CC BY
16
УДК 669.14:66.065.5
О. М. Жбанова
ДВНЗ «Криворiзький нацюнальний унiверситет», м. Кривий Р^
ЗНИЖЕННЯ Х1М1ЧНО1 НЕОДНОР1ДНОСТ1 СПЛАВУ 35ГЛ ШЛЯХОМ МОДИФ1КУВАННЯ ЕЛЕКТРО1МПУЛЬСНИМ СТРУМОМ
В ПРОЦЕС1 КРИСТАЛ1ЗАЦИ
Розглянуто метод обробки розплаву при кристалгзацИ, який дозволяе отримувати яюснг виливки стал! марки 35ГЛ. Показано, що електро1мпульсна обробкарозплаву покращуе структуру лиття I зменшуе х1м1чну неоднор1дтсть виливкгв, а також тдвищуе швидюстьрозчинення металевих домгшок та тших компонент1в у розплавI, що забезпечуе дргбнокристалеву структуру та тдвищуе гомогеннгсть металу виливка, зменшуе бал карб1д1в марганцю, знижуе вмгст газгв I неметалгчних включень.
Ключовi слова: електрогмпульсна обробка, конструкцгйна сталь, структура, кристалгзацгя сплаву, неметалевI включення, хгмгчна однор1дтсть, карбгди марганця.
Вступ
У зв'язку з необхщтстю економп матерiальних ре-сурав у багатьох галузях промисловосп, зокрема ма-шинобудуванш, е нагальною потреба в розробщ та впровадженш новгттх ресурсозбернальних технологш, яш характеризуются достатшм рiвнем експлуатацш-них властивостей при !х меншш ресурсозатратност!
Актуальним завданням на сьогодш для металургш-них тдприемств залишаеться обробка розплаву для по-лiпшення його фiзико-механiчних властивостей. Основ-ними факторами, що вщповщають за зниження меха-нiчних властивостей е: фiзична неоднорiднiсть (мiкротрiщини, пористiсть, раковини), структурна не-однорiднiсть (рiзний розмiр зерна, рiзна к1льк1сть i характер фаз), хiмiчна неоднорiднiсть (нерiвномiрний роз-подiл компонента).
На сьогоднi проблема зменшення хiмiчноl неодно-рiдностi в сталевих виливках вирiшуеться в основному за рахунок впровадження нових технологш. Iснуючi ме-тоди, як1 дозволяють впливати на зменшення хiмiчноl неоднорщносп, здiйснюються за рахунок рафiнування металу, використання спещально1 електрометалургп в процеа розливання i затвердiння розплаву та зовшшшх впливiв пiд час кристaлiзaцil розплаву. Неможливiсть повнiстю усунути хiмiчну неоднорiднiсть у виливках, використовуючи тшьки технологiчнi заходи, пов'язанi з тдготовкою розплаву i заливкою його у форму, пояс-нюеться тим, що и утворення вiдбуваеться в процесi затвердiння злитка.
Постановка задачi
З метою розширення сфери застосування марган-цевмiсних конструкцiйних сталей у промисловосп нами було проведено дослiдження можливосп п1двищення якосп сталевих виливк1в без введення додаткових легу-вальних елеменпв шляхом модифiкування елею^там-
© О. М. Жбанова, 2017
пульсним струмом у процесi кристaлiзaцil розплаву та вивчення впливу на хiмiчну однорвднють зносостшко1 сталi 35ГЛ. Основним завданням авторiв було проведен-ня експериментiв з метою забезпечення умов зменшення хiмiчноl неоднорiдностi металу в процеа його крис-татзаци.
Огляд лггератури
Для шдвищення якосп та властивостей виливк1в усе бшьшого застосування знаходить метод струмового впливу на розплав при кристaлiзaцil [1]. Накопичет ек-спериментальнi та теоретичш данi свщчать про можли-восп впливу на металевий розплав у ливарнш формi електричним струмом з метою управлшня потоками iонiв i змiни вмiсту компонентiв по перетину виливка [2]. Такий технолопчний прийом дае можливiсть отримувати лип вироби з пiдвищеним вмiстом необхвдних компоненпв у поверхневому шарi виливка i знижувати !х вмiст у тш виливка [3]. У зв'язку з цим являе собою великий теоретичний i практичний iнтерес проведения цшеспрямованого дослвдження впливу електроiмпульс-ного струму на кристалiзацiйнi параметри вилившв з конструкцiйних марганцевмiсних сталей.
1мпульсний струм характеризуеться iстотно не-лшшним короткочасним характером протiкання, який забезпечуеться розрядкою накопичувача електрично! енергл на навантаженш. Iмпульсно-перiодичне струмо-ве навантаження сплаву при кристaлiзaцil мае певш переваги перед режимами постiйного i змiнного струму [4]. Насамперед, це бшьш низьк1 енерговитрати при одночасному зменшеннi втрат на на^в металу. Але роботи по вивченню механiзмiв i пошуку оптимальних схем тако1 обробки поки що тшьки розпочато i перебу-вають у стади лабораторних дослвджень.
