Бочкарева*, Б.А. Люкшин, А.И. Реутов*

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. г. Томск E-mail: borisljuk@mail.2000.ru *Томский университет систем управления и радиоэлектроники

При анализе надежности конструкций из полимерных и полимерных композитных материалов применяется вероятностный подход, поскольку для реальных материалов всегда существует некоторый разброс количественных характеристиках их свойств, для конструкций — отклонения размеров от их номинальных значений, для нагрузок — отклонения от средних эксплуатационных значений. Обработка массива параметров напряженно-деформированного состояния конструкций, полученных в результате численных и натурных экспериментов, проводится с помощью методов теории вероятности и математической статистики.

Введение

При анализе параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций и оценке их работоспособности распространенным является подход, который можно назвать детерминистским. Принимается, что все параметры, которыми определяется НДС конструкции, являются определенными с известной точностью величинами. Для задач анализа НДС деталей и конструкций это три группы параметров. Первая из них определяет свойства материала, вторая — геометрию конструкции, третья — способ приложения и интенсивность приложенных нагрузок. Все эти характеристики в той или иной степени носят случайный характер, а конкретные их величины, задаваемые в детерминистском подходе, являются некоторыми средними приближенными значениями. Существующий разброс параметров и их отклонение от средних значений учитывается введением коэффициента запаса прочности, чем компенсируется неопреде-

ленность информации о точных значениях. Можно говорить, что величина коэффициента запаса прочности — это характеристика уровня знания (вернее, незнания) точных значений этих параметров.

Возможность разрушения изделия, таким образом, носит вероятностный характер, и она должна оцениваться соответствующими количественными характеристиками. Вероятностный характер имеют не только выше перечисленные параметры материала, конструкции и нагрузки, но и сами критерии разрушения, поскольку они представляют собой обработку некоторого массива экспериментальных данных. При оценке вероятности безотказной работы (ВБР) необходимо сопоставлять расчетные или экспериментальные данные о НДС конструкции во всех ее точках, имеющие вероятностный характер, с критериями прочности, имеющими такой же смысл. Подобные подходы разрабатываются, например, в [1, 2]. Отличительные особенности предлагаемой работы заключаются в учете разбро-