CC BY
10
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.9
Исследование микроструктуры
дисперсно-упрочненных центробежно-литых отливок, подвергнутых пластической деформации
И. В. Чуманов, А. Н. Аникеев, Т. Р. Абляз, Ю. Е. Амосова
Описан способ получения дисперсно-упрочненных металлических материалов путем центробежного литья с введением в процессе разливки дисперсных частиц с последующей пластической деформацией (ковка). Исследовано распределение диспресно-упрочняющих частиц в объеме центробежно-литых заготовок после проведения их пластической деформации.
Ключевые слова: центробежное литье, пластическая деформация, карбид вольфрама, карбид кремния, дисперсное уплотнение, микроструктура.
Одним из перспективных направлений получения новых материалов является дисперсное упрочение металлов путем введения в момент кристаллизации тугоплавких порошков (карбидов, оксидов, нитридов и т. д.) [1—3]. Такие тугоплавкие соединения имеют высокий модуль упругости и не взаимодействуют с материалом матриц. Получаемые при этом виде упрочнения композиционные материалы обладают большой степенью изотропности свойств. Причем при получении таких материалов повышенные технологические свойства требуются только от определенного слоя детали. Для контролируемой кристаллизации и распределения вводимых частиц по сечению металла хорошо зарекомендовало себя центробежное литье [4, 5].
В настоящей работе центробежно-литые заготовки получали из стали Сталь 3, выплавленной в индукционной печи. Внешний диаметр заготовок — 140 мм, внутренний — 40 мм, длина — 140 мм. В качестве упрочняющей фазы использовали карбид вольфрама ^С) плотностью 15,8 кг/м3 и карбид кремния (81С) плотностью 3,2 кг/м3. Размерность частиц — 2-4 мкм. Расплав температурой 1650 °С из сталеразливочного ковша заливали во вращающуюся со скоростью 600 об/мин ме-
№ 5 (95)/2016
таллическую форму с горизонтальной осью вращения через заливочный желоб (рис. 1). В струю стали при помощи дозатора шнеко-вого типа подавали WC. После заливки 25 % расплава подачу WC прекращали. Не прерывая заливки, подавали 81С, одновременно увеличив скорость вращения металлической формы до 800 об/мин, чтобы центробежные силы уравнялись с архимедовыми силами и введенные карбиды не всплывали на свободную поверхность расплава. После заливки
8 1 ^ 2_
6
материала:
1 — дозатор; 2 — ковш; 3 — горизонтальная изложница; 4 — крышка изложницы; 5 — сталеразливочный носок; 6 —упрочняемый расплав; 7 — карбиды с удельной плотностью, равной или выше плотности металла; 8 — карбиды с удельной плотностью, меньшей плотности металла
2Я
шшмшт
д
м=ж
Таблица
Номер заготовки Количество введенной дисперсной фазы WC, г Количество введенной дисперсной фазы 8Ю, г
1 0 0
2 120 120
3 360 0
Рис. 2. Схема получения и деформации образцов
75 % расплава подачу 8Ю прекращали. После полного затвердевания и остановки вращения металлической формы отливку извлекали.
После извлечения полученных заготовок производилась их деформация путем ковки при температуре 850 °С. Схема получения и деформации образцов представлена на рис. 2.
В результате работы были получены заготовки трапециевидной формы со следующими размерами: нижнее основание трапеции — 70 мм, верхнее основание — 50 мм, высота трапеции — 40 мм, толщина — 10 мм. Из центральной части полученных в ходе деформации заготовок были вырезаны полосы для исследования макро- и микроструктуры и распределения вводимых частиц.
В ходе экспериментов были изучены три заготовки с различным содержанием введенных дисперсных частиц (табл.).
Для вырезки крупных образцов из полученного материала по представленной выше схеме использовался ленточнопильный станок Ег§опош1с 320.250 БОИ. Образцы для иссле-
Рис. 3. Микроструктура заготовки № 1 (х600)
дования макро- и микроструктур полученного материала были запрессованы в смолу с помощью автоматического запрессовочного пресса 81шрИше1 1000 фирмы ВиеЫег, затем отшлифованы и отполированы на шлифоваль-но-полировальном станке ЕсоМе! 250/300, оборудованном полуавтоматической насадкой Ли1оМе1 250/300. Микроструктуру исследовали при помощи электронного сканирующего микроскопа ^ОЬ ^М-6460 ЬУ.