Матерiали i методи
Роботи з обробки розплавiв електричним струмом у процеа кристaлiзaцil, в основному, проводилися на
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1
кольорових металах [5-7]. £ позитивт результати зас-тосування електрообробки при виготовленш виливк1в iз чавунiв [8-9]. Для зазначених сплавiв обробка елект-ричним струмом справляе позитивний вплив на про-цеси тепломасопереносення та структуроутворення, а також обумовлюе спрямовану кристалiзацiю в мiже-лектродному простора Це е особливо важливим при отримант тонкостшних литих виробiв.
Слвд зазначити, що електродiя струму на марган-цевмiснi сталевi виливки рашше не вивчалася, тому потрiбне проведення комплексу дослiджень по вивчен-ню впливу електрообробки сталевого розплаву шд час крист^зацл на структуру виливюв та !х якiснi характеристики е не вивченим.
Для аналзу структури сплаву були виготовленi зразки розмiром 21 х 13 х 11 мм. Металографiчнi дослвдження проводилися на оптичному мшроскош М1М-8 при збшьшенш 100. Контроль макроструктури щодо хiмiчноl неоднорiдностi сплаву здiйснювався зпдно з ГОСТ 10243-75. Гартування зразка проводили в лабора-торнiй електропечi опору з автоматичним регулюванням температури.
Експерименти
У лабораторних умовах плавильного павшьйону ДВНЗ «Криворiзький нацiональний ушверситет» була випробувана технология отримання дослвдно! парти ви-ливкiв з металевого сплаву 35ГЛ, що включае модиф-iкування iмпульсним електричним струмом при кри-сталiзацil у ливарнiй формг Обробка сплаву здшсню-валась у межах частоти ввд 5 до 33 Гц, щшьносл 4000-7000 А/см2, скважност 5-24 меандрiв, сили струму 20-40 А, при тдгримант напруги у межах 180-250В.
Цей споаб модифiкування виливюв зi марганцевм-iсних конструкцiйних сталей включае: заливання розплаву в пiщано-глинисгу форму, пропускання елекгрич-ного струму заданою щiльнiсгю крiзь виливок за раху-нок елекгродiв, розташованих у форм^ яш контакгуюгь безпосередньо з виливком, у процесi знаходження його в редкому, твердо-рiдкому станi i до заюнчення кристал-iзацil (рис. 1).
Результати
У результат елекгроiмпульсноl оброки структура литого металу мае велику фiзичну однорiднiсть на вiдмiну ввд базового зразка, знижуеться вмiст газiв i не-металевих включень та зменшуеться хiмiчна нео-
а б
Рис. 2. Неметалiчнi вкраплення на нетравленому шлiфi:
а - базовий зразок; б - зразок тсля електроiмпульсноi' обробки
На нетравленому шл1ф1 базового зразка виявлеш окрем1 скупчення неметал1чних вкраплень (екзогенних) (рис. 2а). На бшьшосп пол1в зору шл1фа, обробленого тд час кристал1зац11, спостер1гали дезор1енговат вклю-чення розм1ром до 10 мкм (рис. 2 б). При обробц ви-ливк1в електро1мпульсним струмом шльшсть немета-левих вкраплень зменшуеться в 1,4-2,5 рази. Твердасть по Бршеллю зросла на 11 од. i становила 113.
Шсля гартування зразюв було виготовлено металог-раф1чт шл1фи. Для виявлення мжроструктури (рис. 3) шл1ф труши в 4 % спиртовому розчиш азотно! кислоти. Мжроструктура базового зразка була неоднорщною -на тл1 аустештно! структури спостертали далянки перл-пно! (рис. 3 а).
Рис. 1. а - тщано-глиниста форма для заливки зразюв з поведениям iмпульсного струму: 1 - анод, 2 - катод; б - вибивка лабораторних зразюв
а б
Рис. 3. Макроструктура: а - базовий зразок; б - зразок тсля електроiмпульсноi' обробки
Мкроструктура зразка тсля електрообробки представлена на рисунку 3б. Це практично однорщна аусте-ттна структура з дезорiентованими частинками карбiдiв марганцю. Обробка електричним струмом вплинула на розмiр i кiлькiсть карбiдiв марганцю. Бал зерна карбщв марганцю зменшився з 7 до 8.
Як показав аналiз мiкрострукгури зразкiв сталевого сплаву на кристалпзацш металу, електрямпульсний струм чинить модифiкувальну дiю. Подабнюеться первинне зерно металево! основи, що приводить до полшшення фiзико-механiчних властивостей сталi 35ГЛ (табл. 1).
