CC BY
51DOI: 10.25712^т2072-8921.2019.01.031 УДК 621.785
ВЛИЯНИЯ РАСКИСЛИТЕЛЯ НА НАЛИЧИЕ КАМНЕВИДНОГО
ИЗЛОМА СТАЛИ 35ХГСЛ
Поярков М.С., Скрябин М.Л., Чухлова С.С.
Аннотация: в работе рассмотрена классификация дефектов отливок, получаемых при электродуговой выплавке. Особый интерес для исследователей представляет камневидный и нафталинистый изломы, но четкого механизма, объясняющего его происхождение, до сих пор нет. В данной работе исследовано образование камневидного излома стали 35ХГСЛ. Камневидный излом характеризуется четко выраженной однородной поверхностью, по которой происходит разрушение. На границах зерен присутствуют ограничено растворимые в аусте-ните фазы, состоящие из мелких частиц или отдельных пленок, образованных из оплавленных эвтектик. Камневидный излом образуется в результате высокотемпературного нагрева, как правило, при температуре около 1200...1250°С. На поверхности камневидного излома всегда присутствует матовый светло-серый оттенок, с характерным металлическим блеском. Отдельные, четко выраженные камневидные зерна можно выявить в процессе термической обработки. При нагреве до температуры 1280...1360°С отдельные зерна аусте-нита начинают расти и принимают форму многогранника. Затем в этих зернах начинают растворяться карбиды легирующих элементов, цементит и нитриды. Вредные примеси, такие как азот и сера, на околофазной и межфазной границе образуют особо тонкие пленки сульфидов, способные сохраняться после охлаждения. Именно эти факторы влияют на уменьшение ударной вязкости. Также стоит отметить, что в большинстве случаев камневидный излом наблюдается именно по границам зерен. Рассматривая в качестве модификатора при плавке стали 35ГХСЛ силикокальций СК30, можно отметить полное отсутствие камневидного излома у полученных образцов. В целом силикокальций способствует предотвращению появления камневидного излома, но всех закономерностей появления камневидного излома у исследуемой стали не выявлено.
Ключевые слова: сталь 35ХГСЛ, дефекты стали, камневидный излом, термическая обработка, раскисление стали, микроструктура стали.
Для повышения качества выпускаемых современной промышленностью деталей одной из главных операций является своевременное выявление отдельных дефектов, которые во время работы могут привести к необратимым последствиям.
Производственный дефект металлических материалов — это отклонение от качественного состава или предусмотренных технических параметров. Сюда можно отнести отклонения от химического и фазового состава, состояние поверхностного слоя и т.д.
В целом, абсолютно в любом металлическом материале или сплаве присутствуют те или иные дефекты, но часть из них незначительные, что практически не сказывается на качестве готовой продукции. Именно для регулирования дефектов существуют стандарты, определяющие наличие тех или иных отклонений.
Согласно ГОСТ 15467-79 дефектами называются отдельные несоответствия продукции установленным требованиям. Де-
фекты, полученные при литье, можно разделить на пять групп [1,2]:
- несоответствие по геометрической форме;
- дефекты поверхностного слоя;
- несплошности, образующиеся в теле отливки;
- несоответствие по структуре металла;
- наличие неметаллических включений.
Кроме литейных дефектов, в отлитых деталях могут присутствовать и дефекты в изломах [3]:
- межкристаллитные прослойки (сколы, слоистые изломы);
- обезуглероженный и науглероженный слой;
- черный излом;
- камневидный и нафталинистый излом.
Особый интерес представляет камневидный излом, так как до сих пор нет четкого механизма, объясняющего его происхождение.
Камневидный излом характеризуется четко выраженной однородной поверхностью, по которой происходит разрушение. Обычно
разрушение проходит по зернограничным объектам, которые образуются при достаточно высоких температурах. На границах зерен присутствуют ограничено растворимые в аустените фазы, состоящие из мелких частиц или отдельных пленок, образованных из оплавленных эвтектик. Камневидный излом образуется в результате высокотемпературного нагрева, как правило, при температуре около 1200...1250°С [4].
На поверхности камневидного излома всегда присутствует матовый светло-серый оттенок, с характерным металлическим блеском. Отдельные, четко выраженные камневид-ные зерна можно выявить в процессе термической обработки.
Камневидный излом, образующийся в литой стали можно разделить на две группы: первичный и вторичный [5,6].
Первичный камневидный излом наблюдается в процессе перегрева. Он образуется из-за появления особой грануляционной структуры a-Fe, которая формируется в процессе кристаллизации при низкой скорости охлаждения в области достаточно высоких температур. Одновременно на границах зерен начинают выделяться ограниченно растворимые в Y-фазе карбиды углерода, легирующие элементы, сульфиды и нитриды.
