CC BY
112
МЕТАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МЕТАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 621.74:669.1
Давлеткильдина Л.З., Ефимов А.В., Чернов В.П.
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ И НАНОСЕКУНДНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
Аннотация. В процессе производства слитков, заготовок и отливок для подавления и предотвращения дефектов получили распространение многочисленные технологические приемы, которые с определенной степенью условности можно разделить по способу воздействия. Для подавления и предотвращения дефектов получили распространение многочисленные технологические приемы, воздействующие на слиток в процессе затвердевания. В основу динамических методов положен принцип принудительного физического воздействия на жидкую фазу в ходе затвердевания. Эти приемы обычно обеспечивают активное воздействие не только на тепло - и массоперенос в жидкой фазе, но также существенно изменя-ют характер протекания процессов в двухфазной зоне. Высокотемпературная обработка (ВТОР) относится к высокоэффективному и успешно развиваемому способу воздействия на расплав стали. Это один из способов теплового воздействия на металл. Он заключается в нагреве металла до определенной температуры, выдержке при этой температуре в течение определенного времени, а затем охлаждении до температуры разливки или же выдержки металла вблизи температур разливки. Происходит рафинирование и гомогенизация расплава стали, что приводит к повышению целого ря-да различных служебных характеристик и качества самих отливок. Переходу системы в равновесное состояние или состояние, близкое равновесному, способствует нагрев до этих высоких критических температур. Чем выше у расплава его степень равновесности и равномерности распределения в нем атомов легирующих компонентов, тем слабее наследственное влияние шихтовых материалов и стабильнее качество отливок [1, - 3].
В настоящее время применение высоковольтных нано - и субнаносекундных импульсов постоянно расширяется в связи с развитием и удешевлением аппаратуры их формирования. В данном случае генератор, с помощью которого осуществлялся эксперимент, содержит размыкатель тока, включенный параллельно нагрузке и накопителю (индуктивность или линия). Схемы с параллельными ключами существенно более надежны, чем с последовательными [4].
Ключевые слова: сталь, высокотемпературная обработка, электромагнитный импульс, частота, структура, зерно, твердость, износостойкость.
Основным способом для получения металлов без следов структурной наследственности является высокотемпературная обработка расплава. Она относится к одному из успешно развиваемых в России способах металлургического воздействия на стальной расплав. Тепловое высокотемпературное воздействие на расплав стали дает возможность нивелировать воздействия нежелательных примесей и получать необходимую структуру в отливках с меньшим размером зерна, а также повышенной пластичностью и прочностью металла. Осуществляется возможность регламентировать газовые и неметаллические включения. Повышаются упругие свойства сталей, увеличивается их температуропроводность. Первоначально наносекундные электромагнитные импульсы (НЭМИ) без несущей частоты применялись для создания радиолокационных станций. Позднее НЭМИ стали использовать для обработки жидких материалов.
Существует три направления воздействия НЭМИ на вещества: воздействие на различные водные растворы; воздействие на расплавы металлов и сплавов; воздействие на жидкие углеводороды. Типичной для облучения расплавов металлов является установка, показанная на рис. 1. В данной установке тигель должен быть из проводящего материала - металла или
© Давлеткильдина Л.З, Ефимов А.В., Чернов В.П., 2017
графита. Защитная кварцевая или алундовая трубка предназначена для изоляции излучателя от расплава. В качестве теории воздействия НЭМИ на метал-лы предложена гипотеза перехода электромагнитного импульса в акустический. Сравнение действия на металлы НЭМИ и акустических колебаний показало совпадение их воздействий на ряд свойств металлов [5, 6].
Рис. 1. Схема установки: 1 - печь сопротивления; 2 -токопроводящий тигель с расплавом; 3 - защитная трубка; 4 - излучатель; 5 - асбестовая крышка; 6 -подводящий кабель; 7- генератор импульсов Для обработки металлических расплавов подбирались
такие режимы работы генератора, которые обеспечивали наиболее заметное изменение структуры и свойств.