Обговорення
Модифiкувальний ефекг сталевих марганцевмiсних виливок досягаеться за рахунок структурних перебу-
ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2017
15
Таблиця 1 - Фiзико-механiчнi властивосп стал 35ГЛ
Номер зразка Межа мщносп, МПа Ударна в'язюсть, кДж / м2 Твердють по Бршеллю (без гартування)
№ 1 базовий зразок 503 243 102
№ 2 зразок тсля модифжування електроiмпульсним струмом 540 296 113
дов у розплaвi при обробленш його електроiмпульс-ним струмом у процеа кристaлiзaцil. Змiнюеться ближшй порядок aтомiв у кластерах, зменшуеться !х розмiр. Суттеве подрiбнення кластт^в аж до повного !х розчинення е нaслiдком резонансних явищ, яю ввдбува-ються в процесi енергетичного впливу на розплав iмпульсного електричного струму. Це забезпечуе знач-не шдвищення рiвня мехaнiчних властивостей, перш за все мщносп та ударно! в'язкосп без змiни хiмiчного складу сплашв.
Висновки
1. Результати дослiджень показали, що електроiм-пульсна обробка розплаву стaлi 35ГЛ при його криста-лiзaцil сприяе бiльш рiвномiрному розпод^ немета-левих вкраплень, а також зменшення фiзичноl i хiмiчноl неоднорвдносп, знижуеться вмiст гaзiв i неметалевих вкраплень.
2. Показат можливосп iстотного щдвищення основ-них мехaнiчних властивостей лито! конструкщйнох стaлi 35ГЛ.
3. Установлено, що найбшьш ефективний вплив на мехaиiчнi властивосп стал 35ГЛ можливий при наступ-них параметрах електроiмпульсного струму: сила струму 20-40А з незмiнною частотою iмпульсiв струму в промислових мережах (4-33 Гц) для обробки сплаву при його кристтатзаци.
Список лтератури
1. Иванов А. В. Электротоковая обработка жидких и кристаллизующихся сплавов в литейных технологиях /
А. В. Иванов, А. В. Синчук, В. Н. Цуркин // Электронная обработка материалов. 2011. - № 5, том 47. - С. 8998.
2 Sethian J.A. Crystal growth and dendritic solidification / Sethian J.A., Strain J. - J. Comput. Phys. 1992. - Vol. 92. -P. 231-253.
3. Mikheev L. M. Mobility of a diffuse simple crystal-meltinterface / Chernove A. A. //J, Cryst Grow. 1991. -Vol. 112. -P. 591-596.
4. Влияние наследственности на предусадочное расширение сплавов / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. П. Войтков и др. // Металлургия машиностроения. - 2005. - № 6. -С. 15-17.
5. Миненко Г. Н. Об энергетическом воздействии на металлический расплав / Г. Н. Миненко // Металлургия машиностроения. - 2006. - № 3. - С. 10-12.
6. Миненко Г. Н. Физическая модель воздействия электрического тока на процесс кристаллизации сплава / Г. Н. Миненко, Ю. А. Смирнова //Металлургия машиностроения. - 2009. - № 3. - С. 48-49.
7. Воздействие электрического тока на жидкий алюминиевый сплав / В. И. Якимов, Б. Н. Марьин, В. В. Зелинский [и др.] // Металлургия машиностроения. - 2003. -№ 3. - С. 36-39.
8. Тимченко С. Л. Исследование кристаллизации сплава под действием электрического тока / С. Л. Тимченко // Расплавы. - 2011. - № 4. - С. 53-61.
9. Кольчурина И. Ю. Влияние внешних воздействий на микроструктуру кристаллизующегося сплава / И. Ю. Кольчурина, И. Ф. Селянин // Литейное производство. - 2009. - № 8. - С. 13-15.
Одержано 12.05.2017
Жбанова Е.Н. Снижение химической неоднородности сплава 35ГЛ путем модифицирования электроимпульсным током в процессе кристаллизации
Рассмотрен метод обработки кристаллизующегося сплава, который позволяет получать качественные отливки стали марки 35ГЛ. Показано, что электроимпульсная обработка расплава улучшает структуру литья и уменьшает химическую неоднородность отливок. Обработка расплава током во много раз повышает скорость растворения металлических примесей и других компонентов в расплаве и обеспечивает мелкокристаллическую структуру, повышает гомогенность металла отливки, уменьшает балл карбидов марганца, снижает содержание газов и неметаллических включений.
Ключевые слова: электроимпульсная обработка, конструкционная сталь, структура, кристаллизация сплава, неметаллические включения, химическая однородность, карбиды марганца.
Zhbanova Ye. Reduction of the chemical inhomogeneity of the 35g alloy by modifying with an electric pulse in the process of crystallization
The method ofprocessing of a crystallizing alloy is considered, which allows obtaining high-quality castings of steel grade 35GL. It is shown that the electro pulse treatment of the melt improves the casting structure and reduces the chemical heterogeneity of the castings. The melt processing by current greatly increases the rate of dissolution of metal impurities and other components in the melt and provides a fine-grained structure, increases the homogeneity of the casting metal, reduces the manganese carbide score, reduces the content of gases and non-metallic inclusions.
Key words: electro impulse treatment, steel, structure, alloy crystallization, nonmetallic inclusions, chemical homogeneity, manganese carbides.
