CC BY
50
56/
2 Мб). 2008 -
ИТЕИНОЕ1 ПРОИЗВОДСТВО,
The influence of thermocyclic processing on structure and running ability such as hardness, wear-resistance and impact elasticity of iron-boron alloys with different quantity of input boron is studied.
H. Ф. HEBAP, P. Л. ТОФПЕНЕЦ, Д. ЧИРУН, БНТУ
УДК 669.141.25
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИТОГО БОРСОДЕРЖАЩЕГО СПЛАВА
Специфика структурообразования и виды термоциклической обработки
В настоящее время в практике обработки металлических материалов используются технологии, в основе которых заложена подача энергии в импульсном режиме (лазерная, плазменная, ультразвуковая и другие способы обработки). Изучены процессы структурообразования и формирования комплекса свойств в отливках, разработаны конкретные технологические процессы обработки [1—7].
Следует отметить, что наиболее полно данные вопросы изучены применительно к тепловой обработке, частным случаем которой является термоциклическая обработка [5—8]. Под термоциклической обработкой (ТЦО) при этом понимают процесс термического воздействия, осуществляемого посредством циклического изменения температуры в определенном интервале, сопровождающийся структурными и фазовыми превращениями при многократных нагревах и охлаждениях, от цикла к циклу. Важная особенность цикла — отсутствие выдержки как при верхней, так и при нижней температурах.
Экспериментальные данные, полученные на промышленных сплавах различного состава и результаты практических разработок, указывают на эффективность использования ТЦО для сплавов с полиморфными и без полиморфных превращений. Основой для выбора температурного интервала ТЦО является диаграмма состояния обрабатываемых сплавов. Применительно к железоуглеродистым сплавам в соответствии с диаграммой состояния Ре—БеС возможны варианты ТЦО с частичной или полной перекристаллизацией: вы-
t/C
сокотемпературная (ВТЦО) с нагревом выше Ас3, среднетемпературная (СТЦО) с нагревом выше Ас1 и низкотемпературная (НТЦО) с нагревом ниже Асх (рис. 1).
По ТЦО металлических сплавов, критериями которой являются фазовые превращения (ос<->у), выполнен большой объем исследований, позволяющих установить некоторые закономерности влияния циклических тепловых воздействий на положение критических точек, состояния аустенита, наследования структуры аустенита мартенситом и др. [5, 6]. Формирование структуры металлов при циклических тепловых воздействиях осуществляется вследствие реализации тех же элементарных процессов структурообразования, которые происходят в статических условиях механических и тепловых воздействий [5, 6, 9]. Инициирование этих процессов приводит к возникновению внутренних напряжений (структурных и термических), которые ответственны за пластическую деформацию металла, так называемый деформационный эффект ТЦО.
При ВТЦО железоуглеродистых сплавов реализация деформационного эффекта, вызванного
Ф^ШГ-
0,01
4 С-,%
Рис. 1. Температурные интервалы циклирования углеродистых сталей
многократным фазовым наклепом при ос<->у-пре-вращении и термическими напряжениями, приводит к дроблению зерен аустенита и интенсификации процесса гомогенизации.
Тепловой эффект проявляется в развитии релаксационных процессов при периодическом охлаждении металла. К специфическим особенностям термоциклической обработки можно отнести следующие.
1. Диспергирование элементов микро- и макроструктуры, сфероидизация избыточных фаз и первичных выделений, отличающихся повышенной хрупкостью. Наиболее заметно этот эффект проявляется в литейных сплавах, в структуре которых присутствуют фазы с резко отличающимися коэффициентами термического расширения [5, 6]. Влияние ТЦО на сфероидизацию фаз наблюдается и в случае реализации полиморфных превращений, а также при их отсутствии.
2. Высокая концентрация точечных дефектов (вакансий) и интенсификация диффузионных процессов.
3. Сохранение особой дислокационной структуры (ячеистой, полигональной, фрагментирован-ной).
4. Интенсификация распада перенасыщенного твердого раствора при старении и диспергирование продуктов распада, повышение плотности выделений.