Вторичный камневидный излом образуется в процессе высокотемпературной механической обработки после перегрева металла, такой как свободная или машинная ковка, горячая объемная штамповка, прокатка и т.д.
Рассмотрим механизм, по которому образуется вторичный камневидный излом: при нагреве до температуры 1280...1360°С отдельные зерна аустенита начинают расти и принимают форму многогранника. Затем в этих зернах начинают растворяться карбиды легирующих элементов, цементит, сульфиды и нитриды.
Вредные примеси, такие как азот и сера, на околофазной и межфазной границе образуют особо тонкие пленки сульфидов, способные сохраняться и после охлаждения. Также стоит отметить, что в большинстве случаев камневидный излом наблюдается по границам зерен с тонкими сульфидными пленками. Именно эти факторы влияют на уменьшение ударной вязкости и снижают отдельные механические характеристики.
Камневидный излом наблюдается у деталей, полученных с помощью электродуговой выплавки, а также у деталей после электродуговой выплавки с дальнейшим электрошлаковым переплавом.
Различают устойчивый и неустойчивый
камневидный излом. Устойчивый камневидный излом разделяют на излом первого и второго рода.
Рассматривая камневидный излом первого рода, следует отметить, что его можно исправить при нижних температурах фазовых превращений. Но при термической обработке это практически невозможно. Камневидный излом второго рода можно исправить гомоге-низационным отжигом или с помощью высокотемпературной нормализации. Но все эти операции достаточно энергозатратны и трудоемки, что сказывается на стоимости конечной продукции.
Исследования, проведенные на АО «ВМП «АВИТЕК», позволили предположить, что, что на некоторые механизмы образования камневидного излома оказывает влияние наличие редкоземельных металлов, вводимых при выплавке стали. Их вводят в качестве раскислителя при плавке конструкционной легированной стали 35ХГСЛ [7]. Эта сталь чаще всего используется в узлах самолетов, двигателях и других высоконагруженных агрегатах, обладающих повышенной надежностью.
Для подтверждения влияния редкоземельных элементов на камневидный излом было принято решение в часть проводимых плавок добавлять силикокальций СК30.
Силикокальций - это активный комплексный раскислитель, который является дегазатором литейных сталей и литейного чугуна, а также эффективный десульфуратор. Процесс заключается в восстановлении оксида кальция извести кремнием ферросилиция. В таблице 1 представлен химический состав сили-кокальция СК30.
Таблица 1 - Химический состав СК30
Массовая доля,%
Ca Si Al C P
не менее не более
30 50 2,0 0,5 0,02
В данном исследовании рассматривались 36 плавок: 26 плавок, где раскислителем являлся алюминий Al99, добавленный по 160 г. в каждую плавку, и 10 плавок, где использовался силикокальций СК30, добавленный в каждую плавку также по 160 г [8,9].
В таблице 2 приведены, какие плавки исследовались, и в каких плавках был обнаружен камневидный излом.
Для исследования влияния микролегирования на наличие камневидного излома были отобраны 5 плавок: 27, 33, 34, 35, 44, как с кам-невидным изломом, так и без него. В таблицах
3, 4 представлены химический состав и механические свойства данных образцов. На рисунках 1-5 изображены изломы образцов данных плавок.
Таблица 2 - Наличие камневидного излома в плавках стали в зависимости от вида раскислителя: А1 99 и СК 30
Раскислитель А199 Раскислитель СК 30
Камневидный излом не обнаружен
19, 22, 23, 24, 40, 41, 47, 49, 51,52,53 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 54
Камневидный излом обнаружен
20, 21, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 42, 43, 44, 45, 46, 48, 50 -
улт^ 1800 ЗЮО 5403 7200 9СОО 10800 12603 14403 162С0 18СОО 19800 21600 23400 25200 27000 28800
1-:
¡т 1800 3600 5400 7200 90СО 10800 12600 144С0 16200 18000 19600 21000 23400 25200 27000 28800
...................................................................'иЛ4+1
8-3
Рисунок 3 - Излом плавки № 34 из стали 35ХГСЛ (раскислитель А199)
Рисунок 1 - Излом плавки № 27 из стали 35ХГСЛ (раскислитель СК30)
Рисунок 2 - Излом плавки № 33 из стали 35ХГСЛ (раскислитель СК30)
Рисунок 4 - Излом плавки № 35 из стали 35ХГСЛ (раскислитель А199)
Рисунок 5 - Излом плавки № 44 из стали 35ХГСЛ (раскислитель А199)
В таблице 3 приведен элементарный
химическим состав сталей различных плавок стали 35ХГСЛ. Состав определялся с помощью энергодисперсионного рентгено-флуоресцентного спектрометра EDX-720Р/800Р
Таблица 3 - Химический состав образцов
№ плавки Химические элементы, %
С Мп Сг Э1 Мо 1\Н
27 0,36 1,13 0,87 0,85 0,16 0,14
33 0,34 1,08 0,82 0,82 0,14 0,19
34 0,36 1,20 1,10 0,80 0,17 0,32
35 0,37 1,22 1,10 0,79 0,18 0,32
44 0,36 1,19 0,91 0,76 0,16 0,22
Механические свойства выбранных образцов удовлетворяют требованиям ОСТ 1 9009382 [8,10].
