CC BY
8
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
ЛИВАРНЕ ВИРОБНИЦТВО
УДК 669.14:66.065.5
© Жбанова О.М.1, СаЬгареев Л.Н.2
ЗНИЖЕННЯ СТРУКТУРНО! НЕОДНОР1ДНОСТ1 СПЛАВУ 35ГЛ ШЛЯХОМ МОДИФ1КУВАННЯ ЕЛЕКТРО1МПУЛЬСНИМ СТРУМОМ У ПРОЦЕС1
КРИСТАЛ1ЗАЦ11
Розглянуто метод обробки розплаву при кристал^зацИ, який дозволяе отримувати яюсм виливки стал1 марки 35ГЛ. Показано, що електро1мпульсна обробка розплаву покращуе структуру i зменшуе ф1зичну неоднор1дтсть виливюв, а також тдвищуе швидюсть розчинення металевих домшок та iнших компонентiв в розплавi, що забезпечуе дрiбнокристалiчну структуру та тдвищуе гомогентсть металу, зменшуе бал карбiдiв марганцю, знижуе вмiст газiв i неметалiчних включень. Ключовi слова: електроiмпульсна обробка, конструкцтна сталь, структура, кри-сталiзацiя, неметалевi включення, фiзична неоднорiднiсть, карбiди марганцю.
Жбанова Е.Н., Саитгареев Л.Н. Снижение структурной неоднородности сплава 35ГЛ путем модифицирования электроимпульсным током в процессе кристаллизации. Рассмотрен метод обработки кристаллизующегося сплава, который позволяет получать качественные отливки из стали марки 35ГЛ. Показано, что электроимпульсная обработка расплава улучшает структуру и уменьшает физическую неоднородность отливок. Обработка расплава током существенно повышает скорость растворения металлических примесей и других компонентов в расплаве, а также 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, неметаллические включения, физическая неоднородность, карбиды марганца.
O.M. Zhbanova, L.N. Saithareyev. Reduction of structural inhomogeneity of 35GL alloys through modification by means of electric emission current in the process of crystallization. The method of a crystallizing alloy processing which makes it possible to obtain high-quality castings from 35GL steel has been considered. It has been shown that the electro impulse treatment of the melt improves the structure and reduces the physical heterogeneity of the castings. Processing of the melt with a current substantially increases the dissolution rate of metallic impurities and other components in the melt, provides a fine-grained structure, increases the homogeneity of the cast metal as well. The structural heterogeneity decreases as a result of the change in morphology and disorientation and as a result of manganese carbides grinding the size and quantity of the grain ball decrease from 7 to 8. Physical heterogeneity reduces due to the changes in the location and size ofpores and nonmetallic inclusions; the content of gases and non-metallic inclusions reduces as well. In this article, studies of the modification of certain parameters by the electric impulse current, have been made. It results in a significant increase in the basic mechanical properties of the 35GL cast structural steel: the tensile strength increases by 9%, the toughness increases by 21%, and the hardness by 6% without changing the chemical composition of the steel, due to the fine grain structure.
1 асистент, ДВНЗ «Криворiзький нацюнальний утверситет», м. Кривий Пг, [email protected]
2 канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Криворiзький нацюнальний утверситет», м. Кривий Пг, slevann@rambler. ru
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
Keywords: electro impulse treatment, steel, structure, nonmetallic inclusions, physical
homogeneity, manganese carbides.
Постановка проблеми. У зв'язку з необхщнютю економп MaTepianbH^ ресуршв у бага-тьох галузях промисловостi, зокрема машинобудуванш, нагальною е потреба у розробщ та впро-вaдженнi новiтнiх ресурсозбертаючих технологiй. Актуальним завданням для металургшних пiдприемств залишаеться обробка розплаву для полшшення його фiзико-мехaнiчних властивос-тей. Основними факторами, яю зумовлюють мехашчш влaстивостi виливок, е фiзичнa неоднорщ-нiсть (мiкротрiщини, пористiсть, раковини), структурна неоднорщнють (рiзний розмiр зерна, рiз-на кiлькiсть i характер фаз) та хiмiчнa неоднорiднiсть (нерiвномiрний розподш компонента).
Iснyючi методи зменшення фiзичноï та структурно1 неоднорiдностi базуються на рафшу-вaннi металу, способах спецiaльноï електрометaлyргiï, впливi зовнiшнiх полiв тд час кристаль зaцiï розплаву. Неможливють повнiстю усунути структурну неоднорiднiсть у виливках, вико-ристовуючи тiльки технолопчш заходи, пов'язaнi з пiдготовкою розплаву i заливанням його у форму, пояснюеться тим, що ïï утворення вщбуваеться в процесi зaтвердiння виливка.