5. Возможность повышения эксплуатационных свойств металла (прочностных и пластических) в комплексе.
Выбор вида термоциклической обработки, ее температурно-временных режимов определяется прежде всего задачами, которые необходимо решить в каждом конкретном случае.
Конечный результат зависит как от параметров проведения термоциклирования (температурные интервалы, скорости нагрева и охлаждения, число циклов), так и от индивидуальных особенностей подвергаемого обработке материала и его состояния до обработки.
Литые борсодержащие сплавы и их термоциклическая обработка
Борсодержащие литые сплавы — это перспективные материалы для деталей и изделий, работающих в условиях абразивного и кавитационно-го воздействия, сопряженного с ударными нагрузками [8]. Основными эксплуатационными требованиями, предъявляе-мыми к таким сплавам, являются высокая твер-
дость, ударная вязкость и износостойкость. Изделия из этих сплавов можно применять как непосредственно после литья, так и после проведения термической обработки. Основным видом термической обработки борсодержащих сплавов является отжиг.
Рассмотренные ранее закономерности, характерные для термоциклической обработки железоуглеродистых сплавов, позволяют предположить ее положительное влияние на структуру и свойства железобористых материалов.
Для исследования использовали сплавы следующего состава: С — 0,1—0,3%, Мп — 0,5-1,3, Si — 0,8—1,4, В — 1,5—3,8%. Микроструктуры сплавов в литом состоянии с количеством вводимого бора 2 и 6% приведены на рис. 2.
Как следует из рисунка, в зависимости от количества вводимого бора морфология структуры претерпевает заметные изменения. Так, при введении относительно небольшого количества бора (2%) структура представляет собой зерна феррита, по границам которых располагается бо-ридная эвтектика (рис. 2, а). С увеличением количества вводимого бора (6%) отмечается преобладание боридной эвтектики и появление включений боридных фаз Fe2B, Fe3(C, В) (рис. 2, б). Для приведенных микроструктур общей характерной особенностью является дендритное строение образцов сплава и наличие дендритной ликвации.
На основании проведенного анализа имеющихся данных [5—9] был выбран высокотемпературный вариант термоциклирования по следующей схеме: температурный режим 1000<->800 °С, количество циклов — 4, скорость нагрева — 50 °С/с. Образцы нагревали в силитовой печи до температуры 1000 °С, после чего охлаждали на воздухе до 800 °С. Сравнение структуры и свойств проводили с использованием железобористых сплавов аналогичного состава, прошедших отжиг при следующих параметрах: температура — 1000 °С, время выдержки - 4 ч. На рис. 3—5 приведены
а б
Рис. 2. Микроструктуры литых железобористых сплавов: а — 2% введенного бора; 6—6%
введенного бора. х200
58/
гш-^ишм
2 (46). 2008 -
ГШ
микроструктуры сплавов после отжига и термоциклической обработки.
Как следует из проведенного металлографического анализа, после термоциклической обработки бористых сплавов с различным количеством введенного бора отмечается изменение морфологии структурных составляющих. У сплава с количеством введенного бора 2% наблюдаются некоторые характерные изменения (рис. 3). Структура приобретает гомогенный характер за счет того, что в результате обработки происходит диффузионное перераспределение компонентов, входящих в состав металла. При этом отмечаются дробление и сферои-дизация карбоборидной и же-лезобористой фаз Ре2В и Ре3(С, В). Это в свою очередь оказывает существенное влияние на такие свойства, как твердость, ударная вязкость, износостойкость. Такие же характерные изменения в структуре и свойствах отмечаются и у сплавов с большим количеством вводимого бора (рис. 4, 5).
Как следует из сравнительного анализа, все исследованные характеристики сплавов после термоциклической обработки превосходят аналогичные у отжига.