Микроструктуры после окончательной термической обработки (рисунки 6 - 10) практически не отличалась между удовлетворительными и забракованными образцами, но наблюдался игольчатый сорбит на плавке № 27 (рисунок 6) и на плавке № 33 (рисунок 8).
Таблица 4 - Механические свойства образцов из стали 35ХГСЛ
Из таблицы 3 видно, что плавки 34 и 35 содержат превышающее норму содержание хрома, что, возможно, способствовало появлению камневидного излома, но в плавке 44 все элементы находятся в пределах, но камневид-ный излом все же присутствует.
№ плавки ав, МПа б, % Ф, % КСи, Дж/см2 НВ
требуемые свойства >1000 >9 >25 >3 277331
27 1059 14,0 43,7 6,5 302
33 1010 15,0 29,5 7,2 321
34 1068 14,0 46,7 4,5 311
35 1059 14,0 39,2 6,2 231
44 1068 13,0 32,7 6,5 311
Рисунок 6 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 27) после окончательной
термической обработки
Рисунок 7 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 33) после окончательной термической обработки
Рисунок 8 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 33) после окончательной термической обработки с четко выделенными зернами сорбита
Рисунок 9 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 34) после окончательной
термической обработки
Рисунок 10 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 35) после окончательной
термической обработки
от общей массы. Основное применение - в качестве раскислителя. В целом силикокальций СК30 повышает твердость стали и ее стойкость к коррозии. Ферросплав содержит с своем составе до 30% кальция, но до 10...15 % кальция может быть представлено в форме комплексных и простых оксидов, что приводит к нестабильному усвоению элемента. Также СК30 способствует предотвращению появления камневидного излома, но всех закономерностей появления камневидного излома в отливках из стали не выявлено.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чернышов Е. А., Евстигнеев А.И., Евлам-пиев А.А. Литейные дефекты. Причины образования. Способы предупреждения и исправления: Учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2008. -282с.
2. Новоклещева С.М., Виноград М.И. Дефекты стали. - М: Металлургия, 1984. - 199 с.
3. Дефекты отливок [Электронный ресурс] // URL: http://www.modificator.ru.
4. Гаранин В.Ф., Иванов В.Н., Казеннов С.А. Литье по выплавляемым моделям. - М.: Машиностроение, 1994. - 448 с.
Рисунок 11 - Микроструктура стали 35ХГСЛ (плавка № 44) после окончательной термической обработки
Рассматривая в качестве модификатора силикокальций СК30 с повышенным содержанием кальция и кремния, можно отметить полное отсутствие камневидного излома у плавок с его добавлением. СК30 относится к ферросплавам, хотя железо в нем содержится лишь в виде примеси, составляющей не более 5%
5. Герасимова Л.П., Ершов А.А. Изломы конструкционных сталей. - М: Металлургия, 1987. -272 с.
6. Скрябин М.Л., Чухлова С.С. Исследование влияния тонких нитридных пленок алюминия на камневидный излом литой стали // Информационно-технологический вестник. 2018. № 3 (17). С. 158-153.
7. Гольдштейн Я. Е., Лазарева М. П. Влияние редких металлов и серы на образование камневид-ного излома [Электронный ресурс] // URL: http://www.amerest.ru.
8. ОСТ 1 90093-82. Отливки фасонные из конструкционной легированной стали. 1982. - 13 с.
9. КТТП литья №047. Приготовление сплава 35ХГСЛ и заливка его в формы. - АО «ВМП «АВИ-ТЕК». 2004. - 39 с.
10. Механические свойства металлов [Электронный ресурс] // URL: https://elhow.ru.
Поярков Михаил Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения, сопротивления материалов и
деталей машин, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Вятская государственная сельскохозяйственная академия; тел. 8(922)-665-53-87, poyar-
kov_ms@vgsha. info;
Скрябин Максим Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения, сопротивления материалов и деталей машин, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Вятская государственная сельскохозяйственная академия; тел. 8(953)-674-09-65, max. dvs@mail.ru;
Чухлова Светлана Сергеевна, инженер-технолог, акционерное общество «Вятское машиностроительное предприятие «АВИТЕК», г. Киров; тел. 8(922)-905-88-55, chsss27@yandex.ru.