Анашз останшх дослiджень i публжацш. Для пiдвищення якостi та властивостей вили-вкiв все бiльшого застосування знаходить метод впливу електричного струму на розплав при кристaлiзaцiï [1]. Накопичеш експериментальш та теоретичнi даш свiдчaть про можливостi впливу на металевий розплав у ливарнш формi електричним струмом з метою управлшня потоками iонiв i змши вмiстy компонентiв по перетину виливка. Таю технолопчш ршення дають можливють отримувати литi вироби з тдвищеним вмiстом необхiдних компонентiв у поверх-невому шaрi i знижувати 1'х вмiст у тiлi виливка. У зв'язку з цим представляе великий теоретич-ний i практичний штерес проведення дослiдження впливу електроiмпyльсного струму на крис-тaлiзaцiйнi параметри конструкцшних мaргaнцевмiсних сталей.
1мпульсний струм характеризуеться ютотно нелiнiйним короткочасним характером про-тiкaння, який забезпечуеться розрядкою накопичувача електрично1' енергiï на нaвaнтaженнi. 1мпульсно-перюдичне струмове навантаження сплаву при кристaлiзaцiï мае певнi переваги перед режимами постшного i змiнного струму [2]. Насамперед, це бшьш низью енерговитрати при одночасному зменшеннi втрат на на^в металу. Але роботи по вивченню мехaнiзмiв i по-шуку оптимальних схем тако1' обробки поки тшьки розпочато i знаходяться на стадп лаборато-рних дослщжень.
Роботи по обробцi розплaвiв електричним струмом в процес кристaлiзaцiï, в основному, проводилися на кольорових металах [3-5]. G позитивш результати застосування електрооброб-ки при виготовленш виливюв з чaвyнiв [6-7]. Для зазначених сплaвiв обробка електричним струмом справляе позитивний вплив на процеси тепломасопереносу та структуроутворення, а також обумовлюе спрямовану кристaлiзaцiю в мiжелектродномy простора Це е особливо важ-ливим при отриманш тонкостiнних литих виробiв.
Слiд зазначити, що електродiя струму на марганцевмюш стaлевi розплави рашше не ви-вчалася, тому потрiбне проведення комплексу дослiджень по вивченню впливу електрообробки сталевого розплаву тд час кристaлiзaцiï на структуру виливюв та 1'х якiснi характеристики.
Метою дослщжень е обгрунтування можливостi тдвищення якостi виливкiв iз марган-цевмюно! констрyкцiйноï стaлi 35ГЛ без введення додаткових легуючих елемеш!в у результат модифiкyвaння електроiмпyльсним струмом в процес кристaлiзaцiï розплаву.
Виклад основного MaTepi^y. У лабораторних умовах плавильного павшьйону ДВНЗ «Криворiзький нaцiонaльний ушверситет» була випробувана технолопя отримання дослiдноï партп виливкiв (розмiри 35x45x80 мм) з металевого сплаву 35ГЛ, що включае модифшування iмпyльсним електричним струмом при кристaлiзaцiï у ливaрнiй формi.
Модифшування виливкiв iз мaргaнцевмiсних констрyкцiйних сталей здшснюеться у ре-зyльтaтi пропускання ^зь розплав електроiмпyльсного струму частотою 5-33 Гц з щшьнютю 1,8-3,8 А/см2, скважнютю 5-24, силою 20-40 А, при шдтримщ напруги у межах 180-240 В через заформоваш в пщано-глинисту форму електроди, як контактують безпосередньо з металом у процес знаходження його в рщкому, твердо-рiдкомy стaнi i до закшчення кристaлiзaцiï (рис. 1).
Метaлогрaфiчнi дослщження отриманих зрaзкiв проводилися на оптичному мшроскот М1М-8 при збiльшеннi, що дорiвнюе 100. Контроль мiкрострyктyри сплаву здшснювався згiдно ГОСТ 10243-75.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Рис. 1 - Пщано-глиниста форма для заливки зразюв з тдведенням iмпульсного струму: 1 - катод, 2 - анод
У результат електроiмпульсноl оброки литого металу його структура мае бшьшу фiзичну однорiднiсть на вiдмiну вщ базового зразка без електрообробки. На нетравленому шлiфi базового зразка виявлеш окремi скупчення неметалiчних включень (екзогенних) (рис. 2, а). На бь льшостi полiв зору шлiфа, обробленого струмом пiд час кристатзацп, спостерiгаеться дезорiен-тованi включення розмiром до 10 мкм (рис. 2, б). При обробщ виливкiв електроiмпульсним струмом з указаними параметрами кшьюсть неметалевих включень зменшуеться у 1,4-2,5 рази. Твердють по Брiнеллю зростае на 11 од. i становить 213 НВ.
