Влияние внешних воздействий на структуру и свойства стальных отливок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74:669.1 Ефимов А.В.

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

Аннотация. В настоящее время на производстве применяется большое разнообразие способов улучшения качества металла, воздействуя на него на стадии кристаллизации. Регулировать свойства готового металла можно уже на начальных стадиях приготовления - с помощью внешнего воздействия на расплав. Варьируя режимы и методы обработки расплава, можно в широких пределах изменять структуру и свойства металла. Работа посвящена исследованию способа физического воздействия на кристаллизующийся расплав стали, позволяющий существенно влиять на его структуру и свойства [1].

Ключевые слова: электромагнитный импульс, высокотемпературная обработка, зерно, структура, время выдержки, критическая температура.

Новым способом обработки

кристаллизующихся расплавов является воздействие наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Применение

высоковольтных нано- и субнаносекундных импульсов постоянно расширяется в связи с развитием и удешевлением аппаратуры их формирования. Цель работы: изучение влияния наносекундного электромагнитного импульса на стальные сплавы в процессе их кристаллизации [2].

Выплавка стальных сплавов осуществлялась в индукционной тигельной печи емкостью 30 кг. В процессе выплавки производилась

высокотемпературная обработка расплавов. Химический состав полученных сплавов представлен в табл. 1. Высокотемпературная обработка (ВТОР) относится к одному из самых эффективных и успешно развиваемых способов теплового воздействия на расплав стали. При высокотемпературной обработке происходит рафинирование и гомогенизация расплава стали, что приводит к повышению целого ряда различных

характеристик. Целью высокотемпературной обработки является снижение влияния неметаллических включений в процессе кристаллизации, снижение шихтовой

наследственности, подготовка расплава к кристаллизации под электромагнитным импульсом

[3].

Экспериментальным способом установлено оптимальное время выдержки расплава при критической температуре, равное 10 мин. Процесс высокотемпературной обработки стали представлен на рис. 1.

Величина критической температуры высокотемпературной обработки определялась расчетным путем в зависимости от химического состава стали по правилу аддитивности (табл. 2). Температура разупорядочения - это температура, при которой расплав находится в гомогенном состоянии, отсутствуют кластерные группы и явление гистерезиса [4].

Химический состав исследуемых сплавов

Таблица 1

Марка стали C Si Mn S P Cr Ni Cu V

35Л 0,4 0,5 0,9 0,05 0,04 0,3 0,12 0,3 0,18

150ХНМ 1,5 0,46 0,54 0,05 0,03 1,0 0,73 0,18 ----

Таблица 2

Температура разупорядочения__

Сталь ДНраз кДж/моль фраз А, коэфиц. Т раз при фраз=0,5

35Л 51133 0,275156 8,8297 1870 0С

150ХНМ 49717 0,273214 8,7476 18170С

© Ефимов А.В., 2018

Время I

Рис. 1. Процесс высокотемпературной обработки стали при ее выплавке

Эксперименты по обработке расплавов металлов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) впервые проводились под руководством В.В. Крымского. Для алюминиевых сплавов наблюдалось заметное улучшение не только механических, но и эксплуатационных характеристик. Технологические процессы производства металлических расплавов связаны с переводом исходных материалов в расплавленное состояние и последующую кристаллизацию системы. Традиционно,

исследователи большее внимание уделяют именно второй стадии, т.е. поиску оптимальных условий кристаллизации. Попытки же воздействия на металл на стадии расплава ограничиваются лишь дополнительным легированием и рафинированием, с целью оптимизации состава и удаления вредных примесей. В работе предлагается способ внешнего воздействия на расплав, обеспечивающий получение литого металла с повышенным комплексом свойств

[1, 5].

В экспериментах использовался генератор фирмы «FID Technology», модель ГИН - 20 - 1. Частота наведения электромагнитного импульса в процессе обработки расплавов составляет 1000 Гц:

- длительность импульса 0.5 нс;

- амплитуда 10 кВ.

После заливки расплава в форму, на него сразу же подавался наносекундный электромагнитный импульс. Длительность воздействия

электромагнитного импульса производилась до полного затвердевания отливки в форме (рис. 2).

Рис. 2. Схема испытательной установки:

1 - графитовый электрод с активным анодом; 2 - отливка; 3 - ПГФ; 4 - графитовый электрод с пассивным катодом; 5 - источник НЭМИ.

