CC BY
27
ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 669.14:66.065.5
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ 110 Г13Л ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Е. Н. ЖБАНОВА, Л. Н. САИТГАРЕЕВ, И. Э. СКИДИН
Государственное высшее учебное заведение
«Криворожский национальный университет», Украина
Г. А. БЯЛИК
Запорожский национальный технический университет, Украина
Ключевые слова: электровоздействие, сталь, структура, кристаллизация сплава, литье, пористость, бронь.
Введение
Главной задачей современного машиностроения является повышение качества выпускаемой продукции при снижении ее себестоимости. Среди многих показателей качества ответственных отливок для горно-металлургического оборудования основным является срок их работы.
Так, основными причинами недостаточно высокого качества стальной отливки «Бронь» являются пористость и раковины усадочного характера, особенно в тепловых узлах. Вследствие отсутствия направленного затвердевания и разности давлений над коркой металла и внутри раковины на поверхности отливки формируются значительные углубления, утончающие стенки детали и приводящие к снижению срока ее эксплуатации.
Легирование стали 110Г13Л хромом [1] и термическая обработка отливки обеспечивает повышенную стойкость броней, однако является энерго- и ресурсозатратным. Утепление прибылей с помощью засыпки экзотермическими и теплоизолирующими смесями приводит к ухудшению условий труда, а также к увеличению стоимости продукции. Существуют и другие методы управления литой структурой, направленные на снижение усадочных дефектов (рис. 1) [2], среди которых наиболее интенсивно развивающимися на сегодня являются способы регулирования физических свойств отливок путем воздействия на расплав электрическим током и ультразвуком [3], [4].
Рис. 1. Классификация физических методов воздействия на структуру
_ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ_25_
Работы по обработке расплавов электрическим током в процессе кристаллизации, в основном, проводились на цветных металлах [5], [6]. Имеются положительные результаты применения электрообработки при изготовлении отливок из чугунов [7]. Для указанных сплавов обработка электрическим током оказывает позитивное влияние на процессы тепломассопереноса и структурообразования, а также обуславливает направленную кристаллизацию в межэлектродном пространстве. Наряду с этим, ток, являясь внутренним источником энергии, дополнительно прогревает отливку и стабилизирует температурное поле по времени и по объему, что способствует снижению вероятности возникновения недоливов [8]. Это является особенно важным при получении тонкостенных литых изделий.
Целью работы является проведение комплекса исследований по изучению влияния электрообработки стали во время ее кристаллизации на структуру отливок и их качественные характеристики, поскольку электровоздействие тока на формируемую стальную отливку ранее не изучалось.
Основная часть
В условиях литейного цеха были проведены испытания технологии получения отливок «Броня» из стали 110Г13Л с применением электрообработки расплава в процессе его кристаллизации в литейной форме. Эксперименты проводились на разработанной авторами установке (рис. 2) в диапазоне значений силы тока от 25 до 40 А.
При формовке пенополистироловой модели были заформованы электроды из марганецсодержащей стали (рис. 3, а), через которые осуществлялась подача постоянного электрического тока с момента заливки жидкого расплава температурой 1490 °С до конца кристаллизации. При этом сопротивление в цепи через жидкий металл составило 0,2-0,3 Ом, а напряжение - 12-20 В.
Для анализа структуры сплава из термических узлов отливки (рис. 3, б) были вырезаны образцы размером 10 х 10 х 100 мм. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе МИМ-8 при увеличении 200. Контроль макроструктуры по балу пористости осуществлялся согласно ГОСТ 10243-62.
Рис. 2. Схема установки
а) б)
Рис. 3. Модель и готовая отливка: а - места подвода электродов: 1 - катод; 2 - анод; б - контролируемый термический узел
Далее литые заготовки «Броня» обрабатывались в одной садке по режиму: посадка в печь при температуре 350 °С; выдержка 1,5-2 ч; нагрев до 670-700 °С; выдержка 3 ч; нагрев до 1080-1120 °С; выдержка в течение 10-11 ч; закалка в воде. Затем детали были переданы в эксплуатацию на действующее производство для сравнения сроков их эксплуатации.
Результаты и обсуждение
Влияние электровоздействий на формирование кристаллической структуры и развитие усадочных дефектов показано на рис. 4. Установлено, что отливка, полученная без электрообработки, имеет открытые усадочные раковины; у отливки, подвергнутой воздействию постоянного тока, явно выраженные внешняя и внутренняя раковины отсутствуют.