В заготовке № 1, как и предполагалось, не обнаружено каких-либо частиц и включений (рис. 3), эта заготовка стала образцом сравнения. Обнаружены включения Л12О3, соединения 8 и Мп (рис. 4), образованные предположительно в процессе взаимодействия элементов металла и атмосферы, а также с элементами футеровки печи.
Во внешнем слое заготовки № 2 обнаружены введенные частицы (белые включения), не распространившиеся в большом количестве в среднюю и внутреннюю части (рис. 5 и 6). Это является результатом использования технологии центробежного литья. Включения располагаются равномерным слоем по всей длине заготовки.
Рис. 4. Включения Л12О3 в структуре заготовки № 1 (х3000)
№ 5 (95)/2016
Рис. 5. Включения WC в структуре заготовки № 2, внешний край (х1000)
Рис. 7. Включения WC в структуре заготовки № 2, центральная часть (х1000)
Рис. 9. Включения WC в структуре заготовки № 3, внешний край (х1000)
Рис. 6. Включения WC в структуре заготовки № 2, внешний край (х3500)
Рис. 8. Включения WC в структуре заготовки № 2, центральная часть (х1000)
- 4 » * • » г
щ Л
|г
-
20 к и ХЗ,500 ~~ 5мгп 1 1 55 ВЕ9
Рис. 10. Включения WC в структуре заготовки № 3, внешний край (х3500)
МЕТ^^^РАБОТК)»
Рис. 11. Включения WC в структуре заготовки № 3, центральная часть (х3500)
Рис. 12. Включения WC в структуре заготовки № 3, внутренний край (х1000)
В центральной и внутренней частях образца включений WC и 8Ю не обнаружено, но по итогам проведенного химического анализа этих областей можно сделать вывод, что часть вводимых частиц растворилась и присутствует в структуре металла, но не в виде отдельных включений (рис. 7 и 8).
Во внешнем слое заготовки № 3, как и в предыдущем случае, обнаружены частицы WC, причем в большем количестве, чем в заготовке № 2 (рис. 9 и 10). Темные включения, показанные на рис. 9 и 10, — это включения Л12О3.
В центральной части заготовки № 3 также обнаружены частицы WC, но в меньшем количестве и меньшего размера, чем во внешнем крае (рис. 11 и 12). Во внутреннем крае вводимых дисперсных частиц не обнаружено.
Таким образом, по результатам экспериментов и на основе полученных данных можно сделать вывод, что пластическая деформация центробежно-литых заготовок приводит к сокращению расстояния между их слоями, однако различие концентраций по сечению деформированных заготовок сохраняется.
Работа выполнена в рамках ГЗ № 11.1470.2014/К, а также поддержана Минобрнауки по договору
14^56.15.7690-МК.
Литература
1. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г.
Специальные стали. М.: Металлургия, 1985. 408 с.
2. Повышение износостойкости стали путем ввода карбида титана при кристаллизации слитка / И. В. Чуманов, В. И. Чуманов, Д. А. Пятыгин, Е. Е. Тельянова // Электрометаллургия. 2008. № 2. С. 32-35.
3. Упрочнение металлических материалов дисперсными тугоплавкими частицами // И. В. Чуманов, В. И. Чуманов, А. Н. Аникеев. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. № 1. С. 24-29.
4. Получение дисперсно-упрочненных полых заготовок для роторных диспергаторов // И. В. Чуманов,
B. И. Чуманов, А. Н. Аникеев Металлург. 2011. № 6.
C. 69-72.
5. Аникеев А. Н., Чуманов В. И., Чуманов И. В.
Исследование влияния упрочняющей фазы на химическую неоднородность металлических материалов при центробежном литье // Электрометаллургия. 2012. № 6. С. 23-25.