а б
Рис. 2 - Мшроструктура лито! сталi на нетравленому шлiфовi: а - базовий зразок;
б - зразок тсля електроiмпульсноl обробки
Металографiчнi шлiфи для виявлення мшроструктури тру!ли в 4% спиртовому розчиш азотно! кислоти. Мiкроструктура базового зразка була неоднорщною - на тлi аустештно! струк-тури спостерiгали дшянки перлггно! (рис. 3, а).
Мшроструктура зразка пiсля електрообробки представлена на рисунку 3, б. Це практично однорщна аустештна структура з дезорiентованими частинками карбiдiв марганцю. Обробка електричним струмом вплинула на розмiр i кiлькiсть карбiдiв марганцю. Бал зерна карбадв марганцю зменшився з 7 до 8.
В процес експерименпв встановлено, що об'емна частка карбадв Мп змiнюеться в зале-жностi вiд щiльностi токового впливу на розплав. Слщ зауважити, що при силi струму бiльше 40 А збшьшуеться об'емна частка карбщв Мп i зменшуються !х середш розмiри. При силi струму, меншш за 20А, iстотних змiн в розмiрах i частцi карбiдiв по перетину виливку не спо-стер^алось.
В результатi аналiзу макроструктури сплаву встановлено, що розмiр зерна виливка, який сформувався тд дiею електроiмпульсно впливу, на 10-15% менше, шж в аналогiчнiй частинi контрольного виливка. Зразок, який модифшовано електроiмпульсним током, мае в 1,15 рази
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
меншi pозмipи дендpитних осеpедкiв a-фaзи (y поpiвняннi з контpольним зpaзком), пpичомy фaзa в ходi кpистaлiзaцiï видiляeться в компaктнiй фоpмi. Aвтоpaми 6уло зaфiксовaно i змен-шення кiлькостi мaкpо- i мiкpопоp в експеpиментaльних зpaзкaх: пpи модифiкyвaннi з силою сфуму 20А - в 1,8 paзи, пpи силi сфуму 40А - в 2,3 paзи.
Рис. 3 - Мiкpостpyктypa лито1' стaлi 35ГЛ: a - бaзовий зpaзок; б - зpaзок тсля елек-тpоiмпyльсноï обpобки
Пpи обpобцi pозплaвy електpичним iмпyльсним стpyмом чaстотою 5-33 Гц щiльнiстю 1,8-3,8 А/см2, сквaжнiстю 5-24, силою стpyмy 40А, ^и пiдтpимцi нaпpyги у межaх 180-240 В модифiкyючий ефект стpyктypноï одноpiдностi (pис. 4) e тайбшьшим i полягae у величинi зеpен i довжинi дендpитiв виливкa. Зота стовпчaстих кpистaлiв мae високу щшьшсть, оскiльки мae незнaчнy кiлькiсть газових бyльбaшок i paковин.
Рис. 4 - Мaкpостpyктypa лито1' стaлi 35 ГЛ (x12): a - бaзовий зpaзок; б - зpaзок тсля електpоiмпyльсноï обpобки
Aнaлiз мaкpостpyктypи бaзового зpaзкa покaзaв, що стpyктypнa зонa внyтpiшньоï чaстини виливкa склaдaeться з piзноосних piзнооpieнтовaних дендpитних кpистaлiтiв (pис. 4, a), у rnpy-жнiй чaстинi пpисyтня зонa стовбчaстих кpистaлiв, де можуть виникaти тpiщини.
Модифiкyвaння piдкого метaлy електpоiмпyльсним сфумом спpияe pозвиткy зони дpiб-них piвноосних кpистaлiтiв (pис.4, б). Зота стовпчaстих кpистaлiв мae високу щшьшсть, оскшь-ки мae незнaчнy кшьюсть гaзових бyльбaшок i paковин утаслщок зменшення вiдстaнi мiж ден-дpитaми.
Нaпpямок осей пеpшого поpядкy дендpитiв пеpевaжно збiгaeться з нaпpямком вщведення теплa (знизy-вгоpy) i поздовжньою вюсю зpaзкa. До веpхньоï чaстини зpaзкa був пpиклaдений позитивний електpод, до нижньо1' - негaтивний. Тaким чином, дендpити витягнyтi в нaпpямкy вщ кaтодa до aнодa.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
При змш полярносп спостерiгаеться хаотична орiентацiя осей дендритв по вщношенню до поздовжньо! ос зразка, яка не збiгаеться з напрямком вщведення тепла. Розвитку дендрита в поздовжньому напрямку, найбшьш виропдно, перешкоджае електричний струм, що проходить через зразок.
