Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ

Чуманов И.В.
Одним из перспективных путей увеличения механических характеристик, а также срока службы изделий является применение сталей и сплавов с высокой конструктивной прочностью. На современном этапе данная проблема решается двумя путями: изготовлением режущих элементов инструмента методами порошковой металлургии и совершенствованием производимой инструментальной быстрорежущей стали традиционными способами. При использовании элементов порошковой металлургии основная трудность заключается в отсутствии возможности пропрессовать изделия значительных размеров. Данное обстоятельство и является сдерживающим фактором. При совершенствовании традиционной электроплавки, например, легирование быстрорежущей стали азотом, возможно увеличение стойкости изготовленного из нее инструмента, но до определенных значений. Кроме того, легирование азотом сложный и многогранный процесс.

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

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)


Библиографическая ссылка

Чуманов И.В. ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ // Современные наукоемкие технологии. – 2004. – № 2. – С. 57-59;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=21630 (дата обращения: 17.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252