Исследование твердости показало возрастание ее на 15—20% у сплавов, прошедших термоциклическую обработку, по сравнению с отожженными. Износостойкость сплавов, подвергнутых термо-циклированию, также выше. Основное влияние на износостойкость отожженных сплавов оказывает более высокий размер зерна. Из-за этого при абразивном износе увеличивается количество центров выкрашивания боридных фаз. В термоциклированных сплавах данный фактор не проявляется столь явно за счет того, что структура металла
Рис. 3. Микроструктура образца из сплава, полученного при введении после отжига; б — после термоциклической обработки. х500
бора: а —
а б
Рис. 4. Микроструктура образца из сплава, полученного при введении 4% бора: а — после отжига; б — после термоциклической обработки. х500
« б Рис. 5. Микроструктура образца из сплава, полученного при введении 6% бора, модифицированного иттрием: а — после отжига; б — после термоциклической обработки. х500
после термоциклической обработки становится более однородной. Зерна, входящие в матрицу, приобретают округлую форму и не являются концентраторами напряжений. В этом случае износ происходит более равномерно, не так активен процесс выкрашивания более твердых составляющих структуры, таких, как бориды железа и карбоборид.
Из исследованных свойств отмечается наиболее высокий рост значений ударной вязкости. Этот показатель у образцов после термоциклиро-вания возрос на 20—25%. Такой рост возможен
Выводы
В результате изучения, анализа и сравнения полученных данных после проведения ТЦО с данными отожженных сплавов были выявлены следующие закономерности изменения структуры и свойств:
• сплавы, подвергнутые термоциклированию, обладают более мелкой и гомогенной микроструктурой, что положительно влияет на ударную вязкость сплава;
• в термоциклированных сплавах устраняется дендритная структура, характерная для литых и отожженных образцов;
• термоциклическая обработка повышает комплекс эксплуатационных характеристик бор-содержащих сплавов;
• первичные включения таких основных фаз, как Ре2В, Ре3(С, В), более мелкие у сплавов после термоциклирования по сравнению с отожженными сплавами.
ШТТ;Г:ГГ [ГШШгТШ /КО
- 2 Мб), 2008/ иЭ
за счет коагуляции боридных и карбоборидных фаз и, как было отмечено выше, данные фазы не являются концентраторами напряжений в структуре сплава.
Как следует из результатов исследований, термоциклическая обработка уменьшает ликвацию в сплавах, что является определяющим для увеличения конструкционной прочности деталей, изготавливаемых из литого борсодержащего сплава и подвергнутых впоследствии термоциклической обработке. Результаты проведенных испытаний приведены в таблице.
Литература
1. Биронт B.C. Применение ультразвука при термической обработке металлов. М.: Металлургия, 1977.
2. Куммин A.B. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978.
3. Григорянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоциклирования сплавов. М.: Высш. шк., 1988.
4. Спиридонов Н.В., Кобяков О.С., Куприянов И.Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Мн.: Выш. шк., 1988.
5. Федюкин В.К., Смагоринский М.Г. Термоциклическая обработка материалов и деталей машин. JL: Машиностроение, 1989.
6. Тофпенец PJL, Шиманский И.И., Анисо-вич А.Г. и др. Физические основы термоциклической обработки стареющих сплавов. Мн.: Навука i тэхнжа, 1992.
7. Не вар Н.Ф., Фасевич Ю.Н. Исследование влияния термообработки на структуру и свойства бористых сплавов // Литье и металлургия. 2000. №4. С. 72-74.
8. Не вар Н.Ф. Свойства сплавов с повышенным содержанием бора // Литье и металлургия. 2000. № 2. С 15—17.
9. Дьяченко С.С., Кузьменко Е.А., Полянич-ка А.И. Особенности влияния холодной деформации и ТЦО на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей // Термоциклическая обработка металлических изделий. Л., 1982. С. 18—19.
Сплав, содержание бора, % Твердость HRC Износ И, кг/м2 Ударная вязкость а, МДж/м2
отжиг ТЦО отжиг ТЦО отжиг ТЦО
2 33-34 40-42 5,0-5,2 4,3-4,7 4,8-5,2 6,0-6,4
4 42-^3 48-50 4,2-4,6 3,6-4,0 4,2-4,6 5,2-5,6
6 48-50 55-58 2,8-3,2 2,2-2,6 3,4-3,8 4,2-4,6