Выплавка в стали осуществлялась в индукционной тигельной печи емкостью 30 кг. При выплавке нагрев стали производили до 1800 0С, затем выдержка при этой температуре в течение 10 мин и после сразу разливка стали в сухую песчано-глинистую форму, в которой осуществлялась обработка наносекундным электромагнитным импульсом через графитовые электроды при процессе кристаллизации отливки (рис.4). Процесс нагрева стали представлен на рис. 2. Химический состав стали составляет: С - 1.4; 81 -0.44; Мп - 0.53; Р - 0.018; 8 - 0.015; Сг - 0.99; N1 -0.75; Си - 0.13; V - 0.016; W - 0.011; А1 - 0.030; Мо -0.18; № - 0.003 %. Химический состав стали определялся на эмиссионном спектрометре «SPECTROMAX» фирмы <^РЕСШО».
Рис.2. Процесс высокотемпературной обработки стали при ее выплавке
В данном эксперименте использовался генератор НЭМИ фирмы «FID Technology». Он содержит размыкатель тока, включенный параллельно нагрузке и накопителю (рис. 3).
В процессе заливки в сухую песчано-глинистую форму одновременно производилась подача наносе-кундного электромагнитного импульса на расплавленный металл. Отливка находилась под действием НЭМИ до полного затвердевания. Структура литой стали состоит из зернистого перлита и тонкой цементитной сетки, а также имеются вкрапления карбидов. Она состоит из перлитной матрицы и вторичного цементита, выделившегося по границам дендритных ветвей и первичных зерен аустенита в виде сетки и грубых пластин, растущих от пограничной сетки внутрь дендритных ветвей. В междуветвиях дендритов образуются участки эвтектического карбида. Вдоль сетки и пластин вторичного карбида образуется ферритная оболочка. В зависимости от скорости охлаждения ниже точки А1 эвтектоидный аусте-нит превращается либо в пластинчатый, либо частично в пластинчатый, а частично в зернистый перлит [7]. Сталь заэтектоидная (рис. 5).
Рис. 3. Формирователи импульсов с параллельным размыкающим ключом: II - накопленный ток в L1; С1 - паразитная ёмкость ключа S1; Я1 - сопротивление нагрузки
Рис.4. Отливка в форме с графитовыми электродами: 1 - графитовый электрод с активным анодом; 2 - пес-чано-глинистая форма; 3 - графитовый электрод с пассивным катодом; 4 - электрод с отрицательным полюсом; 5 - электрод с положительным полюсом;
6 - источник (НЭМИ)
х100 х500
Рис.5. Структура литой стали
При перегреве без НЭМИ количество цементита уменьшилось. Цементитная сетка почти вся растворилась (матрица разрушилась), стала тонкой и разо-
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
рванной. Зерно значительно укрупнилось. Перлит из зернистого перешел в пластинчатый. Перегрев с НЭМИ структура состоит из эвтектики (механической смеси перлита и карбидов). Перлит обычный. Рост дендридов происходил в направлении к аноду при обработке НЭМИ, отсюда имеется направленная кристаллизация в сторону анода. Появились легированные карбиды правильной квадратной формы, возможно, это связано с направлением кристаллизации (рис. 6).
а б
х100 х500
Рис.6. Структура стали: а - прошедшая (ВТОР); б - прошедшая (ВТОР) и (НЭМИ)
Высокотемпературная обработка способствует снижению твердости стали, повышению ее пластичности. Наносекундный электромагнитный импульс, используемый в процессе кристаллизации, во всех случаях способствует упорядочиванию и измельчению структуры стали, частично повышая ее твердость. Данные механических свойств представлены в таблице.
Наносекундный электромагнитный импульс, используемый при кристаллизации, без высокотемпературной обработки расплава измельчает и упорядочивает зерно стали, соотношение перлита к цементиту значительно не меняется. Цементитная сетка частично растворяется, становится более тонкой и прерывистой. Происходит упорядочивание всей структуры в целом (рис. 7). Повышается твердость и износостойкость.
Обработка расплава НЭМИ приводит к изменению количества и размеров зон кристаллизации. В обработанном металле быстро устанавливается направленный тепловой поток от центра слитка к стенкам формы, о чем свидетельствует преобладание в строении слитка зоны столбчатых кристаллов. Наблюдается изменение формы эвтектических выделений, происходит повышение твердости металла.
