На наш взгляд наибольший эффект увеличения срока службы быстроизнашивающихся деталей машин, механизмов, а также инструмента возможен за счёт повышения прочности искусственно введёнными вторичными фазами.
Дисперсионные выделения вторичных фаз, которые обычно формируются в структуре при распаде пересыщенных твёрдых растворов, препятствуют движению дислокации. Данное обстоятельство оказывает прямое влияние на упрочнение. Кроме того, частицы вторичных фаз в сталях определяют размер ферритного и аустенитного зерна, тип, плотность, характер распределения дефектов кристаллического строения. Последние могут рассматриваться как косвенные факторы, влияющие на упрочнение.
Применение для решения данной задачи сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и износостойкостью, например, Р6М5, Х12МФ, Х6В3М, 5Х6ВМ2 и т.д., увеличивает стоимость готовой продукции. Кроме того, многократное перерезание дислокациями когерентных выделений приводит к тому, что они становятся термодинамически нестабильными, что приводит к их растворению в матрице и обуславливает появление зон разупрочнения, которые снижают прочность сплава. Необходимо отметить следующий факт. Дисперсионно-упрочненные стали и сплавы при (0,6...0,7) Tпл быстро теряют прочность так как протекают процессы коагуляции и частичного растворения дисперсных фаз.
В последние годы проблеме упрочнения литейных сталей и сплавов путем введения тугоплавких частиц в жидкий или жидкотвердый расплав уделяется большое внимание. Исследования показывают, что введение различных тугоплавких частиц (оксидов Al2O3, TiO2; нерастворимых металлов Mo, W, Ti, Nb; тугоплавких карбидов TiC, VC, WC, NbC), положительно влияют на физические свойства сталей и сплавов.
Наибольший интерес представляет использование в качестве вторичных фаз - карбидов, нитридов и карбонитридов таких элементов, как титан и ниобий. Сложность использования вторичных фаз заключается в обеспечении равномерного их распределения в слитке, так как они обладают меньшей удельной плотностью, чем металл, подвергающийся упрочнению (модифицированию).
Анализ исследований по применению физико-механических методов обработки расплавов (механическое замешивание, обработка ультразвуком, осаждение в электрическом поле) свидетельствует о не стабильности получаемых результатов. Наиболее эффективно ввести твёрдые полидисперсные, тугоплавкие частицы в жидкий металлический расплав при разливке можно, если изменить направление фронта кристаллизации, что достигается вытягиванием формируемой заготовки в обратном направлении действию гравитационных сил. Это обеспечивает равномерное распределение модификаторов по фронту кристаллизации, а, следовательно, и в формируемом слитке. Кафедрой «Общая металлургия» Южно-Уральского государственного университета, совместно ОАО «ЗМК» разработана и изготовлена промышленная установка для модифицирования по выше изложенной технологии. Данная установка позволяет удерживать заготовку до 10 тонн и обеспечить вытягивание формируемого слитка вверх со скоростью 0,1-1,0 м/мин, что вполне укладывается в расчётные параметры.
На разработанной и собранной установке осуществлена серия опытных разливок стали марки У7. Получены литая (диам. 300 мм,) и полая заготовка (наружный диам. 300 мм, внутренний 240 мм) массой 0,5 и 0,4 тонны. Исследования качества металла показало, что опытные заготовки имеют более плотную структуру по всей высоте в сравнении с литыми заготовками, полученными на классической, вертикальной МНЛЗ. Механические испытания представлены в табл.
Таблица 1. Механические свойства стали марки У7 и опытного металла
|
Марка Стали |
Состояние |
Место |
sТ, кгс/мм2 |
sВ, кгс/мм2 |
аК кгс м/см2 |
d,% |
y,% |
НRC |
|
У7 (исходный) |
Деформированная +т/о
|
¾ |
90,0 |
110,0 |
¾ |
7 |
30 |
52 |
|
У7+ 0,16%ТiC (опытный) |
Литая + т/о |
1А 2А 1У 2У |
90,3 ¾ 110,2 ¾ |
80,6 104,0 111,2 123,1 |
0,4 0,5 0,4 0,4 |
0,8 0,9 0,8 0,8 |
¾ ¾ ¾ ¾ |
53 54 54 55 |
Все образцы были подвергнуты термической обработке: закалка (температура 800-820°С, охлаждающая среда - вода) и отпуск (температура 300-320°С, выдержка при температуре отпуска и последующее охлаждение на воздухе).
Исследования удельной работы износа (отношение произведения средней силы трения на длину пути к убыли массы образца) представлено в табл. 2.
Распределение карбидов, нитридов и карбонитридов изучалось на микрошлифах с различных горизонтов слитка на микроскопе МИМ-10 при увеличении 630 раз. Анализ полученных результатов свидетельствует о равномерности распределения фаз, как по высоте, так и по сечению заготовки.
Таким образом, опытная разливка показала принципиальную возможность промышленного получения металла, упрочнённого искусственно введёнными вторичными фазами, что обеспечило высокую износостойкость.
Таблица 2. Удельная износостойкость различных марок сталей в зависимости от режимов термической обработки
| Марка стали | Состояние |
Работа износа, Дж/мг и твёрдость НRC |
||||
|
Без термо- обработки |
Закалка в масле при 980°С |
Закалка в масле при 1040°С |
Закалка в масле при 1080°С |
Закалка на воздухе при 1150°С |
||
|
ЭИ 107(40Х10С2М) |
Кр. 40 |
3,40 |
5,23 |
5,78 |
7,13 |
6,56 |
|
110Х18М-ШД٭ |
Кр. 40 |
3,20 |
- |
5,88 |
6,60 |
6,18 |
|
У7 (исходный) |
Литая |
- |
4,89 |
- |
- |
- |
|
У7+ 0,16%ТiC(опытный) |
Литая |
- |
3,76 |
- |
- |
- |
|
٭ аналог сталей 440С по АSTМ А 276-90а (Американский стандарт) 1. 4125 Х105СrMo17 по EN 10088 (Европейский стандарт) |
||||||