CC BY
42
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.791
ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ, ТРАКТОРОВ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
Л.В. Костылева, доктор технических наук, профессор А.В. Грибенченко, кандидат технических наук, доцент А.А. Шляхов, кандидат технических наук, доцент
Волгоградский государственный аграрный университет
Обоснована и экспериментально подтверждена возможность на период сварки снизить содержание углерода в свариваемых кромках и наплавляемых поверхностях изделий из углеродистой стали путем создания в них градиента температур, направленного от поверхности к сердцевине. Возникающее при этом локальное обезуглероживание носит обратимый характер, и после выполнения сварки или наплавки легко устраняется нормализацией.
Ключевые слова: сварка, наплавка, горячие трещины, термическое влияние, перераспределение углерода, температурный градиент.
Одна из основных проблем сварки или нанесения износостойких наплавок на стальные изделия автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин -опасность образования горячих и холодных трещин в области шва и околошовной зоне.
Механизм образования горячих трещин в металле, подвергавшемся при сварке полному или частичному расплавлению, состоит в нарушении его сплошности по незатвердевшим жидким прослойкам под действием усадочных напряжений вследствие затруднённой усадки. В жестко связанной с затвердевающим швом зоне термического влияния температура резко снижается, соответственно уменьшается пластичность металла и способность его компенсировать усадку затвердевающего металла. В этих условиях, чем ниже температура, до которой присутствует жидкая фаза, тем вероятнее образование горячих трещин.
Для оценки чувствительности стали к образованию горячих трещин при сварке Уилкинсон [2] предложил показатель, который рассчитывается по выражению:
С (X + P + + *1)
к =------------25 I00 . (1)
3 Мп + Сг + Мо + V
Как видно из приведенного выражения, в наибольшей степени склонность к образованию горячих трещин увеличивают сера, фосфор и углерод.
В конце затвердевания жидкая фаза из-за развития микроликвационных процессов может обогащаться серой, фосфором, углеродом и другими элементами до состава легкоплавкой многофазной эвтектики с температурой затвердевания ^940 °С. Марганец весьма эффективно противодействует трещинообразованию, связывая серу в тугоплавкие сульфиды MnS. Положительное влияние хрома, молибдена и ванадия, очевидно, вызвано измельчением зерна стали, вследствие которого суммарная площадь поверхности зерен увеличивается, и пленка легкоплавких ликватов источается и становится разорванной.
Холодные трещины возникают в период завершения охлаждения или после полного охлаждения металла рядом со сварным швом в зоне термического влияния, где под действием тепловых процессов становится возможным образование закаленных структур и резкое снижение локальной пластичности стали. Развитие же высоких внутренних напряжений термического и фазового характера в охрупченной закалкой области приводит к образованию холодных трещин. Сопротивление пластической деформации (твердость) закаленной стали определяется содержанием углерода, который растворяется в железе по типу внедрения, вызывая максимальные искажения кристаллической решетки. Практически все легирующие элементы образуют с железом твердые растворы замещения и на твердость влияют слабо, но они могут расширить зону образования закалочных структур, увеличивая прокаливаемость стали.
Влияние химического состава углеродистой стали на чувствительность к трещинам принято оценивать по углеродному эквиваленту, рассчитанному по формуле [2]:
С = С +1 Мп +—81 +—N1 +1 Сг +1 Мо. (2)
3 6 24 40 5 4
Стали с углеродным эквивалентом Сэ>0,4 % характеризуются пониженной свариваемостью, а при значениях С3>0,7 % относятся к трудносвариваемым.
Из выражения (2) следует, что определяющее воздействие на свариваемость стали оказывает содержание углерода, влияние других компонентов многократно слабее.
При сварке высокоуглеродистых сталей опасность образования горячих и холодных трещин особенно высока, поэтому возможность уменьшения содержания углерода в свариваемых кромках особенно актуальна.
Вместе с тем известны методы локального и обратимого перераспределения углерода в пределах стальной заготовки. Сверхбыстрый массоперенос обнаружен в условиях создания разных энергетических градиентов значительной величины, например, при облучении лазером, воздействии ультразвуком, импульсной пластической деформации, создании температурного градиента и др. [1]. В ответ на созданный в каждом из этих методов градиент внешнего параметра (градиент давления, температуры и т.п.) в системе возникает градиент термодинамической активности углерода, который и является движущей силой массопереноса этого компонента, протекающего даже против градиента его концентрации, т.е. наблюдается восходящая диффузия.
С целью исследования массопереноса углерода в градиентном температурном поле были проведены эксперименты, в которых создавался стационарный перепад температур по длине массивного образца.