Як показав анатз мiкроструктури зразюв, первинне зерно металево! основи подрiбнюеть-ся унаслiдок виникнення та зростання центрiв кристатзацп в металевому розплав^ що приводить до полшшення фiзико-механiчних властивостей сталi 35ГЛ (таблиця) тсля термiчноl об-робки. Пюля властивостi мiцностi сталi 35ГЛ збшьшилися в середньому на 12% в порiвняннi зi сталлю в межах похибки вимiрювань (5,0%).
Таблиця
Фiзико-механiчнi властивостi сталi 35ГЛ
Характеристика зразюв Межа мщносп, МПа Ударна в'язкють, кДж / м2 Твердють по Бршеллю (без гартування)
Базовий зразок 503 243 202
Зразок тсля модифшування електроiмпyльсним струмом 540 296 213
Висновки
Електроiмпульсна обробка розплаву сталi 35ГЛ при його кристатзаци у ливарнiй формi сприяе зниженню вмюту ra3iB i неметалевих включень при !х бшьш рiвномiрному розподiлi, KpiM того, спостертаеться суттеве зменшення фiзичноl неоднорiдностi.
Модифшування електроiмпyльсним струмом частотою 5-33 Гц, щшьнютю 1,8-3,8 А/см2, скважнiстю 5-24, силою 20-40 А при шдтримщ напруги у межах 180-240В забезпечуе ютотне тдвищення основних механiчних властивостей лито! конструкцшно! сталi 35ГЛ: межа мщносп збiльшyеться на 9%, ударна в'язкють - на 21%, твердють - на 6%.
Перелж використаних джерел:
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. 89-98.
2. Влияние наследственности на предусадочное расширение сплавов / И.Ф. Селянин [и др.] // Металлургия машиностроения. - 2005. - № 6. - С. 15-17.
3. Миненко, Г.Н. Об энергетическом воздействии на металлический расплав / Г.Н. Миненко // Металлургия машиностроения. - 2006. - № 3. - С. 10-12.
4. 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.
5. Воздействие электрического тока на жидкий алюминиевый сплав / В.И. Якимов [и др.] // Металлургия машиностроения. - 2003. - № 3. - С. 36-39.
6. Тимченко С.Л. Исследование кристаллизации сплава под действием электрического тока / С.Л. Тимченко // Расплавы. - 2011. - № 4. - С. 53-61.
7. Кольчурина И.Ю. Влияние внешних воздействий на микроструктуру кристаллизующегося сплава / И.Ю. Кольчурина, И.Ф. Селянин // Литейное производство. - 2009. - № 8. - С. 13-15.
References:
1. Ivanov A.V., Sinchuk A.V., Tsurkin V.N. Elektrotokovaya obrabotka zhidkih i kristallizu-yuschihsya splavov v liteynyih tehnologiyah [Electro-current treatment of liquid and crystallizing alloys in foundry technologies]. Elektronnaya obrabotka materialov - Electronic material processing. 2011, no. 5, pp. 89-98. (Rus.)
2. Selyanin I.F, Deev V.B., Voytkov A.P. Vliyanie nasledstvennosti na predusadochnoe rasshirenie splavov [Influence of heredity on the pre-plant expansion of alloys]. Metallurgiya mashinostroe-niya - Metallurgy of machine building, 2005, no. 6, pp. 15-17. (Rus.)
3. Minenko G.N. Ob energeticheskom vozdeystvii na metallicheskiy rasplav [On the energy impact on a metallic melt]. Metallurgiya mashinostroeniya - Metallurgy of machine building, 2006, no. 3,
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
pp. 10-12. (Rus.)
4. Minenko G.N. Fizicheskaya model vozdeystviya elektricheskogo toka na protsess kristallizatsii splava [The physical model of the effect of an electric current on the crystallization process of an alloy]. Metallurgiya mashinostroeniya - Metallurgy of machine building, 2009, no. 3, pp. 48-49. (Rus.)
5. Yakimov V.I., Marin B.N., Zelinskiy V.V., Zapletin M.A. Vozdeystvie elektricheskogo toka na zhidkiy alyuminievyiy splav [The effect of electric current on liquid aluminum alloy]. Metallurgiya mashinostroeniya - Metallurgy of machine building, 2003, no. 3, pp. 36-39. (Rus.)
6. Timchenko S.L. Issledovanie kristallizatsii splava pod deystviem elektricheskogo toka [Investigation of alloy crystallization under the influence of electric current]. Rasplavyi - Melt, 2011, no. 4, pp. 53-61. (Rus.)
7. Kolchurina I.Y. Selyanin I.F. Vliyanie vneshnih vozdeystviy na mikrostrukturu kristallizuyusche-gosya splava [The influence of external influences on the microstructure of the crystallizing alloy]. Liteynoeproizvodstvo - Foundry, 2009, no. 8, pp. 13-15. (Rus.)
Рецензент: Г.В. Губш
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «КНУ»
Стаття надшшла 29.04.2017