Среднеуглеродистая литая сталь 35Л без термообработки имеет ферритно-перлитную структуру с видманштеттовым (ориентированным) распределением феррита и наличием ферритной сетки по границам бывших аустенитных зерен. После обработки НЭМИ происходит значительное упорядочение и измельчение зерна, повышаются твердость и прочность стали (рис. 3). В табл. 3 представлены механические свойства образцов из стали 35 Л. Микроструктура стали типа 150ХНМ в исходном (литом) состоянии представляет смесь тонкодисперсного перлита и цементита, располагающегося по границам зерен в виде сетки с участками грубого игольчатого строения [6, 7].После обработки НЭМИ аналогично происходит значительное упорядочение и измельчение зерна (рис. 3). В табл. 4 представлены механические свойства образцов из стали 150ХНМ. Из полученных данных можно сделать вывод о том, что произошло повышение пластичных свойств металла, в частности вдвое повысилась ударная вязкость. Кристаллизация с использованием НЭМИ может производиться и без ВТОР и прочей какой-либо предварительной подготовки. Несмотря на более сниженное влияние, НЭМИ также оказывает положительное влияние на структуру и свойства отливок. Структура образцов представлена на рис. 5. В табл. 5 представлены данные механических свойств образцов, прошедших НЭМИ обработку

а б

Рис. 3. Структура стали 35Л: а - литая; б - прошедшая ВТОР и НЭМИ.

Таблица 3

Механические свойства стали 35Л

Образец стали 35Л Твердость, НВ Износостойкость, Ки Предел прочности Ов, МПа Ударная вязкость KCV, Дж/\см2

Литой 110 1,26 362 22

ВТОР+НЭМИ 393 1,27 1305 10

Рис. 4. Структура стали 150ХНМ: а - литая; б - прошедшая ВТОР и НЭМИ.

Таблица 4

Механические свойства стали 150ХНМ

Образец стали 150ХНМ Твердость, НВ Износостойкость,Ки Предел прочности Ов, МПа Ударная вязкость KCV, Дж/см2

литой 378 1,17 1410 8

ВТОР+НЭМИ 352 0,76 1180 16

35Л 150ХНМ 4Х5В2ФС

Рис. 5. Структура образцов стали, прошедших НЭМИ обработку без ВТОР

Таблица 5

Механические свойства образцов без (ВТОР)__

Образец стали Твердость, НВ Износостойкость, Ки Предел прочности Ов МПа Ударная вязкость ^^ Дж/см2

35Л лит. 110 1,26 362 22

35Л литой НЭМИ 115 1,15 382 16

150ХНМ литой 378 1,17 1410 8

150ХНМ НЭМИ 501 1,5 1740 8

4Х5В2ФС Литой 373 1,43 1250 ---

4Х5В2ФС НЭМИ 451 1,61 1550 ---

Вывод

Использование высокотемпературной обработки и наносекундного электромагнитного импульса, как внешних воздействий на структуру и свойства стали, позволяет в значительной степени улучшить качество отливок уже на начальных стадиях приготовления сплавов.

Список литературы

1. Балакирев В.Ф, Крымский В.В, Шабурова Н.А. Электромагнитное облучение расплавов // Тезисы докладов восьмого международного уральского семинара «Радиационная физика металлов и сплавов». Снежинск, 2009. С. 2931.

2. Балакирев В.Ф, Крымский В.В, Шабурова Н.А. Наноимпульсные технологии/ под ред. акад. РАН Л.А. Смирнова. Челябинск, 2012.

3. Савина Л.Г. Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства

высокоуглеродистых сплавов железа: дис. канд. техн. наук. Екатеринбург, 2003. 129 с.

4. Чернов В.П. Теория расплавов: учеб. пособие. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. 79 с.

5. Электроимпульсные нанотехнологии Балакирев В.Ф., Крымский В.В, Кулаков Б.А., Ри Хосен., под ред. чл.-корр. РАН Л.А. Смирнова. Екатеринбург: УрО РАН, 2009.

6. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1978. 648 с.

7. Образование горячих трещин в низколегированной стали: исследование критических режимов /Брунелли К., Бруски С., Джотти А., Ленчина Р., Дабала М.// Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. №1. С. 79-87.

Сведения об авторах

Ефимов Андрей Витальевич - аспирант кафедры «Технологии металлургии и литейных процессов», ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова». Магнитогорск, Россия. E-mail: Unspok@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

THE IMPACT OF EXTERNAL INFLUENCES ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEEL CASTINGS

Efimov Andrey Vitalevich - Postgraduate student of the Department: "Technologies of metallurgy and foundry processes", Nosov Magnitogorsk State Technical University. Magnitogorsk, Russian Federation. E-mail: Unspok@mail.ru.

Abstract. Currently, the production uses a wide variety of ways to improve the quality of the metal, affecting it at the stage of crystallization. The properties of the finished metal can be adjusted at the initial stages of preparation by external influence on the melt. By varying the modes and methods ofprocessing of the melt, it is possible to change the structure and properties of the metal within a wide range. The work is devoted to the study of the method ofphysical action on the crystallizing melt of steel, which allows to significantly influence its structure and properties.

Keywords: Electromagnetic pulse, heat treatment, grain structure, exposure time, temperature is critical.

Ссылка на статью:

Ефимов А.В. Влияние внешних воздействий на структуру и свойства стальных отливок // Теория и технология металлургического производства. 2018. №3(26). С. 8-11.

Efimov A.V. The impact of external influences on the structure and properties of steel castings. Teoria i tecnologia metallurgiceskogo proizvodstva.