а б
х100 х500
Рис.7. а - структура литой стали; б - кристаллизация с (НЭМИ)
Механические свойства
Список литературы
1. Коваленко Л.В., Панов А.Г. Применение внешних воздействий при затвердевании слитков. М.: Металлургия, 2003. 153 с.
2. Савина Л.Г. Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства высокоуглеродистых сплавов железа: дис. канд. техн. наук. Екатеринбург, 2003. 129 с.
3. Жидкая сталь / Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В., Клименков К.А. М.: Металлургия, 1984. 208 с.
4. Крымский В.В., Литвинова Е.В., Шабурова Н.А. Воздействие импульсных электромагнитных полей на свойства веществ: конспект лекций. Челябинск, 2010. С. 5
5. Крымский В.В., Литвинова Е.В. Излучатели нано-секундных волн. Челябинск: ООО «ЦПС Сварка и контроль», 2010. 133 с.
6. Романова А.В. Структура и свойства металлических расплавов // Металлы, электроны, решетка. Киев: Наук. думка, 1975. 217 с.
7. Ефимов А.В., Чернов В.П. Термовременная обработка отливок из стали марки 150ХНМ // Вестник Магнитогорского технического университета им. Г.И. Носова. 2017. №1. С. 79-84.
8. Чернов В.П., Насонов П.Н. Исследование свойств отливок, закристаллизованных в форме и в термической печи // Теория и технология металлургического производства. 2010. №1. С. 103-107.
Образец Твердость, HRC Ки
Литой 45 - 46 1,18
(ВТОР) 30 - 32 0,81
(ВТОР) и (НЭМИ) 37 - 39 0,75
(НЭМИ) 51 - 52 1,50
Сведения об авторах
Давлеткильдина Лейсян Закировна - магистрант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия.
Ефимов Андрей Витальевич - аспирант, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected].
Чернов Виктор Петрович - д-р техн. наук, проф., Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Магнитогорск, Россия._
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE INFLUENCE OF HIGH TEMPERATURE PROCESSING AND NANOSECOND ELECTROMAGNETIC PULSES ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF STEEL CASTINGS
Davletkildina Leysan Zakirovna - Graduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Efimov Andrey Vitalievich - Graduate student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Chernov Viktor Petrovich - D. Sc. (Eng.), Professor. Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia.
Abstract. In the process of production of ingots, blanks and castings for the suppression and prevention of defects has spread to many technological methods, which with a certain degree of conditionality can be divided by way of exposure. To suppress and prevent defects have spread numerous technological methods of influencing the ingot in the solidification process. The basis of the dynamic methods based on the principle of forced physical impact on the liquid phase during solidification. These techniques usually provide active impact not only on heat and mass transfer in the liquid phase, but also greatly change the nature of the processes in the two-phase zone. Heat treatment refers to a highly efficient and successfully develop the method of influence on the melt of steel. This is one of the ways thermal effects on the metal. It consists in heating the metal to a certain temperature, holding at this temperature for a certain time, and then cooling to the temperature of pouring or soaking of metal close to the pouring temperature. Is the refining and ho-mogenization of the molten steel, leading to increase in a range of different service characteristics and the quality of the castings. The transition of the system to equilibrium, or as close to equilibrium, contributes to the heating to these high critical temperatures. The higher melt his degree of equilibrium and the uniform distribution in it of atoms of the alloying elements, the weaker genetic effect of charge materials and stable quality castings.
At present, the application of high voltage nano - and subnanosecond pulses is constantly growing in connection with the development and cheapening of apparatus for their formation. In this case, the generator is of the type in which it contains a current breaker connected in parallel to the load and drive (inductance or line). Scheme with parallel keys is significantly more secure than with a serial.
Keywords: Steel, heat treatment, electromagnetic pulse, frequency, structure, grain, hardness, wear resistance.
Ссылка на статью:
Давлеткильдина Л.З, Ефимов А.В., Чернов В.П. Влияние высокотемпературной обработки и наносекундного электромагнитного импульса на структуру и свойства стальных отливок // Теория и технология металлургического производства. 2017. №2(21). С. 11-14.
Davletkildina L.Z., Efimov A.E., Chernov V.P. The influence of high temperature processing and nanosecond electromagnetic pulses on the structure and properties of steel castings // Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 11-14.