а) б)
Рис. 4. Поверхностные и внутренние дефекты отливок: а - без обработки расплава; б - с обработкой расплава
ОБРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ_27
Макроструктура удовлетворительная во всех образцах (рис. 5). Однако в образцах без электрообработки макроструктура более крупная (рис. 5, а) и зона дендритов протяженная. В результате электровоздействия наблюдается большая физическая однородность, уменьшаются объем и протяженность трещин, снижается содержание газов и неметаллических включений (рис. 5, б).
Рис. 5. Макроструктура исследуемых образцов: а - базовый образец; б - образец после электрообработки
Микроисследование показало, что структура сплава по сечению исследуемых образцов одинаковая и состоит из аустенита, тонкопластинчастого перлита и карбидов, выделяющихся как внутри, так и по границам зерен, форма карбидов преимущественно игольчатая. Микрозерно необрабатываемой током отливки (феррит) собрано в крупные скопления (рис. 6, а). В обработанной отливке (рис. 6, б) феррит распределен равномерно в объеме, зерно более мелкое. Неметаллические включения в обработанной отливке становятся мельче и их количество снижается в 1,5 раза. При этом наблюдается существенное уменьшение микропористости (см. таблицу).
а) б)
Рис. 6. Микроструктура сплава 110Г13Л в литом состоянии до термообработки: а - без обработки расплава; б - с обработкой расплава
Изменение пористости в стали 110Г13Л до и после электровоздействия
Характеристики пор Образец до обработки Образец после обработки
Объемная доля пор, % 8,3 2,1
Расстояние между порами, мкм 223 764
Количество пор на 1 см , шт. 10-15 6-8
Диаметр пор, мкм < 0,5 < 0,1
Исследование твердости образцов показало, что в отливке, полученной без электровоздействий, она составляет 242 ± 0,08 НВ, в образце после электрообработки твердость достигает 272 ± 0,07 НВ, что на 12,4 % больше.
Заключение
Электрический ток, проходя через жидкую сталь, увеличивает скорость образования критических зародышей, что приводит к активной кристаллизации. Металл в зоне объемной кристаллизации имеет более мелкую структуру и большую плотность благодаря существенному снижению микропористости, размера и количества неметаллических включений, а также дефектов усадочного характера. Твердость полученного сплава повышается на 12,4 %.
Анализ термически обработанных броней из стали 110Г13Л, полученных по предложенному способу повышения износостойкости стальных отливок в результате электровоздействия на расплав при кристаллизации, показал, что срок их эксплуатации может быть увеличен в 2 раза.
Литература
1. Sethian, J. A., Crystal growth and dendritic solidification / J. A. Sethian, J. Strain // J. Comput. Phys. - 1992. - Vol. 92. - P. 231-253.
2. Strain, J. A boundary integral approach to unstable solidification / J. Strain // J. Comput. Phys. - 1989. - Vol. 85. - P. 342-389.
3. Mikheev, L. M. Mobility of a diffuse simple crystal-meltinterface / L. M. Mikheev, A. A. Chernove // J. Cryst Grow. - 1991. - Vol. 112. - P. 591-596.
4. Исследование влияния облучения расплава наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов / Э. Х. Ри [и др.] // Тр. восьмого съезда литейщиков России. Том I. Черные и цветные сплавы. - Ростов н/Д, 2007. - С. 68-71.
5. Влияние наследственности на предусадочное расширение сплавов / И. Ф. Селянин [и др.] // Металлургия машиностроения. - 2005. - № 6. - С. 15-17.
6. Знаменский, Л. Г. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах / Л. Г. Знаменский, В. В. Крымский, Б. А. Кулаков. - Челябинск : ЦНТИ, 2003. -130 с.
7. Влияние температурно-временной и низкочастотной акустической обработок расплава на структурообразование в сплаве Al-5%Fe / Т. И. Яблонских [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 2006. - Т. 102, № 5. - С. 522-527.
8. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами на ее строение, процессы кристаллизации и структурообразования и свойства литейных сплавов / Э. Х. Ри [и др.]. - Владивосток : Дальнаука, 2008. - 171 с.
Получено 04.04.2017 г.