Образец из стали 40Л (0,39 %С) сечением 10х10 и длиной L=25 мм нагревали с одного торца путем непосредственного контакта с разогретой до 1000 °С плитой, а противоположный торец охлаждали медным водоохлаждаемым холодильником. Для изоляции образца от излучения раскаленной плиты и создания резкого перепада температур в локальной области образца использовали асбестовый экран, установленный на образце на расстоянии 14 мм от нагревательного элемента. Температурный градиент поддерживали в течение 20 мин, затем образец подвергли закалке в воде.
Структура части образца, расположенной между холодильником и экраном, соответствовала исходной и не изменялась в ходе эксперимента; в районе экрана она
была двухфазной (аустенито-ферритной), ниже экрана - полностью аустенитной, рис. 1б.
Рисунок 1 - Схема эксперимента (а) и распределение температур по длине опытного образца (б): 1 - образец; 2 - нагревательная плита; 3 - холодильник; 4 - экран
Термодинамическая активность углерода с повышением температуры снижается в соответствии с уравнением, приведенным в работе [3]:
1 -5 N,
Т Т 1 - ыс
где ас - термодинамическая активность углерода, N0 - его атомная доля; Т - температура в К.
(3)
Важным следствием выражения (3) является возможность резким охлаждением поверхности создать градиент активности углерода, достаточный для его перетока, направленного к более горячей сердцевине. Такой массоперенос неизбежно приводит к обезуглероживанию поверхности и повышению концентрации углерода в горячих глубинных слоях.
В соответствии с диаграммой изоактивности Бенза-Эллиота термодинамическая активность углерода ас в бинарном сплаве Fe-0,39 %С при 1000 0С равна «0,2, а при 800 °С «0,375 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Определение значений ас в опытном образце по диаграмме Бенза -
Эллиота
Составляя баланс масс в условиях создания стационарного градиента расчетным путем определили, что гомогенизация стали по химическому потенциалу и термодинамической активности углерода произойдет за счет переноса 0,05...0,06 %С, т.е. в нагреваемой части образца содержание углерода должно возрасти до 0,44...0,45 %, а в районе экрана (; ~ 800 0С) - уменьшиться до 0,33...0,34 %.
Распределение углерода, установившееся в испытуемом образце под действием градиента температур и зафиксированное закалкой, исследовали методом локального спектрального анализа. Анализируемый спектр возбуждали в точках, расположенных на продольной оси образца и отстоящих друг от друга на расстоянии 1,5...2,0 мм (рис. 3).
Рисунок 3 - Распределение углерода, установившееся в образце стали 45Л под действием градиента температур
Из рис. 3 видно, что в районе горячего торца содержание углерода достигло значений 0,46 %, на расстоянии 14 мм от него (область экрана) концентрация понизилась до 0,36 %, а в холодной части образца, не претерпевавшей фазовых превращений, практически не изменилась.
Таким образом, 20 минут действия температурного градиента оказалось достаточно для диффузионного перераспределения углерода в соответствии с созданным градиентом его термодинамической активности.
В стали с более высоким содержанием углерода, например 0,5 %, наложением аналогичного градиента температур достигается перепад активности углерода Аас«0,3. Неизбежное выравнивание активности углерода по сечению стали связано с переносом углерода уже в количестве около 0,094...0,10 %, т.е. в «горячей» области содержание углерода уменьшится до приемлемого для сварки уровня 0,4.0,406 %.
Результаты проведенных исследований подтверждают возможность управлять локальной концентрацией углерода созданием температурного градиента.
Для такого подвижного в диффузионном отношении элемента, как углерод, реальной становится разработка новых технологий, связанных, например, с временным удалением углерода из одних зон стальной заготовки для выполнения каких-либо технологических операций с этим обезуглероженным объемом и последующей гомогенизацией изделия по содержанию углерода. Это может оказаться полезным при сварке высокоуглеродистой стали. В околошовной зоне такой стали можно предварительно на время сварки снизить содержание углерода, оттеснив его в близлежащие слои металла с помощью градиентного нагрева и зафиксировав достигнутое распределение закалкой. После завершения операции сварки содержание углерода легко выровнять кратковременной аустенизацией или изотермическим отжигом.
Библиографический список
1. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий. [Текст] / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтюшин // Металлы. - 1998. -№ 3. - С. 46-50.
2. Хасуи, А. Наплавка и напыление [Текст] / А. Хасуи, О. Моригаки. - М.: Машиностроение, 1985. - 32 с.
3. Marincek, B. EinfluP der Schelzvenfahnen und Schmelzfuhrung auf Fehler bei CiuPeisen mit Kugelgraphit und KontrollmaPnahmen zur Begpenzung und Vermeidung dieser Fehler (1. Teil). / В. Marincek // Giesserei - Praxis, 1982. №13/14. - P. 217- 229.
E-mail: [email protected]
